1. история развития процессоров до появления первого PC. 4

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................................................... 3

1. история развития процессоров до появления первого PC............. 4

2.Устройство процессора компьютера................................................................................... 8

3. Управление процессором. Принцип фон Неймана........................................................ 10

3.1.Принципы фон Неймана................................................................................................. 10

4.Понятие процесса................................................................................................................ 13

5.Понятие ядра........................................................................................................................ 15

Заключение........................................................................................................ 17

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................... 18

Введение

«Мозгом» персонального компьютера является микропроцессор, или центральный процессор – CPU (Central Processing Unit). Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных (за исключение некоторых ма­тематических операций, осуществляемых в компьютерах, имеющих сопро­цессор) и, как правило, является самой дорогостоящей микросхемой компью­тера. Во всех РС-совместимых компьютерах используются процессоры., совместимые с семейством микросхем Intel, но выпускаются и проектиру­ются она как самой Intel, так и компаниями AMD, Cyrix, IDT и Rise Technolo­gies. В настоящее время Intel доминирует на рынке процессоров, но так было далеко не всегда. Компания Intel прочно ассоциируется с изобрете­ние первого процессора и его появлением на рынке. Но, несмотря на это, два наиболее известных в конце 1970-х годов процессора, используемых в ПК, не принадлежали Intel (один из них, правда, являлся прямым аналогом процес­сора Intel). В персональных компьютерах того времени чаще всего использо­вались процессоры Z-80 компании Zilog и 6502 компании MOS Technologies. Процессор Z-80 представлял собой улучшенный и более дешевый аналог процессора 8080. Сегодня подобная ситуация произошла с многочисленными клонами процессоров Intel Pentium, созданными компаниями AMD, Cyrix (теперь, так называемой VIA), IDT и Rise Technologies. Более того, в некото­рых случаях аналог приобретал большую популярность, чем оригинал. Ком­пания AMD в течении прошлого года заняла значительную часть рынка и в результате получила большую прибыль. Но, несмотря на это, многие утвер­ждают, что Intel все еще играет главенствующую роль на рынке процессоров ПК.

1. История развития процессоров до появления первого PC.

Первый процессор был выпущен за 10 лет до появления первого компьютера IBM PC. Он был разработан компанией Intel, назван Intel 4004, а его выпуск состоялся 15 ноября 1971 года. Рабочая частота этого процес­сора составляла всего 108 кГц. Этот процессор содержал 2 300 транзисто­ров и производился по 10-микронной технологии. Шина данных имела ширину 4 разряда и позволяла адресовать 640 байт памяти. процессор 4004 использовался в схемах управления светофоров, анализаторах крови и даже на межпланетной научно-исследовательской станции NASA Pioneer. 15 ноября 2001 года исполнилось 30 лет со дня появления первого микро­процессора. За эти годы быстродействие процессора увеличилось более чем в 18 500 раз (до 2 МГгц). В апреле 1972 года Intel выпустила процессор 8008, который работал на частоте 200 кГц. Он содержал 3 500 транзисто­ров и производился все той же 10-микронной технологией. Шина была 8-разрядной и позволяла адресовать 6 000 транзисторов и мог адресовать уже 64 Кбайт памяти. На нем был собран первый персональный компью­тер (не РС) Altair 8800. В этом компьютере использовалась операционная система СР/М, а Microsoft разработал для него интерпретатор BASIC. Это была первая массовая модель компьютера, для которого были написаны тысячи программ. Со временем процессор 8080 стал настолько известен, что его начали копировать. В конце 1975 года несколько бывших инжене­ров Intel, занимавшихся разработкой процессора 8080, создали компанию Zilog. В июле 1976 года эта компания выпустила процессор Z-80, который представлял собой значительно улучшенную версию 8080. Этот процессор был не совместим с 8080 по контактным выводам, но сочетал в себе мно­жество различных функций, например интерфейс памяти и схему обновле­ния ОЗУ (RAM), что давало возможность разработать более дешевые и простые компьютеры. В Z-80 был также включен расширенный набор ко­манд процессора 8080, позволяющий использовать его программное обес­печение. В этот процессор вошли новые команды и внутренние регистры, поэтому программное обеспечение, разработанное для Z-80, могло исполь­зоваться практически со всеми версиями 8080. Первоначально процессор Z-80 работал на частоте 2,5 МГц (более поздние версии работали уже на частоте 10 МГц), содержал 8,5 тысяч транзисторов и мог адресовать 64 Кбайт памяти. Компания Radio Shark выбрал процессор Z-80 для своего первого персонального компьютера TRS-80 Model 1. Следует заметить. Что Z-80 стал первым процессором, используемым во многих новаторских системах, к числу которых относятся также системы Osborne и Kaypro. Этому примеру последовали другие компании, и вскоре Z-80 стал стан­дартным процессором для систем, работающих с операционной системой СР/М и наиболее распространенным программным обеспечением того времени. Intel не остановилась на достигнутом и в марте 1976 года выпус­тила процессор 8085, который содержал 6 500 транзисторов, работал на частоте 5 МГц и производился по 3-микронной технологии. В этом же году компания MOS Technologies выпустила процессор 6502, который был аб­солютно не похож на процессоры Intel. Он был разработан группой инже­неров компании Motorola. Эта же группа работала над созданием процес­сора 68000, который в будущем трансформировался в семейство процессо­ров 68000. Цена первой версии процессора 8080 достигала 300 долларов, в то время как 8-разрядный процессор 6502 стоил всего около 25 долларов. Такая цена была наиболее приемлема для Стива Возняка, который встроил процессор модели Apple и Apple II. Процессор 6502 использовался также в системах, созданных компанией Commodore и другими производителями. Этот процессор и его преемники с успехом работали в игровых компью­терных системах, в число которых вошла приставка Nintendo Entertainment System (NES). Компания Motorola продолжила работу над созданием серии процессоров 68000, которые в последствии были использованы в компью­терах Apple Macintosh. В настоящее время в этих системах применяется процессор PowerPC, являющийся преемником 68000.

