Для чего нужен микропроцессор: Микропроцессор: назначение и область применения

Содержание

Микропроцессор: назначение и область применения

Микропроцессор (CPU или Центральный процессор*) – устройство обработки цифровой и аналоговой информации, основная часть аппаратного контроля системы, а заодно и главный инструмент, способный проводить арифметические и логические операции, записанные с использованием машинного кода.

Основных функций у ЦП* несколько – передача данных между оперативной памятью и остальными компонентами ПК, синхронизация информации на внешних и внутренних накопителях, организация многопотоковой и многопрограммной работы в бесперебойном режиме, дешифрация машинного кода, синхронизация чисел разного регистра. И хотя перечисленные функции сложно переводимы на «обывательский язык», запомнить стоит следующее – «Центральный процессор» – важнейший элемент любого персонального компьютера.

И еще на заметку удивительный факт – за все те годы развития микропроцессоров им так и не нашлось никакой альтернативы. Даже современные новинки от Intel, справляющиеся с нагрузкой в тысячу раз быстрее, чем все конкуренты из далекого прошлого, и домашние чипы, обгоняющие по скорости все компьютеры, находившиеся на базе космического корабля «Аполлон», покорившего Луну, так и остаются процессорами с одинаковыми задачами и целями…

Назначение и область применения микропроцессоров

Функционально микропроцессор предназначен для решения следующих задач:

Поэтапное чтение и расшифровывание команд из основной и оперативной памяти, регистров и адаптеров внешних устройств.
Обработка запросов при обслуживании компонентов персонального компьютера.
Синхронизация данных на накопителях данных.
Генерация сигналов управления узлами и блоками ПК.

Кроме того, важно понимать, из каких именно частей состоит любой процессор:

Устройство обработки арифметических, логических и любых других числовых, символьных операций, появляющихся по ходу взаимодействия с компьютером.
Центр управления и координации взаимодействия различных компонентов ПК (речь обо всем и сразу – об оперативной памяти, подключаемых клавиатурах и мышках, контроллерах USB, наушниках и прочем).
Микропроцессорная память, отвечающая за последовательное хранение различных данных, действий и команд, для увеличения скорости обработки информации и непосредственной экономии времени (зачем дважды высчитывать один и тот же пример, если ответ уже хранится в заранее подготовленной ячейке?).
Интерфейсная система – возможности взаимодействия с процессором через системы ввода-вывода.

История развития: первый микропроцессор

Транзисторы, электромеханические реле, сердечники, вакуумные лампы – первые процессоры, старательно выполнявшие несложные арифметические и логические операции, появились еще в далеком 1940 году, но оставались ненадежными, громоздкими, да и неприменимыми в бытовых условиях (основное назначение – государственные разработки, крупные и набирающие обороты перерабатывающие фирмы) – слишком большое выделение энергии, неконтролируемая теплоотдача, низкая скорость обработки данных. Мечтать о домашнем применении подобных чипов и не приходилось, хотя бы из-за нехватки свободного места. Поставить в какой-нибудь из комнат ЭВМ с микропроцессором получилось бы лишь во дворце.

Со временем все изменилось. В 1970 году Эдвард Хофф, представлявший крупнейший отдел разработки компонентов для электронно-вычислительных машин, представил руководителям компании Intel интегральную схему, выполнявшую те же функции, что и чипы ЭВМ, но с маленьким нюансом – плата Эдварда помещалась в руке, обрабатывала 4 бита информации в секунду (конкуренты выдавали мощности в разы серьезнее – до 32 бит одновременно), и стоила в тысячу раз дешевле.

Первые калькуляторы снабжали именно процессором 4004 Эдварда Хоффа, которые появились в продаже в начале 1971 года. С этого момента, как принято считать, и началась эра новых процессоров, изменивших мир.

Дальше история развития микропроцессоров двинулась следующим путем:

1 апреля 1974 года. Intel вновь шокирует заинтересованную публику – на закрытых прилавках появилась модель 8080 с 6 тысячами транзисторов на крошечной схеме, объем памяти увеличен до 64 килобайт, проблемы с потреблением энергии решены, теплоотдача – практически нулевая. Чуть позже появился чип 8086, заложивший основы разрядности современных компьютеров.
Октябрь 1985 года. В центре внимания снова Intel, с еще более неожиданной новинкой – моделью i 32-битная архитектура, новые возможности по управлению памятью, увеличенные мощности, тактовая частота в 16 МГц и общее быстродействие на уровне 6 Mips – мир и представить не мог, насколько быстро меняются возможности тех допотопных компьютеров, неожиданно получивших возможность работать с 4 Гб оперативной памяти и проводить тысячи арифметических действий всего за несколько секунд. А ведь впереди еще больше открытий!
Осень 1989 года. Микропроцессор i80486DX, уместивший на крошечной плате 1.2 миллиона транзисторов, а еще сопроцессор и кэш-память, позволившая увеличивать текущую работоспособность компьютера путем промежуточного хранения некоторых данных, чисел, команд и действий. Общая производительность увеличилась до 16.5 Mips. Тактовая частота возросла до 16 МГц.
Начало 1991 года. Появление i80486SX – штатное увеличение мощностей, долгие раздумья разработчиков из Intel на счет внедрения появляющихся чипов в ноутбуки и иные портативные устройства. Как результат – разные версии процессоров, рассчитанные под меняющиеся (иногда вычислительные, порой – контролирующие) нужды. Все эксперименты закончились появлением 2-го поколения МП (вроде i486DX2), поддерживающих новую технологию распределения мощностей между двумя разными ядрами центральной системы.
Март 1995 года. Мир впервые знакомится с Intel Pentium, поставки чипов в магазинах для обычных пользователей – не за горами. Мощности увеличены до возможного (по тем годам) предела – 1 млрд. Mips.

Далее появились поставки многоядерных процессоров, затем появился Xeon и Intel Core, а после на мировом рынке загорелась новая звезда – модульные процессоры AMD. С тех пор (а именно с 2007 года) между двумя компаниями и ведется беспрерывная война за внимание пользователей.

На текущий момент хотя бы примерно описать состояние рынка МП невозможно – Intel Core представляет новые архитектуры микропроцессора (Coffee Lake, Skylake, Haswell, Kaby Lake) чуть ли не каждый год, а заодно меняет наименования семейства процессоров (Intel Core i3, i5, i7, i9). AMD старается удивлять низкими ценами и внушительными возможностями разгона. И кто в таком хаосе лидер – до сих пор не разобрать.

Разновидности микропроцессоров

И современные, и давно известные миру МП легко разделить на четыре части:

CISC – универсальная архитектура, появившаяся в 1980-ом году. Поддерживается расширенный список команд, простые операции выполняются достаточно долго, зато проблем со сложными не бывает из-за многозадачности.
RISC – альтернатива первому варианту с усеченной памятью. Каждый процесс при выполнении разбивается на маленькие команды.
VLIW, поддерживающие сразу несколько вычислительных устройств, и выполняющие операции параллельно для обеспечения максимального быстродействия.
MISC – хитрая архитектура, позволяющая укладывать разные команды в одну большую ячейку. В итоге, при одном цикле работы, центральный процессор считывает все записанные команды за раз.

Основные характеристики

К основным характеристикам микропроцессора относятся:

Тактовая частота – определяет общий уровень быстродействия.
Разрядность – отвечает за скорость обработки информации за положенную единицу времени (пожалуй, основной характеристикой микропроцессора и является).
Система команд – спецификация архитектуры чипа в зависимости от типа данных, предлагаемых инструкций, регистров и модулей памяти.
Объем адресуемой памяти.

