Классификация, структура и основные характеристики микропроцессоров ПК. 4

     МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

     ВСЕРОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ 
 
 
 
 
 
 
 
 

     КУРСОВАЯ  РАБОТА

Дисциплина  «Информатика»

На тему: «Классификация, структура и основные характеристики микропроцессоров ПК» 
 
 
 
 
 
 

     Выполнила          

     Студентка                             2 курса

     Факультет      

     № зач. книжки                  

     Преподаватель               
 
 
 

Оглавление 

Введение…………………………………………………………………………….3 

1. Классификация микропроцессоров ПК…………………………………..4

    2.  Структура микропроцессоров ПК………………………………………..11

    3.  Основные характеристики микропроцессоров ПК…………………….  14 

Заключение………………………………………………………………………… 16

Практическая  часть………………………………………………………………   17

Список использованной литературы…………………………………………...... 25 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом", является микропроцессор, находящийся на материнской плате, который осуществляет управление взаимодействием всех устройств, входящих в состав компьютера. Чаще всего это большая интегральная схема, представляющая собой кремниевый кристалл в пластмассовом, керамическом и металлокерамическом корпусе, на котором расположены выводы для приёма и выдачи электрических сигналов. Степень интеграции схемы определяется размером кристалла и количеством размещённых в нём транзисторов. На современные высокоскоростные микропроцессоры устанавливается вентилятор (размером со спичечную коробку), необходимый для охлаждения.

    Основные  функции микропроцессора – выполнение вычислений, пересылка данных между внутренними регистрами, управление ходом вычислительного процесса. Микропроцессор непосредственно взаимодействует с оперативной памятью и контроллёрами системной платы. Главными носителями  информации  внутри процессора служат регистры. 

1. Классификация микропроцессоров ПК

    Первый  микропроцессор i4004 был выпущен в 1971 г. фирмой Intel (США). В настоящее время эта фирма занимает одно из ведущих мест на рынке микропроцессоров для ПК типа IBM PC (International Business Machine). Одной из основных причин успеха IBM PC является принцип открытой архитектуры, благодаря которому пользователи могут расширять возможности ПК, добавляя различные периферийные устройства и модернизируя его.

    Для выпускавшихся в 1979 – 1988 гг. моделей фирмой Intel был создан ряд математических сопроцессоров (i8087, i80287, i80387), обеспечивающих выполнение операций с плавающей точкой в соответствующих микропроцессорах (i8088, i80286, i80386). Появившийся в 1989 г. микропроцессор i486 DX впервые вмещал в одном кристалле центральный процессор и математический сопроцессор, благодаря чему набор реализуемых им команд возрос до 220 (170 плюс 50 команд арифметики с плавающей точкой).

    Также в кристалле микропроцессора  i486 DX впервые появилась кэш-память ёмкостью 8 Кбайт, служащая для повышения производительности компьютера. В наименовании микропроцессора i486 DX отсутствуют цифры «80», с которых начинались имена всех предыдущих микропроцессоров данного семейства. Это было сделано специально с целью конкурентной борьбы с другими фирмами, разрабатывающими аналогичные микропроцессоры.

    Так как математический сопроцессор  нужен не для всех задач, в 1991 г. был  создан микропроцессор i486 SX, отличающийся от i486 DX отсутствием сопроцессора. Он также является 32-разрядной системой и содержит на том же кристалле кэш-память.

    В 1992 г. фирма Intel начала выпуск второго поколения микропроцессоров с умножением частоты i486 - i486 DX2, i486 DX4. В них достигнута более высокая производительность (примерно на 70%) за счёт того, что скорость работы внутренних блоков микропроцессора (АЛУ, устройства управления, математического сопроцессора, кэш-памяти) в несколько раз выше скорости работы остальных элементов на системной плате (ОЗУ, внешняя кэш-память, вспомогательные микросхемы).

