Процессор. Устройство и принцип работы презентация

Процессор . Устройство и принцип работы . Выполнила студентка группы 17: Батуринец Анастасия

Процессор -это основное устройство ЭВМ, выполняющее логические и арифметические операции, и осуществляющее управление всеми компонентами ЭВМ. Процессор представляет собой миниатюрную тонкую кремниевую пластинку прямоугольной формы, на которой размещается огромное количество транзисторов, реализующих все функции, выполняемые процессором. Кремневая пластинка – очень хрупкая, а так как ее любое повреждение приведет к выходу из строя процессора, то она помещается в пластиковый или керамический корпус.

Современные процессоры: Современный процессор – это сложное и высокотехнологическое устройство, включающее в себя все самые последние достижения в области вычислительной техники и сопутствующих областей науки. Большинство современных процессоров состоит из: одного или нескольких ядер, осуществляющих выполнение всех инструкций; нескольких уровней КЭШ-памяти (обычно, 2 или три уровня), ускоряющих взаимодействие процессора с ОЗУ; контроллера ОЗУ; контроллера системной шины (DMI, QPI, HT и т.д.);

Рассмотрим структурную схему многоядерного процессора :

Ядро процессора – это его основная часть, содержащая все функциональные блоки и осуществляющая выполнение всех логических и арифметических операций. На рисунке 1 приведена структурная схема устройства ядра процессора. Как видно на рисунке, каждое ядро процессора состоит из нескольких функциональных блоков: блока выборки инструкций; блоков декодирования инструкций; блоков выборки данных; управляющего блока; блоков выполнения инструкций; блоков сохранения результатов; блока работы с прерываниями; ПЗУ, содержащего микрокод; набора регистров; счетчика команд.

Принцип работы ядра процессора. Принцип работы ядра процессора основан на цикле, описанном еще Джоном фон Нейманом в 1946 году. В упрощенном виде этапы цикла работы ядра процессора можно представить следующим образом: 1. Блок выборки инструкций проверяет наличие прерываний. Если прерывание есть, то данные регистров и счетчика команд заносятся в стек, а в счетчик команд заносится адрес команды обработчика прерываний. По окончанию работы функции обработки прерываний, данные из стека будут восстановлены; 2. Блок выборки инструкций из счетчика команд считывает адрес команды, предназначенной для выполнения. По этому адресу из КЭШ-памяти или ОЗУ считывается команда. Полученные данные передаются в блок декодирования; 3. Блок декодирования команд расшифровывает команду, при необходимости используя для интерпретации команды записанный в ПЗУ микрокод. Если это команда перехода, то в счетчик команд записывается адрес перехода и управление передается в блок выборки инструкций (пункт 1), иначе счетчик команд увеличивается на размер команды (для процессора с длинной команды 32 бита – на 4) и передает управление в блок выборки данных; 4. Блок выборки данных считывает из КЭШ-памяти или ОЗУ требуемые для выполнения команды данные и передает управление планировщику;

5. Управляющий блок определяет, какому блоку выполнения инструкций обработать текущую задачу, и передает управление этому блоку; 6. Блоки выполнения инструкций выполняют требуемые командой действия и передают управление блоку сохранения результатов; 7. При необходимости сохранения результатов в ОЗУ, блок сохранения результатов выполняет требуемые для этого действия и передает управление блоку выборки инструкций (пункт 1). Описанный выше цикл называется процессом (именно поэтому процессор называется процессором). Последовательность выполняемых команд называется программой. Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовой частотой процессора, а время работы каждого этапа цикла и время, затрачиваемое на полное выполнение одной инструкции, определяется устройством ядра процессора.

Эффективность выполнения команд. В зависимости от типов обрабатываемых инструкций и способа их исполнения, процессоры подразделяются на несколько групп: на классические процессоры CISC; на процессоры RISC с сокращенным набором команд; на процессоры MISC c минимальным набором команд; на процессоры VLIW с набором сверхдлинных команд. Итак рассмотрим детально : CISC (Complex instruction set computer) – это процессоры со сложным набором команд. Архитектура CISC характеризуется: сложными и многоплановыми инструкциями; большим набором различных инструкций; нефиксированной длиной инструкций; многообразием режимов адресации.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) – процессоры с сокращенным набором инструкций. Процессоры, построенные по архитектуре RISC, обладают следующими основными особенностями: фиксированная длина инструкций; небольшой набор стандартизированных инструкций; большое количество регистров общего назначения; отсутствие микрокода; меньшее энергопотребление, по сравнению с CISC-процессорами аналогичной производительности; более простое внутреннее устройство; меньшее количество транзисторов, по сравнению с CISC-процессорами аналогичной производительности; отсутствие сложных специализированных блоков в ядре процессора.

MISC (Minimal Instruction Set Computer) – дальнейшее развитие архитектуры RISС, основанное на еще большем упрощении инструкций и уменьшении их количества. Так, в среднем, в MISC-процессорах используется 20-30 простых инструкций. Такой подход позволил еще больше упростить устройство процессора, снизить энергопотребление и максимально использовать возможности параллельной обработки данных. VLIW (Very long instruction word) – архитектура процессоров, использующая инструкции большой длины, содержащие сразу несколько операций, объединенных компилятором для параллельной обработки. В некоторых реализациях процессоров длина инструкций может достигать 128 или даже 256 бит.

А теперь об истории процессора : История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем. Первым этапом, затронувшим период с 1940-х по конец 1950-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение. Вторым этапом, с середины 1950-х до середины 1960-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 1960-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем, по мере развития технологии, стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы — элементарные регистры, счётчики, сумматоры), позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, арифметическо-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд. Четвёртым этапом, в начале 1970-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора — микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации. Постепенно, с удешевлением и распространением современных технологий, эти процессоры также начинают изготавливаться в формате микропроцессора.

Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 1980-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Тем не менее, центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции. Переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССОРА Производительность процессора характеризует скорость выполнения приложений. Производительность ~ Разрядность × Частота × Кол-во команд за такт Разрядность процессора определяется количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. С момента появления первого процессора 4004 разрядность процессора увеличилась в 16 раз ( с 4 бит до 64 битов). Частота соответствует количеству тактов обработки данных, которые процессор производит за 1 секунду. С момента появления первого процессора частота процессора увеличилась в 37 000 раз ( с 0,1 МГц до 3700 МГц).

Выделение процессором теплоты Q пропорционально потребляемой мощности P, которая, в свою очередь пропорциональна квадрату частоты ν2: Q ~ P ~ ν2 Для отвода тепла от процессора применяют массивные воздушные системы охлаждения (кулеры).

В настоящее время производительность процессора увеличивается путем совершенствования архитектуры процессора. Во-первых, в структуру процессора вводится кэш-память 1-го и 2-го уровней, которая позволяет ускорить выборку команд и данных и тем самым уменьшить время выполнения одной команды. Во-вторых, вместо одного ядра процессора используется два ядра, что позволяет повысить производительность процессора примерно на 80%.

Значение процессора в нашей жизни Жизнь современного человека невозможно представить без компьютера. Он настолько прочно вошел в жизнь человека. Все сферы деятельности связаны с компьютерами. С течением времени они еще больше войдут в нашу жизнь. Для большинства из нас компьютер – неотъемлемая часть жизни. А составная часть компьютера –Процессор .

Спасибо за внимание!