Содержание Введение 2 Микрокомпьютеры и их применение 4 Микропроцессоры и их применение 8 Характеристики микропроцессоров 11 Архитектура микропроцессоров 13 Сравнение микропроцессоров Intel Core i7-930 и AMD Phenom II X6 1055T 15 Заключение 19 Список литературы 21
Введение
Процесс эволюции микроэлектроники, который привел к созданию современных микрокомпьютеров, можно разделить на два периода: уменьшения размеров и расширения возможностей. В течение первого периода (40 - 70-е гг.) по мере совершенствования технологии компонентов компьютеры становились все меньше и меньше. Кульминацией этого периода стало появление компьютера (хотя и примитивного по стандартам 1970 г.), размеры которого были не больше почтовой марки. В период расширения возможностей (с 1970 г. по настоящее время) крошечные компьютеры превратились в столь же мощные образования, как и их крупные предшественники. В 50-х гг. все электронные устройства, от радиоприемников и телевизоров до компьютеров, были построены на громоздких электронных лампах. Компьютеры этого периода иногда называют ЭВМ первого поколения, а примерами их служат модели 650 и 704 фирмы IBM. Эти компьютеры устанавливались в больших помещениях и состояли из нескольких стоек с электронным оборудованием. К концу 50-х гг. электронные лампы начали заменять транзисторами и другими твердотельными приборами. Компьютеры, выполненные по новой технологии, стали называть ЭВМ второго поколения (примерами их служат системы машины 7090 фирмы IBM и В5500 фирмы Burroughs). В 60-х гг. дискретные электронные элементы (транзисторы, резисторы и др.) были объединены в более сложные электронные компоненты, названные интегральными схемами. Интегральная схема изготавливается на кремниевой пластинке, размеры которой меньше размеров почтовой марки. Пластинка монтируется в корпусе со многими выводами ("сороконожка"), которые можно встроить в систему. Такая интегральная схема называется чипом (кристаллом). Компьютеры, построенные на интегральных схемах, относятся к ЭВМ третьего поколения (системы IBM 360, GE 635 и Burroughs 6700). Технология интегральных схем продолжала совершенствоваться, и в начале 70-х гг. многие компоненты ЭВМ удалось разместить в одной микросхеме (микропроцессоры 4004 и 8008 фирмы Intel). Появился термин компьютер на кристалле. Компьютеры на кристалле называются микрокомпьютерами и микропроцессорами. Хотя этим терминам иногда придается одинаковый смысл, между ними имеется различие. Микропроцессор - это одна микросхема, содержащая схемы управления и арифметические устройства компьютера, но в ней нет памяти и устройств ввода-вывода. Микрокомпьютер - это законченная система, содержащая микропроцессор, микросхемы памяти и устройства ввода-вывода. Иногда вся система реализуется на одном кристалле (микросхема 8048 фирмы Intel), и тогда получается однокристальный микрокомпьютер.
Микрокомпьютеры и их применение
Микрокомпьютер - настольный или портативный компьютер, который использует микропроцессор в качестве единственного центрального процессора, выполняющего все логические и арифметические операции. Микрокомпьютеры относят к вычислительным машинам четвертого и пятого поколения. Помимо ноутбуков, к переносным микрокомпьютерам относят и карманные компьютеры — палмтопы. Основными признаками микрокомпьютеров являются шинная организация системы, высокая стандартизация аппаратных и программных средств, ориентация на широкий круг потребителей. Микрокомпьютеры появились в 1970-х годах и были предназначены для ведения делопроизводства в офисах, для бухгалтерий небольших предприятий, для домашних развлечений. Изначально микрокомпьютеры ориентировались на однопользовательский режим работы, поэтому их называют персональными компьютерами. От больших вычислительных систем — мейнфреймов и миникомпьютеров — микрокомпьютеры отличались существенно меньшей производительностью. Первые микрокомпьютеры могли обрабатывать только 4 бит информации в секунду. Лишь позднее появились 8-битные, 16-битные, 32-битные, 64-битные микрокомпьютеры. За двадцать лет развития персональные компьютеры превратились в мощные высокопроизводительные устройства по обработке самых различных видов информации, которые качественно расширили сферу применения вычислительных машин. Мощность микрокомпьютера позволяет использовать его в качестве сервера для организации работы многих персональных компьютеров в сети. Микрокомпьютеры бывают следующих видов: 1. Стационарные (настольные) микрокомпьютеры в большинстве случаев состоят из отдельного системного блока, в котором размещаются внутренние устройства и узлы, а также из отдельных внешних устройств (монитор, клавиатура, манипулятор-мышь), без которых немыслимо использование современных компьютеров. При необходимости к системному блоку микрокомпьютера могут подсоединяться дополнительные внешние устройства (принтер, сканер, акустические системы, джойстик). 2. Портативные персональные компьютеры обычно известны в блокнотном (ноутбук) исполнении. В ноутбуке все внешние и внутренние устройства соединены в одном корпусе. Так же как и к стационарному микрокомпьютеру, к ноутбуку могут быть подсоединены дополнительные внешние устройства. 