В июне 1978 года Intel выпустила процессор 8086, который содержал набор команд под кодовым названием х86. Этот же набор команд до сих пор поддерживается в процессорах Pentium III. Процессор 8086 был полно­стью 16-разярдным – внутренние регистры и шина данных. Он содержал 29 000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Благодаря 20-разрядной шине адреса он мог адресовать 1 Мбайт памяти. При создании процессора 8086, обратная совместимость с 8080 не предусматривалась. Но, в то же время значительное сходство их команд и языка позволили использовать более ранние версии программного обеспечения. Это свойство впоследст­вии сыграло важную роль в развитии программного обеспечения ПК, включая операционную систему СР/М (8080). Несмотря на высокую эф­фективность процессора 8086, его цена была все же слишком высока по меркам того времени, и что важнее, для его работы требовалась дорогая микросхема поддержки 16-разрядной шины данных. Чтобы уменьшить се­бестоимость процессора, в 1979 году компания Intel выпустила упрощен­ную версию 8086, которая получила название 8088. Процессор использо­вал те же внутреннее ядро и 16-разрядные регистры, что и в 8086, мог ад­ресовать 1 Мбайт памяти, но, в отличие от предыдущей версии, использо­вал внешнюю 8-разрядную шину данных. Это позволило обеспечить об­ратную совместимость с ранее разработанным 8-разрядным процессором 8085 и, таким образом, значительно снизить стоимость создаваемых сис­темных плат и компьютеров. Именно поэтому IBM выбрала для своего первого персонального компьютера «урезанный» процессор 8088. Это ре­шение имело далеко идущие последствия для всей компьютерной индуст­рии. Процессор 8088 был полностью программно-совместимым с 8086, что позволяло использовать 16-разрядное программное обеспечение. В про­цессорах 8085 и 8080 использовался очень похожий набор команд, поэтому программы, написанные для процессоров предыдущих версий, можно было достаточно легко преобразовать для процессора 8088. Это, в свою очередь, позволяло разрабатывать разнообразные программы для персо­нального компьютера IBM, что явилось залогом будущего успеха. Не же­лая останавливаться на полпути, Intel была вынуждена обеспечить под­держку обратной совместимости 8088/8086 с большоей частью процессо­ров, выпущенных в то время. В те годы еще поддерживалась обратная со­вместимость процессоров, что ничуть не мешало вводить различные нов­шества или дополнительные возможности. Одним из основных изменений стал переход от 16-разрядной внутренней архитектуры процессора 286 и более ранних версий к 32-разрядной внутренней архитектуре 386-го и по­следующих процессоров, относящихся к категории IA-32 (32-разрядная архитектура Intel). Однако, до появления серийно выпускаемого про­граммного обеспечения, поддерживающего 32-разрядные команды, оста­валось еще более 10 лет. Например, в 1985 году с появлением процессора 386DX была представлена новая 32-разрядная архитектура, но только в 1995 году была выпущена Windows 95, ставшая первой широко распро­страненной операционной системой, поддерживающей архитектуру IA-32. Введение новой архитектуры не повлияло на обратную совместимость процессоров, так как практически все микросхемы IA-32 выполняли 16-разрядные команды. Не так давно компания Intel выпустила процессор Ita­nium, представив тем самым новую 64-разрядную архитектуру Intel (IA-64). В течении ближайших нескольких лет эта архитектура будет исполь­зоваться в серверных (т.е. более мощных и дорогих) микросхемах. Под­держка обратной совместимости процессора IA-32, как вы знаете, выража­ется в возможности выполнения 16-разрядных команд. Микросхемы IA-64, в свою очередь, могут выполнять не только 32-разрядные (IA-32), но и 16-разрядные (IA-16) команды. В компании AMD была разработана конку­рентоспособность, но несколько отличная 64-разрядная архитектура, полу­чившая название х86-64; она будет использоваться в микросхемах с кодо­вым именем Hammer. Ее основным отличием является то, что архитектура AMD x86-64 более близка к существующей IA-32, чем новая 64-разрядная архитектура IA-64. Предполагается, что микросхемы х86-64 будут выпол­нять существующий 32-разрядный код быстрее, чем процессоры, создан­ные на основе IA-64. К сожалению, процессоры х86-64 не позволяют вы­полнять программный код, разработанный непосредственно для IA-64, что связано с коренными отличиями наборов команд и архитектуры. Процес­сор Itanium (IA-64) был выпущен в марте 2001 года и уже завоевал солид­ную репутацию на рынке серверов и рабочих станций. Растущая популяр­ность IBM PC архитектуры Intel, в некотором роде, ограничила развитие персонального компьютера. Тем не менее, успех IBM PC привел к разра­ботке большого количества программ, периферийных устройств и аксес­суаров, в результате чего РС стал промышленным стандартом.