Особенности российских микропроцессоров

С 1998 года и по сей день в отечественном сегменте разработкой микропроцессоров занимается компания «МЦСТ». Результаты впечатляющие – стабильное производство RISC систем, внедрение серии Эльбрус в применение на военно-оборонительных комплексах, космических станциях и засекреченных базах для передачи данных с максимальным уровнем шифрования. Заслуги компании «МЦСТ» серьезные, хотя многими обывателями подобные «успехи» кажутся смешными, на фоне мировых гигантов вроде Intel и AMD.

Да, достижения еще не те, но и цели совсем разные, верно? Едва ли «Эльбрус» стоит расценивать, как игровой чип, способный запустить все современные развлечения в максимальном качестве – это, в первую очередь, система для сверхбыстрой обработки данных (прежде всего, военного назначения) в полевых и даже экстремальных условиях.

История развития процессоров из России:

1998 год. Первая модель SPARC с частотой 80 МГц.
2001 год. Корректировка модели SPARC, увеличение мощностей, снижение уровня потребляемой энергии, работа над третьей версией процессора с частотой в 500 МГц.
2004 год. Представлен E2K – процессор нового поколения, способный работать практически в любых условиях.
2005 год. Появление первых образцов «Эльбруса», эксперименты и взгляд в будущее – впереди долгие годы борьбы за мировое лидерство в области современных технологий…

Принцип работы микропроцессора

Что такое микропроцессоры, сегодня знает каждый.

Это одно из самых интересных технологических новшеств в электронике после появления транзистора в 1948 году.

Чудо-устройства не только начали революцию в области цифровой электроники, но и проникли почти во все сферы жизни человека. Они применяются в сложнейших управляющих контроллерах, оборудовании диспетчерского управления, в простых игровых автоматах и даже игрушках.

Что такое микропроцессоры?

Компьютер, большой и не очень, функционально (в упрощенной форме) может быть представлен в виде блок-схемы, состоящей из трех основных частей:

Центрального процессорного устройства (ЦПУ), которое выполняет необходимые логические и арифметические операции, используя регистры (память микропроцессора), и контролирует синхронизацию и общую работу всей системы.

Устройств ввода-вывода, которые служат для подачи данных в ЦПУ (к ним относятся коммутаторы, аналого-цифровые преобразователи, устройства чтения карт памяти, клавиатура, накопители на жестких дисках и т. д.) и вывода результатов вычислений (светодиоды, дисплеи, цифроаналоговые преобразователи, принтеры, плоттеры, линии связи и т. д.). Так подсистема ввода-вывода позволяет компьютеру общаться с внешним миром. Такие устройства также называются периферийными.

Памяти, в которой хранятся команды (программа) и данные. Обычно состоит из ОЗУ (памяти с произвольным доступом) и ПЗУ (постоянной, предназначенной только для чтения).

Микропроцессор является интегральной схемой, предназначенной для работы в качестве ЦПУ микрокомпьютера.

Принцип действия

Назначение микропроцессора заключается в считывании каждой команды из памяти, ее декодировании и выполнении.

ЦПУ обрабатывает данные согласно инструкциям программы в форме логических и арифметических операций. Информация извлекается из памяти или поступает из устройства ввода, и результат обработки сохраняется в памяти или доставляется на соответствующее устройство вывода так, как это указано в командах. Вот что такое микропроцессоры. Для выполнения всех указанных функций у них имеются различные функциональные блоки.

Такая внутренняя или организационная структура ЦПУ, определяющая его работу, называется его архитектурой.

Типичная схема устройства микропроцессора представлена ниже.

Шины

Микрокомпьютер оперирует двоичным кодом. Бинарная информация представлена двоичными цифрами, называемыми битами. Группа битов образует машинное слово (их количество зависит от конкретной реализации). Обычные размеры слова равны 4, 8, 12, 16, 32 и 64 бит. Байт и полубайт представляют собой набор из 8 и 4 бит соответственно.

Шины соединяют различные блоки устройства и позволяют им обмениваться машинными словами. Они выполнены в виде отдельного провода для каждого бита, что позволяет обмениваться всеми разрядами машинного слова одновременно. Обработка информации в ЦПУ также происходит параллельно. Таким образом, шины могут рассматриваться как магистрали передачи данных. Их ширина определяется количеством составляющих их сигнальных линий. По адресной шине ЦПУ передает адрес устройства ввода-вывода или ячейки памяти, к которой он хочет получить доступ. Этот адрес принимается всеми устройствами, подключенными к процессору. Но реагирует на него только то, которому был адресован запрос. Шина данных служит для отправки и приема информации из устройств ввода-вывода и памяти, в т. ч. команд. Очевидно, что она является двунаправленной, а адресная – однонаправленной. Шина управления используется для передачи и приема сигналов управления между микропроцессором и различными элементами системы.

Арифметико-логическое устройство и внутренние регистры

Представляет собой комбинационную сеть, которая выполняет логические и арифметические операции над данными.

В состав микропроцессора обычно входит и ряд регистров. Они используются для временного хранения команд, данных и адресов во время выполнения программы. Например, у микропроцессора Intel 8085 имеется 8-битный аккумулятор (Acc), 6 8-битных регистров общего назначения (B, C, D, E, H и L), 8-разрядный регистр команд (IR), в котором хранится следующая исполняемая инструкция, 16-битный программный счетчик с адресом следующей команды, которую необходимо выбрать из памяти в IR, 16-битный указатель стека, регистр флагов, который сигнализирует о выполнении определенных условий, возникающих во время выполнения логических и арифметических операций, и некоторые другие специальные регистры для внутренних процессов, доступа к которым у программиста нет.

Декодер, блок управления и память

Расшифровывает каждую команду и управляет внешними и внутренними блоками, обеспечивая правильную логическую работу системы.

Для сохранения команд, данных и результатов вычислений требуется наличие полупроводниковых запоминающих устройств. Программа записывается в память, подключенную к микропроцессору через адресную шину и шины данных и управления (подобно устройствам ввода-вывода).

Интерфейс

Если к ЦПУ необходимо подключить одно или несколько устройств ввода-вывода, то возникает необходимость в соответствующем интерфейсе. Он выполняет следующие 4 функции:

буферизацию, необходимую для обеспечения совместимости микропроцессора и периферии;

декодирование адреса для выбора одного из нескольких подключенных к системе ввода-вывода устройств;

декодирование команд, требуемое для выполнения функций, отличных от передачи данных;

синхронизацию и управление всеми вышеперечисленными функциями.

Передача информации

Обмен данными, который происходит между периферийным устройством и микрокомпьютером, относятся либо к их программной передаче, либо к прямому доступу к памяти.

В первом случае загруженная программа запрашивает систему ввода-вывода на передачу данных микропроцессору или из него. Как правило, информация поступает в аккумулятор, хотя другие внутренние регистры могут также участвовать. Программная передача обычно используется при пересылке небольшого объема данных относительно медленными устройствами ввода-вывода, например, периферийным умножителем, периферийным АЛУ и т. д. В таких случаях трансфер обычно производится пословно.

Прямой доступ к памяти или захват циклов контролируется периферийным устройством. При этом системой ввода-вывода принудительно задерживает работа микропроцессора, пока пересылка не будет завершена. Поскольку процесс контролируется аппаратно, интерфейс сложнее, чем требуется для программной передачи данных. Используется при необходимости переслать большой блок информации, например, из таких периферийных хранилищ, как гибкие диски и высокоскоростной картридер.

Интерфейсные устройства

Для разработки пользовательских интерфейсов доступно обширное аппаратное обеспечение. К нему относятся мультиплексоры и демультиплексоры, линейные драйверы и приемники, буферы, стабильные и моностабильные мультивибраторы, триггер-защелки, вентильные схемы, сдвиговые регистры и т. д. Есть и более сложные программируемые интерфейсы, функции которых можно изменить командой микропроцессора. Эти интерфейсы могут быть общего или специального назначения.