    Микропроцессор  Pentium был выпущен в 1993 г. и содержал 32-разрядную адресную шину; 64-разрядную внешнюю шину данных, обеспечивающую высокую скорость обмена данными с системной платой. (обмен данными с системой может выполняться со скоростью 1 Гбайт/с). В Pentium реализованы две раздельные 8-килобайтные кэш-памяти: одна – для данных, другая – для команд. Суперскалярная архитектура Pentium содержит два пятиступенчатых блока обработки данных, функционирующих независимо друг от друга и обрабатывающих две команды за один такт. Высокая скорость выполнения операций в Pentium обеспечивается также наличием специализированного аппаратного блока сложения, умножения и деления для чисел с плавающей запятой с 8-ступенчатой конвейеризацией, что позволяет выполнять такие операции за один такт. В Pentium предусмотрена возможность динамического исполнения команд («исполнение по предположению с изменением последовательности).

    В 1995 г. появился микропроцессор Pentium Pro. По внутренней и внешней разрядности он аналогичен микропроцессору Pentium. Он также содержит две раздельные 8-килобайтные кэш-памяти для данных и для команд. В то же время Pentium Pro значительно отличается от Pentium по архитектуре. В частности, в неё имеется ещё кэш-память второго уровня, расположенная в том же кристалле и позволяющая значительно повысить производительность процессора. Повышению производительности способствует также наличие 14-ступенной суперконвейерной структуры.

    Более дорогой по сравнению с Pentium Pentium Pro имеет повышенную надёжность, что особенно важно в серверах для поддержания целостности данных.

    В январе 1997 г. фирма Intel объявила о выпуске микропроцессоров Pentium с технологией MMX (Multi Media eXtention) – мультимедийное расширение. В них предусмотрен дополнительный набор из 57 команд, способных одновременно обрабатывать группы из нескольких данных, размещённых в длинных 64-разрядных регистрах. Применение новых команд обеспечивает высокое быстродействие при реализации алгоритмов, характерных для обработки графических, видео- и аудиоданных.

    В мае 1997 г. выпущен микропроцессор Pentium II, сочетающий в себе преимущества новейших микропроцессорных технологий и архитектурных решений. В Pentium II встроенная кэш-память первого уровня вдвое большая, чем у Pentium Pro (16 Кбайт – для данных и 16 Кбайт – для команд), кэш-память второго уровня ёмкостью 512 Кбайт, выполненная конструктивно в виде отдельных микросхем и расположенная в одном корпусе с микропроцессором, двойная независимая шина (раздельная системная шина и шина кэш-памяти). В результате существенно повысилась производительность компьютеров на базе Pentium II.

    В Pentium II используются высокопроизводительная технология обработки информации, предложенная впервые в Pentium Pro, и технология MMX, обеспечивающая увеличение производительности процессора при работе с мультимедийными и коммуникационными приложениями. Технология динамического исполнения команд включает такие возможности, как предсказание ветвлений, переименование регистров, а также опережающее и внеочередное исполнение команд ( это означает, что очерёдность исполнения команд не нарушается, даже если последующая команда выполняется быстрее, чем предыдущая).

    Следуя  стратегии выпуска различных процессоров, способных занять свободные маркетинговые ниши, в 1998 г. компания Intel представила новую модификацию процессора Pentium II с тактовой частотой 266 МГц без кэш-памяти второго уровня под названием Celeron, предназначенного для недорогих ПК. Отсутствие кэш-памяти второго уровня при мощном процессорном ядре привело к существенному снижению производительности процессора. В связи с этим в последующих моделях процессора Celeron с более высокой тактовой частотой (400 МГц) появилась кэш-память второго уровня ёмкостью 128 Кбайт, работающая на полной частоте процессора.

    В феврале 1999 г. выпущен микропроцессор Pentium III. Его нельзя назвать процессором принципиально нового поколения, так как архитектура Pentium III является дополненной версией процессора Pentium II, в которую введены 70 новых инструкций, называемых расширениями Streaming SIDM (потоковые расширения SIDM – Single Instruction – Many Data), подразумевающими возможность получения процессором одной инструкции на обработку нескольких массивов однотипных данных. Первые модели Pentium III выпускались с тактовой частотой 450 МГц, последующие – 500, 600 МГц. Из семидесяти новых инструкций пятьдесят используется для оптимизации операций с плавающей точкой (SIDM FP), двенадцать – являются дополнением к имеющимся в Pentium II мультимедийным инструкциям MMX и восемь новых инструкций кэширования (инструкций поточного запоминания). Кроме того, в Pentium III имеется дополнительный блок для выполнения инструкций SIDM с плавающей точкой.

