Лабораторная работа № 1 Центральный процессор (микропроцессор)

Цель: получить комплекс сведений о микропроцессорах

Задачи: - изучить назначение, устройство и принципы работы микропроцессора

- изучить архитектуры микропроцессоров

- изучить технологию изготовления микропроцессоров

- определить параметры конкретного микропроцессора.

Ход работы:

1. Изучить теоретическую часть.

2. Определить параметры конкретного микропроцессора.

3. Оформить отчет по работе.

4. Выполнить защиту работы.

1. Теоретическая часть.

Центра́льный проце́ссор  — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на циклическом процессе последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.

Этапы цикла выполнения:

1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;

2. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;

3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;

4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;

5. Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

Двухъядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухъядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из двух физических ядер, каждое из которых в свою очередь разделено на два логических ядра, что существенно влияет на скорость его работы.

На многоядерных процессорах рост производительности обеспечивается благодаря многопоточности.

Многопото́чность — свойство приложения, состоящее в том, что процесс, порождённый в операционной системе, может состоять из нескольких потоков, выполняющихся «параллельно», то есть без предписанного порядка во времени.

На сегодняшний день основными производителями процессоров — Intel и AMD дальнейшее увеличение числа ядер процессоров признано как одно из приоритетных направлений увеличения производительности.

Кэширование

Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти (кеш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.

Технические характеристики процессора:

1. Частота ЦП. Фактически, это частота "телодвижений" процессора в определённый отрезок времени. Измеряется она в герцах (мегагерцах, гигагерцах). Но надо учитывать одно но: "не все движения одинаково полезны". Продуктивность ЦП в отношении на герц может варьироваться в широких пределах, в зависимости от архитектуры процессора.

2. Кеш. Центральный процессор постоянно работает с памятью. Но скорость оперативной памяти не особо велика, чтобы процессор, при работе с ней, раскрывал полностью свой вычислительный потенциал. Поэтому, у процессоров существует своя собственная небольшая, но быстрая память. Её именуют "Кеш". Обычно, такой памяти на процессоре от 256Кб до 2Мб. Кеш хранит в себе те данные, которые могут понадобиться процессору в ближайший момент. Поэтому, перед тем как выполнить операцию с данными, процессор ищет их сперва в кеше. Кеш разделяют на уровни: обычно, в процессорах используется двухуровневая система (т.н. Кеш L1 и L2). Кеш первого уровня отличается малым размером (но большой скоростью), а второго уровня - большим размером. Кеш третьего же уровня очень велик, но медленен и встречается только в отдельных моделях ЦП. Кеш во многом обусловливает стоимость процессора, т.к занимает значительную (иногда и большую) часть кремниевой подложки ЦП. В принципе, чем больше кеш, тем быстрее работает процессор.

3. Поддержка технологий. Для оптимизаций выполнения определенных задач, производители ЦП внедряют в свои процессоры специальные наборы инструкций. Например, SSE (SSE2, SSE3), 3DNow!, Extended 3DNow! и т.п. Эти инструкции не вносят каких то изменений в саму исполнительную часть ядра процессора, но позволяют описывать сложные последовательности команд, более короткими командами и упрощать работу процессору.

Показатели выбора процессора с точки зрения пользователя:

1. Частота ЦП.

2. Сокет – набор микросхем, на котором построен процессор.

Чтобы приобрести производительный процессор, нужно выбрать процессор с:

- Максимальной частотой ядер (двух, трёх, четырёх)

- Максимальной частотой шины FSB (QPI, DMI)

- Максимальным размером кэша L2/L3

- Минимальным технологическим процессом изготовления.

Охлаждение ЦП

Когда центральный процессор компьютера (ЦП) перегревается, в лучшем случае, это приводит к сбоям в работе компьютера, в худшем – к поломке системы. Поэтому температуру процессора необходимо контролировать и, если она превышает установленные пределы, немедленно принимать меры по охлаждению устройства.

Температура процессора связана с общим тепловым режимом внутри системного блока, который, в свою очередь, зависит от нескольких факторов. Прежде всего, на тепловой режим влияет температура окружающего воздуха (поэтому не располагайте компьютер поблизости от нагревательных приборов или под прямыми солнечными лучами). Не меньшую роль играет вентиляция пространства внутри корпуса ПК – она зависит как от чистоты в системном блоке, так и от размещения компонентов в нем. Наконец, самое важное – система охлаждения, установленная непосредственно на процессор – Водяная или воздушная, которая традиционно называется куллер включающий непосредственно вентилятор и радиатор, которым куллер плотно прилегает к процессору.

В зазор между радиатором и куллером при установке намазывается термопаста для лучшего отвода тепла от процессора.

Датчики температуры ЦП: В любой современный процессор встроен термодиод, показания которого используются BIOS и программами мониторинга. Кроме того, на основе получаемой от него информации система изменяет скорость вращения вентилятора процессорного кулера.