Языки программирования

Поскольку компьютер может хранить и обрабатывать информацию в двоичной форме, команды для подачи на машину должны быть представлены в двоичном формате. В таком виде программа является машинным языком.

На языке ассемблера команды, включая места хранения, представлены буквенно-цифровыми символами, называемыми мнемоническими. По сравнению с машинным языком их использование значительно облегчает написание программ. Однако если программа написана на таком мнемоническом языке, она должна быть переведена в инструкции, понятные машине, чтобы их можно было хранить и выполнять в микрокомпьютере. В основном одна команда ассемблера транслируется в одну команду машинного языка.

Писать программы на ассемблере очень утомительно и требует много времени. Поэтому широкое распространение получили языки высокого уровня, такие как Fortran, Cobol, Algol, Pascal, которые можно затем перевести на язык машины. В этом случае одному оператору обычно соответствует несколько инструкций машинного языка.

Набор команд микрокомпьютера

Основные характеристики микропроцессора также определяются набором инструкций.

Обычно он состоит из 5 групп:

Группа передачи данных. Данные команды помогают перемещать информацию между регистрами внутри микропроцессора, между памятью и регистром или ячейками памяти.

Арифметическая группа позволяет складывать, вычитать, увеличивать или уменьшать данные в памяти или регистрах (например, сложить содержимое двух регистров ЦПУ).

Логическая группа используется для операций И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ, сравнения, циклического сдвига, дополнения данных в памяти или регистрах (например, чтобы пропустить через схему ИЛИ содержимое двух регистров микропроцессора).

Группа ветвления включает безусловные и условные переходы, вызов подпрограмм и возвращение из них. Условные инструкции служат для того, чтобы определенная операция выполнялась только в случае выполнения определенного условия (например, если требуется перейти к конкретной команде, когда результат последнего вычисления был равен нулю). Они обеспечивают возможность программе самой принимать решения.

Группа стека, ввода-вывода и управления микропроцессором производит передачу данных между ЦПУ и периферией, манипулирует стеком и изменяет внутренние флаги управления. Эти команды позволяют программисту остановить устройство, перевести его в нерабочее состояние, включить и отключить систему прерываний и т. д.

Инструкции, которые хранятся вместе с данными в памяти, могут иметь длину в 1 или несколько байт. Длинные команды хранятся в последовательных ячейках памяти, причем адрес первого байта всегда используется как адрес всей команды. Кроме того, первый байт всегда является кодом операции.

Память микропроцессора

Знакомство с подробностями, касающимися компьютерной памяти и ее иерархии помогут лучше понять содержание этого раздела.

Выше мы писали о шинах (адресной и данных), а также о каналах чтения (RD) и записи (WR). Эти шины и каналы соединены с памятью: оперативной (ОЗУ, RAM) и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ, ROM). В нашем примере рассматривается микропроцессор, ширина каждой из шин которого составляет 8 бит. Это значит, что он способен выполнять адресацию 256 байт (два в восьмой степени). В один момент времени он может считывать из памяти или записывать в нее 8 бит данных. Предположим, что этот простой микропроцессор располагает 128 байтами ПЗУ (начиная с адреса 0) или 128 байтами оперативной памяти (начиная с адреса 128).

Модуль постоянной памяти содержит определенный предварительно установленный постоянный набор байт. Адресная шина запрашивает у ПЗУ определенный байт, который следует передать шине данных. Когда канал чтения (RD) меняет свое состояние, модуль ПЗУ предоставляет запрошенный байт шине данных. То есть в данном случае возможно только чтение данных.

Из оперативной памяти процессор может не только считывать информацию, он способен также записывать в нее данные. В зависимости от того, чтение или запись осуществляется, сигнал поступает либо через канал чтения (RD), либо через канал записи (WR). К сожалению, оперативная память энергозависима. При отключении питания она теряет все размещенные в ней данные. По этой причине компьютеру необходимо энергонезависимое постоянное запоминающее устройство.

Более того, теоретически компьютер может обойтись и вовсе без оперативной памяти. Многие микроконтроллеры позволяют размещать необходимые байты данных непосредственно в чип процессора. Но без ПЗУ обойтись невозможно. В персональных компьютерах ПЗУ называется базовой системой ввода и вывода (БСВВ, BIOS, Basic Input/Output System). Свою работу при запуске микропроцессор начинает с выполнения команд, найденных им в BIOS.

Команды BIOS выполняют тестирование аппаратного обеспечения компьютера, а затем они обращаются к жесткому диску и выбирают загрузочный сектор. Этот загрузочный сектор является отдельной небольшой программой, которую BIOS сначала считывает с диска, а затем размещает в оперативной памяти. После этого микропроцессор начинает выполнять команды расположенного в ОЗУ загрузочного сектора. Программа загрузочного сектора сообщает микропроцессору о том, какие данные (предназначенные для последующего выполнения процессором) следует дополнительно переместить с жесткого диска в оперативную память. Именно так происходит процесс загрузки процессором операционной системы.

Инструкции микропроцессора

Даже простейший микропроцессор способен обрабатывать достаточно большой набор инструкций. Набор инструкций является своего рода шаблоном. Каждая из этих загружаемых в регистр команд инструкций имеет свое значение. Людям непросто запомнить последовательность битов, поэтому каждая инструкция описывается в виде короткого слова, каждое из которых отражает определенную команду. Эти слова составляют язык ассемблера процессора. Ассемблер переводит эти слова на понятный процессору язык двоичных кодов.

Приведем список слов-команд языка ассемблера для условного простого процессора, который мы рассматриваем в качестве примера к нашему повествованию:

LOADA mem — Загрузить (load) регистр A из некоторого адреса памяти

LOADB mem — Загрузить (load) регистр B из некоторого адреса памяти

CONB con — Загрузить постоянное значение (constant value) в регистр B

SAVEB mem — Сохранить (save) значение регистра B в памяти по определенному адресу

SAVEC mem — Сохранить (save) значение регистра C в памяти по определенному адресу

ADD — Сложить (add) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C

SUB — Вычесть (subtract) значение регистра B из значения регистра A. Результат действия сохранить в регистре C

MUL — Перемножить (multiply) значения регистров A и B. Результат действия сохранить в регистре C

DIV — Разделить (divide) значение регистра A на значение регистра B. Результат действия сохранить в регистре C

COM — Сравнить (compare) значения регистров A и B. Результат передать в тестовый регистр

JUMP addr — Перепрыгнуть (jump) к указанному адресу

JEQ addr — Если выполняется условие равенства значений двух регистров, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу

JNEQ addr — Если условие равенства значений двух регистров не выполняется, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу

JG addr — Если значение больше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу

JGE addr — Если значение больше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу

JL addr — Если значение меньше, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу

JLE addr — Если значение меньше или равно, перепрыгнуть (jump) к указанному адресу

STOP — Остановить (stop) выполнение

Английские слова, обозначающие выполняемые действия, в скобках приведены неспроста. Так мы можем видеть, что язык ассемблера (как и многие другие языки программирования) основан на английском языке, то есть на привычном средстве общения тех людей, которые создавали цифровые технологии.

Работа микропроцессора на примере вычисления факториала

Рассмотрим работу микропроцессора на конкретном примере выполнения им простой программы, которая вычисляет факториал от числа «5». Сначала решим эту задачку «в тетради»:

факториал от 5 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120

На языке программирования C этот фрагмент кода, выполняющего данное вычисление, будет выглядеть следующим образом:

a=1;f=1;while (a < = 5){ f = f * a; a = a + 1;}

Когда эта программа завершит свою работу, переменная f будет содержать значение факториала от пяти.