    Расширения Streaming SIDM предназначены для решения задач обработки звука, видео, и другой мультимедийной информации, требующей интенсивной работы процессора – фильтрации графических изображений, геометрических 3D вычислений и волнового анализа, которые тормозили работу даже быстрого Pentium II. Однако чтобы воспользоваться преимуществами Pentium III, необходимо разрабатывать новое программное обеспечение.

    При работе с приложениями типа Microsoft Office, электронной почтой, Web-браузером пользователь вряд ли почувствует увеличение производительности, используя Pentium III, по сравнению с Pentium II при равной тактовой частоте процессоров. Одним из перспективных применений Pentium III считается распознавание речи и перевод устных фраз в текстовую форму. Программы распознавания речи показывают на Pentium III более высокую точность распознавания и меньшее время обучения особенностям произношения по сравнению с Pentium II.

    Для профессиональных рабочих станций  и серверов фирмой Intel создан микропроцессор Xeon (1999 г.). Более производительный, чем Pentium III, Xeon имеет кэш-память второго уровня ёмкостью 2 Мбайта, работающую на частоте процессора. Более объёмная и более быстрая кэш-память микропроцессора Xeon по сравнению с Pentium III способствует повышению производительности выполнения задач, интенсивно использующих процессор, например запросов в базах данных. Кристалл позволяет изготавливать машины с четырёхпроцессорной конфигурацией. В результате скорость работы сервера может быть увеличена распределением задач по нескольким процессорам. Но для реализации этого требуется соответствующая плата, а также рассчитанная на многопроцессорность операционная система и соответствующие приложения.

    В 2000 г. фирма Intel выпустила Pentium III с тактовой частотой 800 МГц, недорогой процессор Timna, содержащий встроенные графические и звуковые возможности, 64-разрядный процессор Itanium. Ориентированный на 64-разрядные вычисления, процессор Itanium может обрабатывать огромные массивы данных и быть использован для серверов и рабочих станций.

    Несмотря  на бесспорное лидерство фирмы Intel на рынке микропроцессоров, в настоящее время ряд фирм – AMD (Advanced Micro Devices), Cyrix, IBM, Texas Instruments, IDT и др. – производит аналогичные устройства, конкурирующие с изделиями Intel. Больших успехов в последнее время добилась на этом поприще фирма AMD.

    В 1996 г. фирмой AMD выпущен более дешёвый и более производительный аналог микропроцессора Pentium – AMD-К5, в 1997 г. - AMD-К6, спроектированный как альтернатива Pentium II, затем AMD К6-2 с технологией 3D Now!, AMD К6-III. AMD-К6 – первый микропроцессор из выпущенных не фирмой Intel, поддерживающий инструкции MMX, имеет увеличенную до 1 Мбайта кэш-память второго уровня (по сравнению с 512 Кбайт в Pentium II, высокую производительность. В AMD К6-III кэш-память второго уровня объёмом 256 Кбайт расположена на самом кристалле и может обмениваться данными с процессором на его рабочей частоте.

    В 1999 г. фирмой AMD выпущен процессор Athlon, ранее известный под кодовым названием К7. Процессор Athlon может одновременно обрабатывать до шести инструкций за один такт (в то время как Pentium III – только три), имеет кэш-память первого уровня 128 Кбайт (что в четыре раза больше, чем у Pentium III). Кроме того, фирма AMD разработала более быструю, чем у Pentium III, системную шину, которая позволяет процессору обмениваться данными с набором микросхем, установленным на системной плате, на частоте 200 МГц (у Pentium III – системная шина работает на частоте 100 МГц).

    Как правило, микропроцессоры конкурирующих  с Intel фирм обеспечивают полную совместимость с существующим программным обеспечением. Например, микропроцессоры AMD имеют лицензию Microsoft на использование логотипа «Designed for Widows 95», сохраняют совместимость с другими операционными системами (DOS, OS/2, Windows NT, UNIX) и всей базой прикладного программного обеспечения, разработанного для серии x86. Однако некоторые микросхемы Cyrix имели определённые проблемы совместимости (например, при запуске некоторых игр).