2. Устройство процессора компьютера

Сегодня процессоры изготавливаются в виде микропроцессоров. Ви­зуально микропроцессор – это тонкая пластина кристаллического кремния в форме прямоугольника. Площадь пластины несколько квадратных мил­лиметров, на ней расположены схемы, которые обеспечивают функцио­нальность процессора ПК,
как правило, пластинка защищена керамическим или пластмассовым пло­ским корпусом, к которому подсоединена посредством золотых проводков с металлическими наконечниками. Такая конструкция позволяет подсоединить процессор к системной плате ком­пьютера.

Процессор персонального компьютера состоит из:

- шины адресов и шины данных;

- арифметико-логическое устройство;

- регистры;

- КЭШ (быстрая память небольшого объема 8-512 Кбайт);

Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных, представленную как набор соединений (или выводов) для пере­дачи или приема данных. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает.

Шина адреса представляет собой набор проводников; по ним пере­дается адрес ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются дан­ные. Как и в шине данных, по каждому проводнику передается один бит адреса, соответствующий одной цифре в адресе. Увеличение количества проводников (разрядов), используемых для формирования адреса, позво­ляет увеличить количество адресуемых ячеек. Разрядность шины адреса определяет максимальный объем памяти, адресуемой процессором.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) представляет собой блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, называемыми в этом слу­чае операндами.

Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыст­рую оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен программисту: например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд, к которому программист обратиться не может.

КЭШ — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше осуществляется быстрее, чем выборка исходных данных из более медленной памяти или удаленного источника, однако её объём существенно ограничен по сравнению с хранилищем исходных дан­ных.

3. Управление процессором. Принцип фон Неймана.

В 1946 году Д.фон Нейман, Г. Голдстайн и А.Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствии, на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

3.1 Принципы фон Неймана

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройство можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Создание машины с хранимой в памяти программной было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы, и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать, то что теперь программа уже не была полностью частью машины (как, например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Работа машины фон Неймана

Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) – ЗУ, арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), а также устройств ввода и вывода.

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.

Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат.

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными. Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройстве вывода поступают так, как удобно человеку.

УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии. Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство – «Регистр команд». Управляющее устройство определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.

4. Понятие процесса.

Основные задачи управления процессором сводятся к решению двух взаимосвязанных проблем:

- Создание условий, при которых каждый процесс и приложение получат достаточную часть рабочего времени процессора, чтобы обеспе­чивалось их нормальное функционирование;

- Использование стольких циклов процессора, сколько возможно для нормальной работы.

Основной единицей программного обеспечения, с которой операционная система работает при планировании работы процессора, является либо процесс, либо поток, в зависимости от операционной системы.

Было бы заманчиво рассматривать процесс как приложение, однако подход дает неполную картину того, какая устанавливается взаимосвязь процессоров с операционной системой и аппаратными средствами. видимое пользователем приложение (текстовый редактор. Электронная книга или игра) действительно является процессом, однако это приложение может инициировать запуск некоторых других процессор для решения таких задач, как связь с другими устройствами или компьютерами. Имеется также большое число процессов, которые протекают, не проявляя себя. Таким образом, процесс – это программа, выполняющая определенное действие, и которой можно управлять – силами пользователя, с помощью других приложений или с помощью операционной системы.

Операционная система осуществляет контроль и планирует выполнение центральным процессором процессов, а не приложений. В однозначной системе планирование выполнения простое. Операционная система разрешает приложению запуститься, временно приостанавливая его выполнение, на достаточно длительное время, лишь в случае необходимости обслуживания прерываний и пользовательского ввода данных.