Компилятор C транслирует (то есть переводит) этот код в набор инструкций языка ассемблера. В рассматриваемом нами процессоре оперативная память начинается с адреса 128, а постоянная память (которая содержит язык ассемблера) начинается с адреса 0. Следовательно, на языке данного процессора эта программа будет выглядеть так:

// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 1290 CONB 1 // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // if a > 5 the jump to 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 JUMP 4 // loop back to if17 STOP

Теперь возникает следующий вопрос: а как же все эти команды выглядят в постоянной памяти? Каждая из этих инструкций должна быть представлена в виде двоичного числа. Чтобы упростить понимание материала, предположим, что каждая из команд языка ассемблера рассматриваемого нами процессора имеет уникальный номер:

LOADA — 1

LOADB — 2

CONB — 3

SAVEB — 4

SAVEC mem — 5

ADD — 6

SUB — 7

MUL — 8

DIV — 9

COM — 10

JUMP addr — 11

JEQ addr — 12

JNEQ addr — 13

JG addr — 14

JGE addr — 15

JL addr — 16

JLE addr — 17

STOP — 18

Будем считать эти порядковые номера кодами машинных команд (opcodes). Их еще называют кодами операций. При таком допущении, наша небольшая программа в постоянной памяти будет представлена в таком виде:

// Предположим, что a по адресу 128// Предположим, что F по адресу 129Addr машинная команда/значение0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1298 1 // LOADA 1289 12810 3 // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 12921 12922 1 // LOADA 12823 12824 3 // CONB 125 126 6 // ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // JUMP 430 831 18 // STOP

Как вы заметили, семь строчек кода на языке C были преобразованы в 18 строчек на языке ассемблера. Они заняли в ПЗУ 32 байта.

Декодирование

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

От песка до процессора / Блог компании Intel / Хабр

Сложно в это поверить, но современный процессор является самым сложным готовым продуктом на Земле – а ведь, казалось бы, чего сложного в этом куске железа?

Как и обещал – подробный рассказ о том, как делают процессоры… начиная с песка. Все, что вы хотели знать, но боялись спросить )

Я уже рассказывал о том, «Где производят процессоры» и о том, какие «Трудности производства» на этом пути стоят. Сегодня речь пойдет непосредственно про само производство – «от и до».

Производство процессоров

Когда фабрика для производства процессоров по новой технологии построена, у нее есть 4 года на то, чтобы окупить вложенные средства (более $5млрд) и принести прибыль. Из несложных секретных расчетов получается, что фабрика должна производить не менее 100 работающих пластин в час.

Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска. Затем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса.

Уроки химии

Давайте рассмотрим весь процесс более подробно. Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Песок, особенно кварцевый, имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO₂) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.

Первоначально берется SiO₂ в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO

Такой кремний носит название «технический» и имеет чистоту 98-99.9%. Для производства процессоров требуется гораздо более чистое сырье, называемое «электронным кремнием» — в таком должно быть не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния. Для очистки до такого уровня, кремний буквально «рождается заново». Путем хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl₄), который в дальнейшем преобразуется в трихлорсилан (SiHCl₃):

3SiCl₄ + 2H₂ + Si 4SiHCl₃

Данные реакции с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ снижают себестоимость и устраняют экологические проблемы:

2SiHCl₃ SiH₂Cl₂ + SiCl₄

2SiH₂Cl₂ SiH₃Cl + SiHCl₃

2SiH₃Cl SiH₄ + SiH₂Cl₂

SiH₄ Si + 2H₂

Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» — монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий — на производстве такая дуля весит порядка 100 кг.

Слиток шкурят «нулёвкой» 🙂 и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (~12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate). Когда-то давно Intel использовала диски диаметром 50мм (2″), а в ближайшем будущем уже планируется переход на пластины с диаметром в 450мм – это оправдано как минимум с точки зрения снижения затрат на производство чипов. К слову об экономии — все эти кристаллы выращиваются вне Intel; для процессорного производства они закупаются в другом месте.

Каждую пластину полируют, делают идеально ровной, доводя ее поверхность до зеркального блеска.

Производство чипов состоит более чем из трёх сотен операций, в результате которых более 20 слоёв образуют сложную трёхмерную структуру – доступный на Хабре объем статьи не позволит рассказать вкратце даже о половине из этого списка 🙂 Поэтому совсем коротко и лишь о самых важных этапах.

Итак. В отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать? Вообще, нанесение различных слоев на процессорную подложу это целая наука, ведь даже в теории такой процесс непрост (не говоря уже о практике, с учетом масштабов)… но ведь так приятно разобраться в сложном 😉 Ну или хотя бы попытаться разобраться.

Фотолитография

Проблема решается с помощью технологии фотолитографии — процесса избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитного фотошаблона. Технология построена по принципу «свет-шаблон-фоторезист» и проходит следующим образом:

— На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист — слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом.

— Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон

— Удаление отработанного фоторезиста.

Нужная структура рисуется на фотошаблоне — как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.

Иной раз осаждать те или иные материалы в нужных местах пластины просто невозможно, поэтому гораздо проще нанести материал сразу на всю поверхность, убрав лишнее из тех мест, где он не нужен — на изображении выше синим цветом показано нанесение фоторезиста.

Пластина облучается потоком ионов (положительно или отрицательно заряженных атомов), которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (зеленые участки — это внедренные чужеродные атомы).

Как изолировать области, не требующие последующей обработки? Перед литографией на поверхность кремниевой пластины (при высокой температуре в специальной камере) наносится защитная пленка диэлектрика – как я уже рассказывал, вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать High-K-диэлектрик. Он толще диоксида кремния, но в то же время у него те же емкостные свойства. Более того, в связи с увеличением толщины уменьшен ток утечки через диэлектрик, а как следствие – стало возможным получать более энергоэффективные процессоры. В общем, тут гораздо сложнее обеспечить равномерность этой пленки по всей поверхности пластины — в связи с этим на производстве применяется высокоточный температурный контроль.

Так вот. В тех местах, которые будут обрабатываться примесями, защитная пленка не нужна – её аккуратно снимают при помощи травления (удаления областей слоя для формирования многослойной структуры с определенными свойствами). А как снять ее не везде, а только в нужных областях? Для этого поверх пленки необходимо нанести еще один слой фоторезиста – за счет центробежной силы вращающейся пластины, он наносится очень тонким слоем.

В фотографии свет проходил через негативную пленку, падал на поверхность фотобумаги и менял ее химические свойства. В фотолитографии принцип схожий: свет пропускается через фотошаблон на фоторезист, и в тех местах, где он прошел через маску, отдельные участки фоторезиста меняют свойства. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски.

Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент – результатом такого подхода становятся различные картины замыканий на каждом слое микропроцессора.

Собственно говоря, все предыдущие шаги были нужны для того, чтобы создать в необходимых местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной (n-типа) или акцепторной (p-типа) примеси. Допустим, нам нужно сделать в кремнии область концентрации носителей p-типа, то есть зону дырочной проводимости. Для этого пластину обрабатывают с помощью устройства, которое называется имплантер — ионы бора с огромной энергией выстреливаются из высоковольтного ускорителя и равномерно распределяются в незащищенных зонах, образованных при фотолитографии.

Там, где диэлектрик был убран, ионы проникают в слой незащищенного кремния – в противном случае они «застревают» в диэлектрике. После очередного процесса травления убираются остатки диэлектрика, а на пластине остаются зоны, в которых локально есть бор. Понятно, что у современных процессоров может быть несколько таких слоев — в таком случае на получившемся рисунке снова выращивается слой диэлектрика и далее все идет по протоптанной дорожке — еще один слой фоторезиста, процесс фотолитографии (уже по новой маске), травление, имплантация… ну вы поняли.

