Processor_primer

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ № 24
(ГАПОУ ТК № 24)
УЧЕБНЫЙ ПРОЕКТ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ: ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИНФОРМАТИЗАЦИИ
ТЕМА: ПРОЦЕССОРЫ
Студент: Медведев Николай Владимирович
Курс: 2
Группа: № 21-1
Руководитель: Пятаева Елена Владеленовна
Специальность: 230401 Информационные системы (по отраслям)
Москва 2014
Аннотация к проекту



В этом проекте представлен материал о процессорах, их
устройстве, характеристиках и архитектуре.
Также рассмотрены история возникновения процессоров,
их разновидности, процесс изготовления и установка на
материнской плате.
Представлены необычные перспективные технологии
создания процессоров.
Навигация по проекту






В левом верхнем углу находится значок домика для
возврата в содержание проекта.
Рядом расположена шестеренка, ведущая в список
характеристик процессора.
В левом нижнем углу находится полупрозрачная кнопка
для возврата на предыдущий слайд.
Картинки можно увеличить, если над ними отображается
соответствующий курсор.
По ссылкам можно открыть документы с более подробной
информацией.
Для навигации рекомендуется использовать
клавиши со стрелками на клавиатуре.
Содержание














Определение
Устройство процессора
Характеристики
Архитектура процессора
Установка процессора
История развития
Первые общедоступные ЦП
Другие архитектуры процессоров
Типы процессоров
Процесс изготовления и Видеоматериал
Производители
Перспективы
Тест и контрольные вопросы
Заключение
Определение

Центральный процессор (ЦП) — основной компонент
компьютера, который выполняет арифметические и
логические операции, заданные программой, управляет
вычислительным процессом и координирует работу всех
комплектующих системного блока. Иногда его называют
микропроцессором или просто процессором.
Intel 80486DX2
Вид сверху
Вид снизу
Вид изнутри
Появление термина ЦПУ

Начало применения термина «Центральное процессорное
устройство» по отношению к компьютерным системам было
положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация
процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их
основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.
Устройство процессора


Физически процессор представляет собой
интегральную схему (тонкую пластину
кристаллического кремния прямоугольной
формы), на которой размещены
электронные схемы, реализующие все его
функции.
Кристалл-пластинка обычно помещается в
плоский керамический или пластмассовый
корпус и соединяется золотыми (медными)
проводниками с металлическими
штырьками (выводами, с помощью которых
процессор входит в гнездо на материнской
плате компьютера).
Устройство процессора
 Сегодня почти все процессоры построены
по принципу фон-Неймана.
 Каждый ЦП имеет определенное число
элементов памяти (регистров),
арифметико-логическое устройство (АЛУ)
и устройство управления (УУ).
 Регистры используются для временного хранения выполняемой
команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой
внутренней информации микропроцессора.
 АЛУ производит арифметико-логическую обработку данных.
 УУ вырабатывает необходимые управляющие сигналы для
внутренней работы микропроцессора и связи его с другой
аппаратурой через внешние шины.
Характеристики
Главными характеристиками ЦП являются:
 Тактовая
частота
 Количество ядер
 Производительность
 Объем кэш-памяти
 Энергопотребление и тепловыделение
 Нормы техпроцесса
 Архитектура
 Тип разъема
Тактовая частота




Тактовая частота — частота синхронизирующих импульсов
электронной схемы, то есть количество тактов, поступающих на
вход схемы за одну секунду.
Тактовая частота характеризует производительность
подсистемы процессора (памяти и пр.), то есть количество
выполняемых операций в секунду.
Однако системы с одной и той же тактовой частотой могут иметь
различную производительность, так как на выполнение одной
операции разным системам может требоваться различное
количество тактов.
Кроме того, системы, использующие конвейерную и
параллельную обработку, могут на одних и тех же тактах
выполнять одновременно несколько операций.
Многоядерные процессоры
Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на
одном или нескольких кристаллах).
 В приложениях, оптимизированных под многопоточность,
наблюдается прирост производительности на многоядерном
процессоре. Однако, если приложение не оптимизировано, то
оно не будет получать практически никакой выгоды.
 Большинство ОС позволяют выполнять
несколько приложений одновременно.
При этом получается выигрыш в скорости,
даже если приложения однопоточные.
 Дальнейшее увеличение числа ядер
признано как одно из приоритетных
направлений увеличения производительности.