Прерывания – специальные сигналы, отправляемые на центральный процессор аппаратными средствами или программами. Это похоже на то, как если бы во время оживленного собрания какая-то часть компьютера вдруг подняла руку, требуя к себе внимания центрального процессора. Иногда операционная система устанавливает приоритеты процессоров таким образом, чтобы определенная операция была завершена как можно скорее. Существует некоторые прерывания (например, вызванные состоянием ошибки или проблемами с памятью), которые настолько важны, что их нельзя игнорировать. Эти немаскируемые прерывания требуют немедленного решения проблемы, несмотря на то, что должны выполняться другие задачи.

Учитывая, что прерывания создают определенные сложности при выполнении процессов даже в однозначном системе, функционирование операционной становится намного более сложным в многозадачной системе. В последнем случае операционная система должна организовать выполнение приложений таким образом, чтобы создавалось впечатление, что определенные события происходят одновременно. Это сложно осуществить, поскольку центральный процессор в каждый момент времени может делать только одну операцию. Современные многоядерные процессоры и многопроцессорные компьютеры могут выполнять по нескольку операций одновременно, однако каждое ядро процессоры, как и прежде, в каждый момент времени может делать только одну операцию.

Чтобы создавалось впечатление, что множество событий происходит одновременно операционная система должна осуществлять переключение между разными процессами тысячи раз в секунду. Это делается следующим образом:

- Процесс занимает определенную часть оперативной памяти. Кроме того, он использует регистры, стеки и очередности в центральном процессоре, а также в пространстве памяти операционной системы.

- Допустим, имеется два многозадачных процесса. Операционная система выделяет на каждую программу по определенному количеству исполнительных циклов.

- После прохождения этого количества циклов операционная система делает копии всех регистров, стеков и очередей, использовавшихся в процессах, и отмечает место, на котором наступила пауза выполнения процесса.

- Затем производится загрузка всех регистров, стеков и очередей, используемых вторым процессом, и этому процессу разрешается прохождение определенного количества циклов центрального компьютера.

- По завершении этих циклов делаются копии всех регистров, стеков и очередей, использовавшихся второй программой, и производится загрузка первой программы.

5. Понятие ядра

Процессоры с одинаковой архитектурой могут существенно отличаться друг от друга. Эти различия обусловлены разнообразием процессорных ядер, которые обладают определенным набором характеристик. Наиболее частым отличием является различные частоты системной шины, а также размеры кэша второго уровня и технологическим характеристикам, по которым изготовлены процессоры. Очень часто смена ядра в процессорах из одного и того же семейства, требует также замены процессорного разъема. А это влечет за собой проблемы с совместимостью материнских плат. Но производители постоянно совершенствуют ядра и вносят постоянные, но не значительные изменения в ядре. Такие нововведения называют ревизией ядер и, как правило, обозначаются цифробуквенными комбинациями.

Ядро процессора - это кристалл кремния, размером 1 квадратный сантиметр. Ядро является главной частью процессора. Количество ядер, может быть различным. На сегодняшний день есть и процессоры с 16 ядрами. Также ядро характеризуется следующими величинами:

1.Тактовая частота. Измеряется в гигагерцах. В среднем в современном процессоре 2.5ггц;

2.(FSB) Системная шина и коэффициент умножения. Системная шина 100ггц умножаем на 25 - получаем 2.5ггц;

3.Системный кеш. L1, L2, L3, L4 -это кеши. Кеш используется для быстрого обмена, что бы не задействовать оперативную память. Обмен производится с помощью буфера обмена;

4. Количество ядер. В среднем 2. Также есть имя у ядра, его даёт компания-производитель.

Заключение

Познакомившись с центральным процессором, я поняла, что это одно из самых важных устройств компьютера от которого зависит работа всего компьютера, состоящее из множества компонентов, которые постоянно модернизируются и улучшаются. Стремительно возрастает роль ЭВМ во всех областях человеческой деятельности. Без использования быстро­действующих ЭВМ в настоящее время немыслима работа большинства предприятий. А повышение быстродействия ЭВМ в значительной мере зависит от повышения быстродействия входящего в её состав микропроцессора. Темпы научно-технического прогресса, усиление роли науки в значительной степени определяются качеством средств вычислительной техники и их программным обеспечением. Именно развитие этих средств обеспечивает успехи в автоматизации производствен­ных процессов, в разработке новых технологий, в повы­шении эффективности труда и управления, в совершен­ствовании системы образования и в ускорении подготов­ки кадров.

Список используемых источников.

1. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. 2-е изд.– СПб.: Питер, 2010.- 695с.: ил.;

2. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2006.- 668с.: ил.;

3. http://bibliofond.ru/;

4. http://www.druner.ru/;

5. http://referats.allbest.ru/.

Дата добавления: 2015-09-29