    Большое внимание фирмами-производителями  микропроцессоров уделяется технологии изготовления кристаллов. Производительность микропроцессоров прямо зависит от размера кристалла, который, в свою очередь, определяется плотностью расположения транзисторов на нём. Чем меньше пути прохождения электронов, тем производительнее микропроцессор. При уменьшении размеров микропроцессоры потребляют меньше энергии, быстрее работают и становятся дешевле.

    Одним из основных путей уменьшения размеров кристаллов в соответственно увеличения плотности расположения транзисторов является снижение норм толщины проводников. В ранних моделях микропроцессоров толщина алюминиевых проводников составляла 1,5 мкм. В настоящее время большинство производителей изготавливают микропроцессоры с толщиной проводников 0,25 мкм. Снижение проектных норм (меньше 0,25 мкм) может привести к повышению влияния электрического сопротивления алюминия и в результате – к снижению производительности микропроцессора.

    Новым решением этой проблемы стало открытие фирмой IBM метода использования меди вместо алюминия. Медь имеет меньшее электрическое сопротивление, чем алюминий, и позволяет применять более тонкие проводники. Однако медь загрязняет кремниевую подложку микропроцессора. IBM устранила этот недостаток путём изолирования медных проводников от кремниевой подложки и последующей герметизации меди. В настоящее время IBM планирует выпуск микропроцессоров с толщиной проводников 0,20 мкм и менее.             
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2. Структура микропроцессоров ПК

    В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние регистры. Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд.

    АЛУ – арифметические и логические операции над данными. Оно может состоять из нескольких блоков, например, блока обработки целых чисел и блока обработки чисел с плавающей точкой.

    В составе микропроцессора может  присутствовать сверхоперативная, или  кэш-память, которая обеспечивает более  быструю передачу информации, чем оперативная память. У современных микропроцессоров может быть кэш-память первого уровня, которая обычно встроена в тот же кристалл и работает на одинаковой с микропроцессором частоте. Кэш-память первого уровня предназначена  для хранения промежуточных результатов вычислений. Для некоторых микропроцессоров предусмотрена ещё кэш-память второго уровня. Существуют два способа организации такой памяти: общая, когда команды и данные хранятся вместе, и разделённая, когда они хранятся в разных местах. Наличие разделённой кэш-памяти увеличивает производительность микропроцессора, сокращая среднее время доступа к используемым командам и данным. От способа организации, количества уровней и ёмкости кэш-памяти, а также от того, находится ли кэш-память в том же кристалле (чипе), что и сам микропроцессор, или в отдельном кристалле, также зависит производительность микропроцессора.

    Ёмкость памяти, адресуемой микропроцессором, определяется разрядностью внешней  шиной адреса. Максимально адресуемая память имеет ёмкость 2^N байт, где N – количество адресных линий в системной шине.

    Большинство задач, решаемых на ПК, не требует сложных математических вычислений. Это относится к работе с текстовыми данными, базами данных, сетевыми операционными системами. В других случаях – при решении сложных математических и физических задач, задач моделирования, для работы с трёхмерной графикой, электронными таблицами, издательскими пакетами – важным параметром является скорость выполнения операций с плавающей точкой, на которые универсальные процессоры тратят достаточно много времени. Для таких задач в некоторых компьютерах предусмотрено использование специального устройства, называемого математическим сопроцессором.

    Математический  сопроцессор – специализированная интегральная микросхема, работающая во взаимодействии с центральным процессором и предназначенная для выполнения математических операций с плавающей точкой.

    В современных микропроцессорах в  основу работы каждого блока положен  принцип конвейера, который заключается в следующем. Реализация каждой машинной команды разбивается на отдельные этапы (как правило, это выборка команды из памяти, декодирование, выполнение и запись результата). Выполнение следующей команды программы может быть начато до завершения предыдущей (например, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, третья выбираться и т. д.). Таким образом, одновременно микропроцессор выполняет несколько следующих друг за другом команд программы, и время на выполнение блока команд уменьшается в несколько раз. Если в микропроцессоре имеется несколько блоков обработки, в основу работы которых положен принцип конвейера, то его архитектуру называют суперскалярной.