Производительность

Производительность компьютера — это
характеристика скорости выполнения
определённых операций на компьютере. Чаще
всего вычислительная мощность измеряется в
флопсах (количество операций с плавающей точкой
в секунду).

На данный момент принято причислять к
суперкомпьютерам системы с вычислительной
мощностью более 10 Терафлопс (десять триллионов
флопс).

Для сравнения среднестатистический современный
настольный компьютер имеет производительность
порядка 0.1 Терафлопс). Одна из наиболее мощных
компьютерных систем — японский K computer — имеет
производительность более 10.5 Петафлопс.
K computer
Кэш-память

Кэш память - сверхбыстрая память, являющаяся буфером
между оперативной памятью и процессором. В этом буфере
хранятся данные, с которыми ЦП работает в данный момент.
Тем самым значительно уменьшается количество обращений
процессора к медленной оперативной памяти и заметно
увеличивается общая производительность процессора.
 Кэш память 1 уровня (L1) - самая быстрая, но по
объему меньшая, чем остальные (от 8 до 128 Кб).
С ней напрямую работает ядро процессора.
 Кэш память 2 уровня (L2) – скорость меньше, но
объем этой памяти больше (от 128 до 16 384 Кб).
 Кэш память 3 уровня (L3) – ещё медленнее, зато
имеет самый большой объем (до 30 720 Кб).
Энергопотребление




С технологией изготовления процессора тесно связано его
энергопотребление и, как следствие, тепловыделение.
Первые процессоры архитектуры x86 потребляли мизерное (по
современным меркам) количество энергии, составляющее
доли Ватта.
Увеличение количества транзисторов и повышение тактовой
частоты процессоров привело к существенному росту данного
параметра. Наиболее производительные модели сейчас
требуют до 130 и более Ватт.
Несущественный на первых порах фактор энергопотребления,
сейчас оказывает серьёзное влияние на эволюцию
процессоров и на их тепловыделение, доходящее до 100°С.
Техпроцесс




Техпроцесс - это масштаб технологии, которая определяет
размеры полупроводниковых элементов (транзисторов и др.),
составляющих основу внутренних цепей процессора.
Совершенствование технологии и уменьшение размеров
транзисторов способствуют улучшению характеристик ЦП.
Новые процессоры Intel Ivy Bridge, выполненные по
техпроцессу 22 нм (нанометра) позволяют разместить 1,4 млрд.
транзисторов, с площадью кристалла 160 мм2.
На сегодняшний день разработчиками планируется покорить
техпроцесс в 14 нм, а затем и в 10 нм, с применением других
материалов и методов. И это далеко не предел!
2003
2004
2005
2006
2009
2010
2011
2013
2015+
90 нм
65 нм
50 нм
45 нм
32 нм
28 нм
22 нм
14 нм
10 …
Архитектура процессора




Это некий набор свойств и качеств, присущий целому
семейству процессоров (иначе говоря — «внутренняя
конструкция» или «организация» этих процессоров).
Имеются различные классификации архитектур процессоров,
как по организации (например, по количеству и скорости
выполнения команд: RISC, CISC), так и по назначению
(например, специализированные графические).
Для программиста архитектура — это совместимость с
определённым набором команд, их структуры и способа
исполнения.
По разрядности современные процессоры делятся на:
x86 (IA-32) и x64 (EM64T). Подробнее об этом написано здесь.
Форма и разъем


В современных компьютерах
процессоры выполнены в виде
компактного модуля (5×5×0,3 см),
вставляющегося в ZIF-сокет (AMD)
или на подпружинивающую
конструкцию — LGA-сокет (Intel).
ZIF-socket
Особенностью разъёма LGA
является то, что выводы перенесены
с корпуса процессора на сам
разъём, находящийся на
материнской плате.
LGA-socket
Процессоры LGA и ZIF
AMD Phenom
Сокет AM2 (ZIF)
Intel Pentium 4
Сокет LGA 775
Установка процессора


Для установки процессора достаточно выполнить несколько
простых шагов, описанных в двух следующих документах.
Главное различие заключается в типе сокета – разъема для
процессора. Обычно для Intel – это LGA, а для AMD – ZIF.

