Микропроцессоры: понятие, история развития, особенности
МИНОБРНАУКИ
РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ - УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»
Кафедра
«Информационные системы»
КУРСОВАЯ
РАБОТА
по
дисциплине «Информатика»
на
тему: «Микропроцессоры: понятие, история развития, особенности»
Содержание
Введение
. Характеристики микропроцессоров
. История развития микропроцессоров
2.1 Intel-4004
.2 Intel-8086
.3 Intel-80286
.4 AMD Am286
.5 Intel-80386
.6 AMD Am386
.7 Intel-80486
.8 AMD Am486
.9 Intel-Pentium
.11 AMD K5
.12 Intel-Pentium II
.13 AMD K6
.14 Intel-Pentium III
.15 AMD Athlon
. Задача
.1 Постановка
задачи
3.2 Метод решения
.3 Алгоритм решения
.4 Листинг программы на Pascal
Заключение
Список использованной литературы
Введение
ЭВМ получили широкое распространение, начиная с
50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые
лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых
ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых
микропроцессорами.
Современный человек в повседневной жизни
постоянно использует множество цифровых устройств, в том числе компьютер.
Главной частью аппаратного обеспечения компьютера является микропроцессор.
В настоящее время используются разные
архитектуры процессоров, я не считаю целесообразным описывать все их, а
остановлюсь лишь на самых распространенных - процессорах х86 (х86 64)
архитектуры.
Итак, микропроцессор это устройство, отвечающее
за выполнение арифметических, логических операций и операций управления,
записанных в машинном коде, реализованный в виде одной микросхемы или комплекта
из нескольких специализированных микросхем. В настоящее время один или
несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во
всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных
мейнфреймов и суперкомпьютеров.
Целью данной курсовой работы является
ознакомление с историей развития микропроцессора и его основами
характеристиками. Для достижения поставленной цели были определены следующие
задачи:
- ознакомление с характеристиками
микропроцессоров;
- ознакомление с историей
микропроцессоров на базе архитектуры x86 в период с 1971г по 2000 г.
Как отличить один микропроцессор от другого? Для
этого необходимо сравнить основные характеристики:
Тактовая частота микропроцессора - указывает,
сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну
секунду. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность
электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую
частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время
одного такта работы машины, или просто, такт работы машины. Частота генератора
тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального
компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в
машине выполняется за определенное количество тактов.
Кэш памяти - это очень быстрая память
расположенная непосредственно в процессоре, делается это с целью минимизации
задержек при обмене данными, т.к. оперативная память расположена достаточно
далеко от процессора, и требует прохождения через дополнительные контроллеры,
что так же негативно сказывается на быстродействии. В настоящее время
встречается кэш память трёх уровней (L1,L2,L3), кэш первого уровня всегда самый
быстрый и работает на частоте с процессором, она наиболее дорогая и имеет самый
маленький объём, порядка 128-512 Кбайт даже в топовых процессорах. Чаще кэш L1
бывает разделяемый, пополам, на кэш инструкций и кэш адресов. Кэш L2 работает
несколько медленнее, но имеет больший объём, до 8 ми Мбайт. Кэш же третьего
уровня появился сравнительно недавно и обладает самым большим объёмом, до 16ти
Мбайт, он соответственно самый медленный.
Дополнительные инструкции. Используемые
дополнительные инструкции также помогают ускорить процесс обработки, в первую
очередь это относится к типичным задачам, скажем обработки мультимедиа. Первыми
предложила дополнительный набор инструкций компания Intel, этот набор назывался
MMX (MiltiMedia eXtensions), и представляли собой готовый набор команд для
обработки типичных мультимедиа задач, затем появилась 3D Now! от AMD, и прочие:
SSE,SSE2,SSE3, … и т.д. Также производителя ми используются и другие технологии
позволяющие ускорить вычислительный процесс, как например Hyper Threading от
Intel, позволяющую одноядерный процессор рассматривать как двух ядерный за счет
того, что во время простоя процессора, при ожидании выполнения команды каким то
другим устройством, включить другой поток команд, независящий от первого.
Разрядность процессора - максимальное количество
разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться
одновременно.
Архитектура микропроцессора. Понятие архитектуры
микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность
совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в
составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.
Энергопотребление микропроцессора.