    Поскольку в программе могут встречаться  команды передачи управления, выполнение которых зависит от результатов выполнения предшествующих команд, в современных микропроцессорах при использовании конвейерной архитектуры предусматриваются механизмы предсказания переходов – так называемое «исполнение по предположению с изменением последовательности». Это означает, что если в очереди команд появилась команда условного перехода, предсказывается, какая команда будет выполняться следующей до определения признака перехода. Выбранная ветвь программы выполняется в конвейере, но запись результата осуществляется только после вычисления признака перехода в случае, если переход выбран верно. Если выбор ветви программы ошибочен, микропроцессору приходится вернуться назад и выполнить правильные операции в соответствии с вычисленным признаком перехода. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Основные характеристики  микропроцессоров  ПК

       Микропроцессоры классифицируются  по:

1) быстродействию, которое определяется тактовой  частотой. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (1 МГц = 1 000 000 Гц). Для старых машин типичной была частота 8-12 МГц, однако современные ПК имеют частоту 133, 166, 200, 233, 333, 450, 533, 600 МГц.

     Следует помнить, что тактовая частота служит лишь относительным показателем быстродействия процессора, поскольку схемные различия процессоров приводят к тому, что в некоторых из них за один такт выполняется работа, на которую другие расходуют несколько тактов;

2) разрядности,  показывающей, сколько двоичных разрядов (битов) информации обрабатывается (или передаётся) за один такт, а также – сколько двоичных разрядов может быть использовано в процессоре для адресации оперативной памяти. От разрядности зависят скорость работы и максимальный объём внутренней памяти, с которым может работать машина.

     Современные микропроцессоры могут обрабатывать целые числа разрядностью 8, 16 и 32 бита, числа с плавающей точкой разрядностью 32 и 64 бита. В составе  машинных команд микропроцессора, как  правило, присутствуют инструкции целочисленной арифметики, которые могут быть дополнены командами с плавающей точкой и командами, реализующими обработку графических, видео- и аудиоданных (технология MMX – Multi Media eXtention – мультимедийное расширение);

3) технологии  изготовления кристаллов;

4) наличию математического сопроцессора;

5) наличию  кэш-памяти;

6) соответствию  внутренней разрядности микропроцессора разрядности внешней шины. Микропроцессор обменивается информацией с внешними устройствами через системную шину. Однако разрядность внутренних регистров микропроцессора может не совпадать с разрядностью шины, например, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь только 16 внешних выводов, обеспечивающих взаимодействие с 16-разрядной шиной данных.

     7) архитектуре, определяющей какие данные микропроцессор может обрабатывать, какие машинные инструкции входят в набор выполняемых им команд, как происходит обработка данных, каков объём внутренней памяти микропроцессора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

    Итак, рассмотрев в данной работе классификацию, структуру и основные характеристики микропроцессоров, мы выяснили, что микропроцессор является самым главным элементом ПК.

    Характеристики  микропроцессоров улучшаются со стремительной  быстротой: совершенствуется архитектура, увеличиваются разрядность и тактовая частота, следовательно, возрастает производительность микропроцессоров. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Практическая  часть

    В бухгалтерии предприятия ООО  «Александра» рассчитываются ежемесячные  отчисления на амортизацию по основным средствам. Данные для расчёта начисленной амортизации приведены на рис. 10.1 и 10.2.

    1. Построить таблицы по приведённым  ниже данным.

    2. Выполнить расчёт начисленной  амортизации в каждом месяце  и остаточной стоимости основных  средств на конец периода.

    3. Организовать межтабличные связи для автоматического формирования сводной ведомости по начисленной амортизации.

    4. Сформировать и заполнить сводную  ведомость начисленной амортизации  по основным средствам за квартал  (рис. 10.3).

    5. Результаты изменения первоначальной  стоимости основных средств на конец квартала представить в графическом виде.

    Ведомость расчёта амортизационных  отчислений за январь 2006 г.

    Ведомость расчёта амортизационных  отчислений за февраль 2006 г.