Характерный размер транзистора сейчас — 32 нм, а длина волны, которой обрабатывается кремний — это даже не обычный свет, а специальный ультрафиолетовый эксимерный лазер — 193 нм. Однако законы оптики не позволяют разрешить два объекта, находящиеся на расстоянии меньше, чем половина длины волны. Происходит это из-за дифракции света. Как быть? Применять различные ухищрения — например, кроме упомянутых эксимерных лазеров, светящих далеко в ультрафиолетовом спектре, в современной фотолитографии используется многослойная отражающая оптика с использованием специальных масок и специальный процесс иммерсионной (погружной) фотолитографии.

Логические элементы, которые образовались в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» — в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.

Финишная прямая

Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов». Отдаленно (при очень большом увеличении) все это похоже на футуристическую дорожную развязку – и ведь кто-то же эти клубки проектирует!

Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.

На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).

Привет, сокет!

Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе – именно этот продукт мы будем иметь ввиду, говоря слово «процессор». Зеленая подложка создает электрический и механический интерфейс (для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото), благодаря которому станет возможным установка процессора в сокет материнской платы – по сути, это просто площадка, на которой разведены контакты от маленького чипа. Теплораспределительная крышка является термоинтерфейсом, охлаждающим процессор во время работы – именно к этой крышке будут примыкать система охлаждения, будь то радиатор кулера или здоровый водоблок.

Сокет (разъём центрального процессора) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Использование разъёма вместо прямого распаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты (например, в Pegasos). Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты.

На завершающем этапе производства готовые процессоры проходят финальные испытания на предмет соответствия основным характеристикам – если все в порядке, то процессоры сортируются в нужном порядке в специальные лотки – в таком виде процессоры уйдут производителям или поступят в OEM-продажу. Еще какая-то партия пойдет на продажу в виде BOX-версий – в красивой коробке вместе со стоковой системой охлаждения.

The end

Теперь представьте себе, что компания анонсирует, например, 20 новых процессоров. Все они различны между собой – количество ядер, объемы кэша, поддерживаемые технологии… В каждой модели процессора используется определенное количество транзисторов (исчисляемое миллионами и даже миллиардами), свой принцип соединения элементов… И все это надо спроектировать и создать/автоматизировать – шаблоны, линзы, литографии, сотни параметров для каждого процесса, тестирование… И все это должно работать круглосуточно, сразу на нескольких фабриках… В результате чего должны появляться устройства, не имеющие права на ошибку в работе… А стоимость этих технологических шедевров должна быть в рамках приличия… Почти уверен в том, что вы, как и я, тоже не можете представить себе всего объема проделываемой работы, о которой я и постарался сегодня рассказать.

Ну и еще кое-что более удивительное. Представьте, что вы без пяти минут великий ученый — аккуратно сняли теплораспределительную крышку процессора и в огромный микроскоп смогли увидеть структуру процессора – все эти соединения, транзисторы… даже что-то на бумажке зарисовали, чтобы не забыть. Как думаете, легко ли изучить принципы работы процессора, располагая только этими данными и данными о том, какие задачи с помощью этого процессора можно решать? Мне кажется, примерно такая картина сейчас видна ученым, которые пытаются на подобном уровне изучить работу человеческого мозга. Только если верить стэнфордским микробиологам, в одном человеческом мозге находится больше «транзисторов», чем во всей мировой IT-инфраструктуре. Интересно, правда?

BONUS

Хватило сил дочитать до этого абзаца? ) Поздравляю – приятно, что я постарался не зря. Тогда предлагаю откинуться на спинку кресла и посмотреть всё описанное выше, но в виде более наглядного видеоролика – без него статья была бы не полной.

Эту статью я писал сам, пытаясь вникнуть в тонкости процесса процессоростроения. Я к тому, что в статье могут быть какие-то неточности или ошибки — если найдете что-то, дайте знать. А вообще, чтобы окончательно закрепить весь прочитанный материал и наглядно понять то, что было недопонято в моей статье, пройдите по этой ссылке. Теперь точно всё.

Успехов!

Что такое микропроцессор 🚩 как устроен микропроцессор 🚩 Компьютеры и ПО 🚩 Другое

Микропроцессором называется центральный блок персонального компьютера, предназначающийся для выполнения логических и арифметических операций над информацией, для обработки и передачи данных и для управления работой всеми блоками машины.

Микропроцессор выполнен в одном или нескольких взаимосвязанных между собой полупроводниковых кристаллах интегральных схем. Состоит из цепей управления, сумматоров, регистров, счетчиков команд и очень быстрой памяти малого объема.

Микропроцессор реализовывает следующие важнейшие функции:

— дешифрация и чтение данных из основной памяти
— прием команд и чтение данных из регистров адаптеров внешних устройств
— обработка данных, запись их в основную память, а также запись в регистры адаптеров внешних устройств
— формирование управляющих сигналов прочих блоков и узлов компьютера

Долгое время центральные процессоры строились из отдельных микросхем малой или средней интеграции, содержащих от одного до нескольких сотен транзисторов. Несмотря на скромное начало, беспрерывный рост сложности микропроцессоров привел к полному устареванию остальных форм компьютеров.

Первый 4-битный микропроцессор появился в 1970-х годах, и применение ему нашлось в электронном калькуляторе. В калькуляторах применялась двоично-десятичная арифметика. Вскоре микропроцессоры стали встраивать в другие устройства, например, принтеры, терминалы и различную автоматику.

В середине 1970-х годов уже 8-битные микропроцессоры с адресацией в 16-бит позволили сотворить первые бытовые микрокомпьютеры.
В настоящее время один или же несколько микропроцессоров применяются в качестве вычислительного элемента буквально во всем — от мобильных устройств и мелких встраиваемых систем до огромных суперкомпьютеров и мейнфреймов.

Если посмотреть вокруг, то микропроцессоры буквально, везде: в электронных часах, в мобильных телефонах, в игровых приставках, в карманных электронных играх, в современных микроволновых печах, стиральных машинах, проигрывателях, лазерных дисках, калькуляторах. Даже современный автомобиль наполнен микропроцессорами, не говоря уже о пароходах, самолетах, поездах и т.п.

Некоторые авторы причисляют к микропроцессорам собственно устройства, осуществленные строго на одной микросхеме. Это определение расходится и с академическими источниками и с коммерческой практикой. Например, такие микропроцессоры, как AMD и Intel и в корпусах типа Pentium II и SECC, были реализованы на нескольких микросхемах.

В связи с очень небольшим распространением процессоров, которые не являются микропроцессорами, в бытовой практике термины «микропроцессор» и «процессор» почти равнозначны.

Микропроцессор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы^[1] или комплекта из нескольких специализированных микросхем^[2] (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4-битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например, терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х годов создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных микросхем малой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый процессор на одном чипе сверхбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других форм компьютеров. 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.

В космических программах полётов к Луне «Аполлон» в 1960-х и 1970-х годах все бортовые вычисления для первичного наведения, навигации и управления были предоставлены небольшими специализированными процессорами бортового компьютера Аполлон^[3].

С начала 1970-х годов широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев. В конце 1990-х главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP)^[4].

Некоторые авторы относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Такое определение расходится как с академическими источниками^[5], так и с коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие, как Pentium II, были реализованы на нескольких микросхемах).

В настоящее время, в связи с очень незначительным распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и «процессор» практически равнозначны.

Первые микропроцессоры

Почти одновременно появились три проекта по созданию микропроцессора: Central Air Data Computer (CADC) в Garrett AiResearch (1968), TMS 1000 в Texas Instruments (1971) и 4004 в Intel (1971).

См. также

Примечания

Что такое микропроцессор?

В современной электронике микропроцессором называют специальную микросхему,
которая предназначена для выполнения некоего набора сложных функций по
управлению тем либо иным электронным устройством. Микропроцессор — это сердце
любого компьютера. Но не только. Те же технологии, которые применяются в
компьютерах, с успехом применяются и в более простых электронных
устройствах.