Количество вычислительных ядер. Увеличение
количества вычислительных ядер явилось скорее не просто новшеством, а скорее
необходимой мерой, в связи с проблематичностью дальнейшего наращивания тактовых
частот, ввиду ограничений, накладываемых техпроцессом. Стоит обратить внимание
на то, что увеличение количества ядер не ведёт к линейному увеличению
производительности, даже если процесс хорошо подготовлен к работе в
многопроцессорных системах, имеются определённые задержки при распределении
нагрузки на ядра, что тоже требует определённой работы, и чем больше ядер, там
труднее производить данный процесс.
2. История развития микропроцессоров
Первый микропроцессор i4004 был изготовлен в
1971г и с тех пор фирма Intel прочно удерживает лидирующее положение на
сегменте рынка. Наиболее успешен проект разработки i8080. Именно на ней был
основан компьютер "Альтаир", для которого Б. Гейтс написал свой
первый интерпретатор Basic. Классическая архитектура i8080 оказала огромное
влияние на дальнейшее развитие однокристальных микропроцессоров. Настоящим
промышленным стандартом для PC стал микропроцессор i8088, который был
анонсирован Intel в июне 1979 г.
В 1981 г. "голубой гигант" (фирма IBM)
выбрала этот процессор для своего PC. Первоначально микропроцессор i8088
работал на частоте 4.77 МГц и имел быстродействие около 0.33 Mops, однако потом
были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту 8
МГц. Микропроцессор i8086 появился ровно на год раньше, в июле 1978г, стал
популярен благодаря компьютеру Compaq Dec Pro. Опираясь на архитектуру i8086 и
учитывая запросы рынка, в феврале 1982г Intel выпустила i80286. Он появился
одновременно с новым компьютером IBM PC AT.
Наряду с увеличением производительности имел
защищенный режим (использовал более изощренную технику управления памятью).
Защищенный режим позволил таким программам, как Windows 3.0 и OS/2 работать с
ОЗУ выше 1Мб. Благодаря 16-ти разрядным данным на новой системной шине можно
обмениваться с ПУ 2-х байтными сообщениями. Новый микропроцессор позволял в
защищенном режиме обращаться к 16Мб ОЗУ. В процессоре i80286 впервые на уровне
микросхем были реализованы мультизадачность и управление виртуальной памятью.
При тактовой частоте 8 МГц достигалась производительность 1.2 Mips.
2.1 Intel-4004
В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel
сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному
процессору большой ЭВМ - первый микропроцессор Intel-4004, который уже в 1971
году был выпущен в продажу.
ноября 1971 г. можно считать началом новой эры в
электронике. В этот день компания приступила к поставкам первого в мире
микропроцессора Intel 4004.
Это был настоящий прорыв, ибо микропроцессор
Intel-4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC.
Правда работал он гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4
бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита
одновременно), но и стоил первый микропроцессор в десятки тысяч раз дешевле.
Кристалл представлял собой 4-разрядный процессор
с классической архитектурой ЭВМ гарвардского типа и изготавливался по передовой
p-канальной МОП технологии с проектными нормами 10 мкм. Электрическая схема
прибора насчитывала 2300 транзисторов. Микропроцессор работал на тактовой
частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Чип i4004 имел адресный
стек (счетчик команд и три регистра стека типа LIFO), блок РОНов (регистры
сверхоперативной памяти или регистровый файл - РФ), 4-разрядное параллельное
АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а
также схему связи с внешними устройствами. Все эти функциональные узлы
объединялись между собой 4-разрядной ШД. Память команд достигала 4 Кбайт (для
сравнения: объем ЗУ миниЭВМ в начале 70-х годов редко превышал 16 Кбайт), а РФ
ЦП насчитывал 16 4-разрядных регистров, которые можно было использовать и как 8
8-разрядных. Такая организация РОНов сохранена и в последующих микропроцессорах
фирмы Intel. Три регистра стека обеспечивали три уровня вложения подпрограмм.
Микропроцессор i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамический
корпус типа DIP (Dual In-line Package) всего с 16 выводами. В систему его
команд входило всего 46 инструкций.
Вместе с тем кристалл располагал весьма
ограниченными средствами ввода/вывода, а в системе команд отсутствовали
операции логической обработки данных (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), в связи с чем
их приходилось реализовывать с помощью специальных подпрограмм. Модуль i4004 не
имел возможности останова (команды HALT) и обработки прерываний.
Цикл команды процессора состоял из 8 тактов
задающего генератора. Была мультиплексированная ША (шина адреса)/ШД (шина
данных), адрес 12-разрядный передавался по 4-разряда.