Установка ЦП в LGA-сокет
Установка ЦП в ZIF-сокет

Видео-инструкция

Socket LGA 775 и Socket 478 ZIF
История развития



Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для
уникальных компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего
способа разработки процессоров, предназначенных для
выполнения одной единственной цели, производители
компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых
многоцелевых процессорных устройств.
Современные процессоры можно найти не только в таких
высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в
автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в
детских игрушках.
Более подробно история развития процессоров описана здесь.
Первые общедоступные ЦП



Первым общедоступным
микропроцессором был 4-разрядный
Intel 4004, представленный 15 ноября
1971 года корпорацией Intel.
Он содержал 2300 транзисторов, работал
на Гарвардской архитектуре с тактовой
частотой 92,6 кГц и стоил 300 долларов.
На данный момент он является самым
популярным коллекционным
процессором, оцениваемым до 400
долл.
Подробнее о самых первых процессорах
можно узнать в этом документе.
Intel 4004
15 ноября 1971 г.
Другие архитектуры процессоров





За годы существования процессоров было разработано
множество других различных архитектур. Некоторые из них
(в усовершенствованном виде) используются и поныне.
Гарвардская архитектура
Конвейерная архитектура
Суперскалярная архитектура
Параллельная архитектура





SISD — один поток команд, один поток данных;
SIMD — один поток команд, много потоков данных;
MISD — много потоков команд, один поток данных;
MIMD — много потоков команд, много потоков данных.
Подробнее об этих архитектурах написано здесь.
Типы процессоров


На данный момент существует несколько направлений в
производстве микропроцессоров.
Они различаются принципами построения архитектуры
процессора:

CISC-процессоры
RISC-процессоры
MISC-процессоры
VLIW-процессоры

Наиболее распространенными являются RISC и CISC.



Процесс изготовления

Процесс изготовления процессоров представлен в следующей
презентации, содержащей много иллюстраций и видео.
Видеоматериал

3D-видео изготовления кристалла

Изготовление кристалла на заводе

Сборка процессора в корпус
И история возникновения
процессоров

Производители



Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы
Intel, AMD и IBM.
Большинство процессоров, являются Intel-совместимыми, то
есть имеют набор инструкций, сходный с используемыми в
процессорах компании Intel.
По итогам 2011 г. на рынке ЦП доля корпорации Intel составила
83,7 %, доля AMD — 10,2 %.
Год
Intel
AMD
Другие
2007
78,9 %
13,1 %
8,0 %
2008
80,4 %
19,3 %
0,3 %
2009
79,7 %
20,1 %
0,2 %
2010
80,8 %
18,9 %
0,3 %
2011
83,7 %
10,2 %
6,1 %
Перспективы




В ближайшие 10-20 лет, скорее всего, изменится материальная
часть процессоров ввиду того, что технологический процесс
достигнет физических пределов производства. Возможно, это
будут:
Оптические процессоры — в которых вместо электрических
сигналов обработке подвергаются потоки света
Квантовые процессоры, работа которых всецело базируется на
квантовых эффектах. В настоящее время ведутся работы над
созданием рабочих версий квантовых процессоров.
Молекулярные процессоры — вычислительные системы,
использующие вычислительные возможности молекул.
Тест
Контрольные вопросы
Заключение


В этом проекте были рассмотрены различные процессоры,
их строение, разновидности и архитектуры.
Была описана история возникновения ЦП, процесс
изготовления и установка на материнской плате.
Спасибо за внимание!
Список литературы

Технические средства информатизации. Гребенюк Е. И.
Информатика и ИКТ. Профильный уровень. Угринович Н.Д.

Интернет-сайты:







Википедия http://ru.wikipedia.org/
Архитектуры процессоров http://www.windxp.com.ru/cpu.htm
Характеристики http://forum.igromania.ru/showthread.php?t=108061
Определения http://dic.academic.ru/
Изготовление ЦП http://www.thg.ru/cpu/cpu_proizvodstvo/print.html
Видеоматериал http://www.youtube.com/