Микропроцессор незаметно завоевал весь мир. В последнее время на помощь
человеку пришла целая армия электронных помощников. Мы привыкли к ним и часто
даже не подозреваем, что во многих таких устройствах работает микропроцессор.
Микропроцессорные технологии очень эффективны. Одно и то же устройство, которое
раньше собиралось на традиционных элементах, будучи собрано с применением
микропроцессора становится проще, не требует регулировки и меньше по размерам.
Кроме того, с применением микропроцессоров появляются практически безграничные
возможности по добавлению новых потребительских функций и возможностей.

Где же применяются микропроцессоры? Да просто везде! Посмотрите вокруг себя.
У вас в квартире стоит современный телевизор? Не сомневайтесь: в нем есть, как
минимум, один процессор. У вас есть на руке электронные часы? Современные часы
строятся на основе специализированного микропроцессора. Ну, а мобильные телефоны
— это вообще миниатюрные компьютеры!

Возможно, у вас есть игровая приставка, карманная электронная игра,
современная микроволновая печь, стиральная машина, проигрыватель лазерных
дисков, калькулятор. Во всех этих устройствах работает микропроцессор.
Современный автомобиль нашпигован микропроцессорами, как фаршированная рыба. Не
говоря уже о самолетах, пароходах, поездах и т. п. В общем, всего не
перечесть.

Микропроцессор насчитывает достаточно долгую историю. До того, как изобрели
микропроцессор (то есть процессор на одной микросхеме), существовали целые
процессорные блоки в больших компьютерах. Теперь же интеграция пошла до
фантастических пределов. Одна микросхема содержит не только сам процессор, но и
сопутствующие ему элементы. Целый компьютер в одной микросхеме. Такая микросхема
называется микроконтроллером.

Что же это за сопутствующие элементы? Это очень важные составные части
микропроцессорной системы. Без них не может обходиться не один микропроцессор. И
так, мы подходим к первому важному вопросу — составу типовой микропроцессорной
системы. Любая микропроцессорная система (рис. 1.1) состоит из следующих
основных элементов: процессор, модуль памят

Микропроцессор — Студопедия

Микропроцессор— самостоятельное или входящее в состав ЭВМ устройство, осуществляющее обработку информации и управляющее этим процессом, выполненное в виде одной или нескольких БИС. В общем случае в состав микропроцессора входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок управления и синхронизации, ЗУ, регистры и др. блоки, необходимые для выполнения операций вычислительного процесса. Как БИС микропроцессор характеризуется степенью интеграции, потребляемой мощностью, помехоустойчивостью, нагрузочной способностью активных выводов (определяющей возможность подключения к данному микропроцессору и др. БИС) технологией изготовления, типом корпуса, техническим ресурсом, устойчивостью к механическим, климатическим и радиационным воздействиям. Как вычислительное устройство микропроцессор характеризуется производительностью, разрядностью обрабатываем данных и выполняемых команд, возможностью увеличения разрядности, числом команд ( микрокоманд ), количеством внутренних регистров, возможностью обеспечения режима прерывания ( уровней приоритета ) способностью к обработке десятичных кодов, объемом адресной памяти, наличием канала прямого доступа к памяти, типом и числом входных и выходных шин и их разрядностью, наличием и видом программного обеспечения, способом управления.

Микропроцессоры, используемые в средствах вычислительной техники различного назначения (для решения широкого круга разнотипных задач), называются универсальными. Микропроцессоры, предназначенные для построения какого-либо одного типа вычислительных устройств, называются специализированными; типичный пример – микропроцессор в калькуляторе. По способу управления различают микропроцессоры со схемным и микропрограммным управлением. Микропроцессоры со схемным управлением имеют более высокое быстродействие, однако, их работа однозначно определяется постоянным набором команд (хранящихся в их памяти) и соответствующей электрической схемой, которая зачастую бывает довольно сложной из-за необходимости иметь в микропроцессоре как можно больше команд. Функционирование микропроцессора с микропрограммным управлением определяется последовательностью микрокоманд, состав и очередность выполнения которых устанавливается оператором. Такие микропроцессоры имеют сравнительно невысокое быстродействие, но они более универсальны, легче перестраиваются с одной программы на другую.

По структуре микропроцессоры подразделяются на секционированные (как правило, с микропрограммным управлением) и однокристальные (с фиксированной разрядностью и постоянным набором команд). Секционированные микропроцессоры допускают расширение разрядности и емкости ЗУ (за счет подключения дополнительных секций) и обладают способностью к расширению своих функциональных возможностей. Это обусловлено тем, что секционированные микропроцессоры набираются из БИС, каждая из которых способна объединяться с другими БИС, образуя при этом различные функциональные устройства. К секционированным микропроцессорам обычно подключается БИС постоянного ЗУ с хранящимися в нем микрокомандами. Процессорная секция микропроцессора этого типа состоит из секции АЛУ, блока регистров, входных мультиплексоров, выходного регистра адреса и регистра-аккумулятора, дешифратора микрокоманд, входных ВхШ и выходных ВыхШ шин. Управление работой микропроцессорной секции осуществляется сигналами, выдаваемыми дешифратором микрокоманд. Каждая новая микрокоманда поступает после исполнения предыдущей. Исходные данные передаются из оперативного ЗУ или из устройств ввода – вывода информации через мультиплексоры в секцию АЛУ. Результат выполнения операций через регистр-аккумулятор направляется по адресу, сформированному в выходном регистре адреса, а также на блок регистров для временного хранения и на мультиплексоры для использования на следующих этапах вычислений. Связь между секциями осуществляется через линии международных связей.

Однокристальный микропроцессор с фиксированной микро разрядностью и с постоянным набором команд конструктивно исполняется в виде одной БИС. Такой микропроцессор выполняет функции процессора ЭВМ, все операции которого определяются хранящимися в его памяти командами. В состав однокристального микропроцессора входят: АЛУ, выходной регистр адреса, регистр-аккумулятор, блок регистров, регистр признаков, схема управления, входная и выходная шины и канал управления. Особенность однокристального микропроцессора – наличие внутренней шины, по которой происходит обмен информацией между устройствами микропроцессора.

По функциональным возможностям микропроцессор соответствует процессору ЭВМ, выполненному на 20-40 ИС малой и средней степени интеграции, но обладает большим быстродействием, существенно меньшими размерами, массой, потребляемой мощностью и стоимостью.

Микропроцессоры получили широкое применение в системах управления технологическим и контрольно-испытательным оборудованием, транспортными средствами, космическими аппаратами, бытовыми приборами и т.д. Малые размеры, масса и энергоемкость микропроцессора позволяют встраивать его непосредственно в объект управления. На базе микропроцессора создаются различные типы микро-ЭВМ, контроллеров, программаторов и другие устройства автоматики и вычислительной техники.

Что такое микропроцессор? Типы микропроцессоров и приложения

Различные типы микропроцессоров и их применение

Что такое микропроцессор?

Микропроцессор — это центральный процессор или мозг компьютера внутри единой интегральной схемы (ИС). Он состоит из миллионов полупроводниковых транзисторов, диодов и резисторов и отвечает за любые арифметические или логические операции. Это цифровое устройство, способное обрабатывать любые переданные ему двоичные данные.

Микропроцессор общего назначения состоит из ALU (арифметико-логический блок), блока управления и массива регистров. Целью ALU является выполнение любых логических или арифметических операций над данными, предоставляемыми памятью компьютера. Микропроцессор извлекает инструкцию из памяти и последовательно выполняет ее. Когда инструкция завершена, она отправляет результирующие данные через выход в двоичной цифровой форме.