2.2 Intel-8086
Процессор изготовлялся по 3-микронной технологи
и состоял из 29 тысяч транзисторов. Имел 14 16-разрядных регистров,
16-разрядную шину данных и 20-разрядную шину адреса, позволявшую адресовать до
1 мегабайт памяти. Для того чтобы адресовать такой большой объем памяти, был
использован метод сегментации. Вся оперативная память компьютера делилась на
сегменты размером по 64 килобайта. Любой адрес можно было однозначно
представить 16-битным адресом внутри сегмента (смещением) и номером самого
сегмента. Благодаря этому 16-битные программы могли обращаться к 1 мегабайту
памяти, передавая смещение и номер сегмента через 16-битные регистры.
Система команд процессора состояла из 98
инструкций, среди которых не было операций для работы с вещественными числами.
Для работы с ними Intel был разработан математический сопроцессор - 8087,
выполнявшийся в виде отдельной микросхемы и позволявший работать в 80-битными
вещественными числами.
Новому процессору требовалась существенная
поддержка со стороны аппаратного обеспечения, например, наличие дорогих в то
время 16-битных микросхем памяти. Из-за этого многие производители отказывались
делать компьютеры на базе 8086. Поэтому в июне 1979 был выпущен его аналог -
процессор 8088 с 8-битной шиной данных. На основе 8088 был разработан первый
персональный компьютер IBM PC (класса XT - «Extended Technology»).
В отличие от современных процессоров, 8086/88 не
устанавливались в специальный разъем, а паялись прямо на системную плату.
Процессоры выпускались с частотами 4,77 МГц, 8 МГц и 10 МГц (только 8086).
Клоны этих процессоров выпускались многими компаниями: Fujitsu, Mitsubishi,
NEC, Siemens, AMD и др. Среди этих клонов были отечественные процессоры
К1810ВМ86 и К1810ВМ88.
2.3 Intel-80286
Процессоры i286 разрабатывались
параллельно с процессорами Intel 80186 <#"538542.files/image001.gif">
Рисунок 1.
Блок-схема программы
Рисунок 2.
Блок-схема программы
.4 Листинг программы на Pascal
const= 16;= array[1..n] of real;:
boolean;, k, x,q: integer;: real;: arr;i:= 1 to n do:= (-6) + i;[i]:= cos(x) -
cos(sqr(x));;:= True;:= 1;P Do:= false;i:= 1 To n - k Doy[i] < y[i + 1]
Then:= y[i];[i]:= y[i + 1];[i + 1]:= A;:= true;;(k);;:= 0;i:= 1 to n do(q);q =
5 then begin:= 0;;;0 > y[i] then begin:= y[i];(a:2:15, ' ');;
end;
end.
Заключение
Сегодня мы даже не можем себе представить,
насколько прогресс микропроцессоров улучшил нашу жизнь. Благодаря высоким
темпам технологического прогресса сегодня у нас в руках умещаются устройства с
мощностью, которая много лет назад требовала целого здания, занятого
оборудованием.
В начале нового тысячелетия развитие центральных
процессоров пошло в сторону увеличения количества ядер в одном процессорном
корпусе. Практически одновременно вышли двухъядерные CPU всех популярных
архитектур. Первым произвёл двухядерные процессоры не Intel
и не AMD, а IBM.
Борьба между Intel и AMD началась после
подписания контракта Intel
с множеством фирм о производстве процессоров x86. Причем лицензия на данную
архитектуру принадлежит Intel. После того как AMD решила выделить свои фабрики
в отдельную компанию, возникли противоречия. Intel намерена изучить соглашение
и подробно прояснить ситуацию. Корпорация считает, что AMD получила не
эксклюзивную, непередаваемую лицензию на архитектуру x86, что не дает ей право
разглашать интеллектуальную собственность Intel.
Мы рассмотрели понятие микропроцессора,
ознакомились с характеристиками микропроцессоров, изучили историю и борьбу на
рынке между двумя производителями. Все задачи выполнены, цель курсовой работы
достигнута.
Список использованной литературы
1.
Пятнадцать процессоров Intel x86, вошедших в историю [Электронный ресурс]. -
Режим доступа:
<http://www.compdoc.ru/comp/cpu/short-processor-x86-history/>
.
Краткая история процессоров: 31 год из жизни архитектуры х86 [Электронный
ресурс]. - Режим доступа:
<http://www.thg.ru/cpu/intel_cpu_history/index.html>
.
Борьба AMD и Intel усиливается [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
<http://www.xard.ru/post/15811/default.asp>
.
Уинн Л. Рош «Библия по техническому обеспечению Уинна Роша» [текст], с.26-30.