Развитие микропроцессора

4-битный микропроцессор первого поколения

Это первый микропроцессор, изобретенный Intel в 1971 .Они назвали его Intel 4004 , потому что это был 4-битный микропроцессор

8-битный микропроцессор второго поколения

Процессор второго поколения был 8-битным микропроцессором, разработанным Intel в 1973 году. Он был назван Intel 8008 , потому что был 8-битным.

16-разрядный микропроцессор третьего поколения

Микропроцессоры третьего поколения — это 16-разрядные микропроцессоры, представленные Intel в 1978 . 80286 — микропроцессор поколения 3 ^rd.

32-разрядный микропроцессор четвертого поколения

Микропроцессоры четвертого поколения были представлены в 1985 , и они были 32-разрядными. 80386 или также известный как i386 или просто 386 — самый известный микропроцессор 4 ^{-го поколения}.

64-разрядный микропроцессор пятого поколения

Микропроцессор пятого поколения или 64-разрядные микропроцессоры были представлены в 1995 и используются до сих пор.Процессоры Intel Pentium были основаны на 64-битной архитектуре. Последние 64-битные микропроцессоры используют супер-масштабирование для обеспечения высокой скорости и производительности, например двух-, четырех- и восьмиъядерные микропроцессоры Intel.

Различные типы микропроцессоров

Существуют различные типы микропроцессоров, предназначенные для использования в определенных целях. Он был разработан для использования в различных приложениях. В основном они делятся на три основных типа;

CISC Микропроцессор

CISC — это аббревиатура для компьютера со сложным набором команд.Этот микропроцессор предназначен для выполнения сложных инструкций (комбинации нескольких отдельных инструкций), которые минимизируют общее количество инструкций на программу.

Сложная инструкция имеет несколько простых инструкций, таких как арифметические операции, сохранение в памяти, чтение из памяти и т. Д. Общая длина программы относительно очень мала, но из-за большого размера ее набора инструкций со многими режимами адресации в одном инструкции, для выполнения инструкции требуется несколько машинных циклов.Таким образом, снижается скорость выполнения микропроцессора.

Характеристики микропроцессора CISC:

Инструкции сложны.
Количество инструкций относительно больше, чем у RISC-микропроцессора, почти от 100 до 200.
Для выполнения сложных инструкций требуется более четырех циклов до примерно 120.
Программа выполняется последовательно, поэтому нет возможности конвейерной обработки (параллельное выполнение).
Инструкции выполняются микропрограммой, в которой заключается сложность.
Формат и размер инструкций могут отличаться от фиксированных инструкций RISC.
Программный код в CISC простой и короткий, поэтому он использует меньше памяти или RAM.
Это делает упор на аппаратное обеспечение и меньше на программное обеспечение или программирование.

Микропроцессор RISC

RISC означает компьютер с сокращенным набором команд. Этот тип микропроцессора основан на архитектуре, предназначенной для выполнения простых инструкций. Инструкции упрощены, чтобы сократить время выполнения.Команда обычно завершается за один такт с использованием конвейерной обработки для параллельного выполнения частей инструкции. Следовательно, для хранения инструкций требуется программный код с большим количеством строк и большим объемом памяти. Эта архитектура предлагает эффективное и быстрое выполнение программы.

Характеристики микропроцессора RISC

Инструкции в микропроцессоре RISC просты.
Как следует из названия, количество инструкций сокращено до 30-40.
Инструкции просты, поэтому требуется всего один машинный цикл.
Конвейерная обработка (параллельное выполнение) довольно проста в микропроцессоре RISC.
Формат и размер инструкций ограничены и фиксированы.
Из-за малого количества инструкций код программы длинный и требует больше памяти.
Это делает упор на программное обеспечение или компилятор и меньше на нагрузку на оборудование.

Микропроцессор специального назначения

Существуют различные типы микропроцессоров, предназначенных для специальных целей.Вот некоторые микропроцессоры специального назначения, приведенные ниже;

Сопроцессор

Сопроцессор — это тип специального процессора, который помогает основному или первичному процессору в обработке сложных задач. Это увеличивает производительность основного процессора, предоставляя его вычислительную мощность для снижения нагрузки на основной процессор. Они используются в графических, сложных арифметических операциях, одиночной обработке и операциях сопряжения ввода-вывода.

Сопроцессор физически отделен от главного процессора (ЦП) и работает независимо.Они очень быстро выполняют конкретную задачу из-за ограниченного набора инструкций. Поэтому их нельзя использовать для приложений общего назначения, таких как ЦП.

Транспьютер (транзисторный компьютер)

Транспьютер — это первый универсальный компьютер, разработанный Inmos для выполнения параллельных вычислений. Он также включает внутреннюю память с последовательными каналами связи для связи между процессорами для параллельной работы.

Название Transputer — это сочетание слов «транзистор» и «компьютер».Название было выбрано из-за его сходства с транзистором в качестве строительного блока компьютера. Это строительный блок параллельного компьютера и нескольких транспьютеров, соединенных вместе, чтобы сформировать полностью функционирующий параллельный компьютер.

Они были разработаны для совместного использования для выполнения параллельной работы, но один транспьютер имеет необходимые схемы для работы самостоятельно. Примерами транспьютеров являются Inmos TPCORE, T400, T100 и т. Д.

DSP (цифровой сигнальный процессор)

DSP или цифровой сигнальный процессор — это тип микропроцессора, специально разработанный для обработки любого сигнала.Архитектура DSP достаточно оптимизирована для обработки сигналов в таких приложениях, как обработка звука, распознавание речи, обработка изображений, радар, гидролокатор, смартфоны и т. Д.

Основная цель DSP — преобразование аналогового и цифрового сигнала (известного как ADC & DAC) и обрабатывать их путем фильтрации, сжатия и применения различных алгоритмов в цифровом формате. Он может обрабатывать несколько сигналов одновременно при параллельной работе.

Процессор ввода / вывода (IOP)

Процессор ввода / вывода или IOP — это особый тип процессора, предназначенный для контроля и управления задачами ввода и вывода компьютера.Они имеют прямой доступ к памяти и похожи на ЦП, за исключением того, что они обрабатывают только периферийные устройства ввода-вывода, такие как мышь, клавиатура, принтер, дисплей и т. Д.

ЦП и IOP действуют как ведущий и ведомый, ЦП отправляет инструкция по эксплуатации и IOP ее выполняют.

Графические процессоры

Графический процессор или графический процессор (GPU) — это особый тип процессора, специально разработанный для ускорения процесса создания изображений.Графический процессор выполняет инструкции параллельно, поэтому он быстрее ЦП. В основном они используются для рендеринга изображений в CGI (компьютерные изображения) или в видеоиграх. Они используются в устройствах отображения, таких как смартфоны, компьютеры, игровые консоли и т. Д.

Графический процессор содержит графический процессор с другими важными компонентами, такими как RAM и охлаждающие компоненты. NVidia Corporation и ATI technologies — это некоторые из компаний, которые разрабатывают графические процессоры для игр, 3D-анимации и рендеринга, редактирования видео, компьютерной графики и т. Д.

Связанное сообщение: Разница между аналоговой и цифровой схемой — цифровая и аналоговая

Битовые микропроцессоры (BSM)

Битовые микропроцессоры или BSM — это особый тип микропроцессоров, основная цель которых — формировать микропроцессор желаемого размера слова путем объединения идентичных BSM. Он доступен с 2-битным, 4-битным, 8-битным, 16-битным и 32-битным размером слова. И два или более чем два идентичных BSM соединяются каскадом вместе, чтобы сформировать процессор обычного (8,16,32) или нестандартного (6,10,12) размера слова.

Bit-Slicing означает, что микропроцессор состоит из модулей идентичных микропроцессоров с меньшим размером бит. Его основная цель — увеличить разрядность микропроцессора до желаемой ширины.

Скалярные и суперскалярные микропроцессоры

Скалярный микропроцессор может обрабатывать один набор данных за раз. Он может выполнять только одну инструкцию за один такт.

Суперскалярный микропроцессор — это тип микропроцессора, который может одновременно выполнять более одной инструкции или задачи.Он имеет несколько исполнительных модулей, которые используются для параллельной обработки нескольких инструкций. Эти исполнительные блоки не являются процессорами, а представляют собой различные ALU внутри суперскалярного микропроцессора.

Связанное сообщение:

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Микропроцессор 80486, своего рода процессор из 1990-х годов
TMS1100 от Texas Instruments вышел в 1974 году и использовался во многих приложениях, таких как дверные звонки или переключатели света.

Микропроцессор — это электронный компонент, который используется компьютером для выполнения своей работы. Это центральный процессор на одной интегральной микросхеме, содержащий миллионы очень маленьких компонентов, включая транзисторы, резисторы и диоды, которые работают вместе.Некоторым микропроцессорам 20 века требовалось несколько микросхем. Микропроцессоры помогают делать все, от управления лифтами до поиска в Интернете. Все, что делает компьютер, описывается инструкциями компьютерных программ, и микропроцессоры выполняют эти инструкции много миллионов раз в секунду. ^[1]

Микропроцессоры были изобретены в 1970-х годах для использования во встроенных системах. Большинство из них все еще используется в таких вещах, как мобильные телефоны, автомобили, военное оружие и бытовая техника.Некоторые микропроцессоры представляют собой микроконтроллеры, настолько маленькие и недорогие, что они используются для управления очень простыми продуктами, такими как фонарики и поздравительные открытки, которые воспроизводят музыку при открытии. В персональных компьютерах используется несколько особо мощных микропроцессоров.

Как и другие центральные процессоры, микропроцессоры используют три этапа, обычно называемые выборкой, декодированием и выполнением. На этапе выборки инструкция копируется из памяти компьютера в микропроцессор. На этапе декодирования микропроцессор определяет, для какой операции предназначена инструкция.На шаге Execute выполняется эта операция. На разных компьютерах могут быть разные наборы команд.

Транзисторы в микропроцессоре могут иметь ширину менее одного микрометра — одну миллионную метра. Для сравнения, один волос может иметь ширину более 100 микрон.
Транзисторы в основном МОП-транзисторы
Микропроцессоры сделаны из кремния, кварца, металлов и других химикатов.
На изготовление микропроцессора уходит около 2 месяцев.
Микропроцессоры классифицируются по размеру их шины данных или шины адреса. Они также подразделяются на типы CISC и RISC.

1823 Барон Йенс Якоб Берцелиус обнаруживает кремний (Si), который сегодня является основным компонентом электроники.
1903 Никола Тесла патентует электрические логические схемы, называемые «воротами» или «переключателями».
1947 Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобретают первый транзистор в лабораториях Белла 23 декабря 1947 года.
1956 Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли получают Нобелевскую премию по физике за работу над транзистором.
1958 Роберт Нойс и Джек Килби разработали первые интегральные схемы.
1960 IBM разрабатывает первое автоматическое предприятие по массовому производству транзисторов в Нью-Йорке.
1971 Intel 4004, первый коммерчески доступный микропроцессор.

Что такое микропроцессор? (с изображением)

Микропроцессоры — это просто компьютерный процессор, который был сконфигурирован в конструкцию и функционирование микрочипа. Этот небольшой компонент, который иногда называют логической микросхемой, работает как средство выполнения команды для запуска компьютера. В рамках этого процесса микропроцессор инициирует активацию всех компонентов, необходимых для использования компьютера, например, пробуждает операционную систему.

Микропроцессор компьютера активирует операционную систему и выполняет вычисления, которые поддерживают ее работу.

Все основные функции этого процессора основаны на присущей ему способности реагировать на математические и логические операции и генерировать их. Это стало возможным благодаря использованию регистров, в которых хранятся все данные, необходимые для выполнения таких основных функций, как сложение и вычитание. Конфигурация регистров также позволяет микропроцессору обрабатывать такие задачи, как сравнение двух разных чисел и получение чисел из различных областей и их перераспределение.

В основе дизайна лежит серия логических инструкций, которые регулируют порядок получения и выполнения задач. Наличие инструкций гарантирует, что задачи выполняются в последовательности, которая переходит от завершения одной задачи к логическому запуску следующей задачи в последовательности.Например, когда конечный пользователь загружает компьютер, первая инструкция, которая будет выполнена, — это активация BIOS или базовой системы ввода / вывода. С этого момента BIOS загрузит операционную систему в активную память и перейдет к следующей задаче в начальном процессе. Каждая последующая задача будет достигнута после завершения предыдущей.

Как правило, микропроцессор — это компонент, который остается эффективным и производительным в течение всего срока службы компьютера.Однако функциональность микросхемы может быть каким-либо образом повреждена, и когда это происходит, для компьютерного техника обычно несложно заменить поврежденный чип на полностью работающий.

Микропроцессор, типы и категории микропроцессора, процессор Pentium

Intel 4004 был 4-битным процессором, который имел скорость 740 кГц.
В 1976 , 16-битный процессор 8086 был представлен со скоростью 5 МГц .
В 1993 был представлен процессор Pentium, который имел скорость 60 МГц .

Затем Pentium II , который имеет скорость 233 МГц, и Pentium III , который имеет скорость 450 МГц, , и
Pentium 4 , который имеет скорость 1.3 ГГц .

Затем процессор Celeron , который имеет частоту 266 МГц .
В 2003 Intel представила Pentium M .
Pentium M медленнее, 900 МГц , так что потребление энергии снижается, а батарея ноутбука работает дольше.
В 2006 Intel представила процессор Core со скоростью 1,6 ГГц . Он имеет более одного ядра, как в случае Core Duo (который имеет два ядра), и имеет возможность виртуализации, которая позволяет запускать несколько копий операционной системы на одном компьютере.

Процессор : Intel Core i3
Производство : 2010 — настоящее время
Тактовая частота : 1,2 ГГц — 3,7 ГГц
Количество ядер : 2 / w гиперпоточность
Кэш L1 : 64 КБ на ядро
Кэш L2 : 256 КиБ
Кэш L3 : 3 МиБ — 4 МиБ

Процессор : Intel Core i5
Производство : 2009 – настоящее время
Тактовая частота : 1,06 ГГц — 4,2 ГГц
Количество ядер : 2 / w гиперпоточность, 4
Кэш L1 : 64 КБ на ядро
Кэш L2 : 256 КиБ
Кэш L3 : 4 МиБ — 8 МиБ

Процессор : Intel Core i7
Производство : 2011 – настоящее время
Тактовая частота : 1.6 ГГц — 4,4 ГГц
Количество ядер : 4, гиперпоточность 4 / w, 8
Кэш L1 : 64 КБ на ядро
Кэш L2 : 4 × 256 КБ
Кэш L3 : 6 МиБ — 10 MiB

Процессор : Intel Core i9
Производство : 2018 — настоящее время
Тактовая частота : 3,0 ГГц — 4,0 ГГц
Количество ядер : 6-8
Кэш L1 : 512 КБ
Кэш второго уровня : 2 МиБ
Кэш L3 : 16 МиБ

Хотя Intel является ведущей компанией по производству процессоров, есть и другие компании, такие как AMD , которые тоже производят процессоры.В 1991 году AMD выпустила процессор Am386 и его скорость 40 МГц . Он совместим с процессором Intel 386 .

В 1999 г. AMD представила процессор Athlon , который имеет скорость 500 МГц . Athlon был законным конкурентом Intel Pentium III, потому что он был быстрее. Собственно говоря, AMD Athlon был первым процессором, достигшим частоты 1 ГГц.