3. Отдельным видом микрокомпьютера считаются карманные компьютеры (электронные органайзеры, или палмтопы), небольшие устройства весом до 500 граммов и умещающиеся на кисти одной руки. В карманных компьютерах нет ни жесткого диска, ни дисководов. Некоторые из них имеют миниатюрную клавиатуру, но есть модели и без клавиатуры — управление их работой осуществляется нажатиями или рисованием специальным пером прямо по экрану. Наиболее распространены карманные компьютеры фирм Эпл (Apple), Хьюлетт-Паккард (Hewlett-Packard), Сони (Sony), Псион (Psion). 4. Как отдельный вид микрокомпьютера иногда выделяют рабочие станции. В настоящее время рабочими станциями называют офисные персональные микрокомпьютеры, используемые для интенсивных вычислений. Обычно это работа с профессиональными научными и инженерными прикладными программами, разработка программного обеспечения. Существуют специализированные графические рабочие станции для работы с трехмерной графикой. В настоящее время существует целый ряд закономерностей развития вычислительной техники, которые позволяют предвидеть и предсказывать основные результаты этого движения. При этом еще академик В.М. Глушков указывал, что существует три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ. Первое направление является традиционным – применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Это задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника и др. Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Первая, а затем и последующие вычислительные машины классической структуры в первую очередь создавались для автоматизации вычислений. Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она родилась примерно в 60-е годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменение их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки. Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы ЭВМ, сделало их многопрограммными и многопользовательскими. Для исключения взаимных помех между программами пользователя в структуру машин были введены средства разграничения: блоки прерывания и приоритетов, блоки защиты и т.п. Для управления разнообразной периферией стали использоваться специальные процессоры ввода-вывода данных или каналы. Именно тогда и появился дисплей как средство оперативного человеко-машинного взаимодействия пользователя с ЭВМ. Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Примеры подобных задач: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д.
Микропроцессоры и их применение
Микропроцессоры незаменимы в современной технике. Например, управление двигателем - обеспечение экономии расхода топлива, ограничение максимальной скорости движения, контроль исправности и т. д. - немыслимо без использования микропроцессоров. Еще одной перспективной сферой их использования является бытовая техника - применение микропроцессоров придает ей новые потребительские качества. Из многочисленных и разнообразных областей применения микропроцессоров (МП) и микроЭВМ одно из первых мест по объему и использованию занимают микропроцессорные системы – объектно-ориентированные вычислительные системы, например, для управления, диагностики, цифровой обработки сигналов и изображения. В микропроцессорных системах особенно эффективно проявляется такое важное свойство микропроцессоров, как встраиваемость, возможность приблизить вычислительную технику непосредственно к объекту измерений, управления, обработки информации или диагностики. Основные задачи, которые могут решаться с помощью микропроцессорных систем, следующие: - управление сложным технологическим процессом или техническим объектом по заданным алгоритмам; - цифровая обработка сигналов непосредственно на месте расположения источника сигналов; - обработка изображения – фильтрация, повышение четкости, выделение контуров, масштабирование и т.п. в системах технического зрения в промышленных роботах, в системах радиолокации, в системах наблюдения, навигации и т.п; - адаптация автоматических систем измерения, управления, прогнозирования к изменяющимся условиям; - создание гибких перестраиваемых систем управления, цифровой обработки сигналов и изображения; - накопление и предварительная обработка информации; - создание многофункциональных приборов, расширение возможностей существующих приборов; - создание «интеллектуальных» приборов и систем, повышение уровня интеллекта существующих приборов и аппаратов; - осуществление самодиагностики и тестирования аппаратуры. Возможность реализации этих функций в микропроцессорных системах в совокупности с достижениями электроники и средств связи, развитием математических методов обработки сигналов при измерениях и разработкой соответствующего программного обеспечения создала необходимые предпосылки для появления новых поколений микропроцессорных систем и аппаратуры, обладающих следующими возможностями: - полной автоматизацией всех видов обработки информации, объединением и координацией всех предусмотренных системой функций; - наращиванием состава системы и расширением ее функций благодаря магистрально-модульной структуре построения и развитию программного обеспечения; - разнообразием алгоритмов и методов измерений; - децентрализацией выполняемых задач по функциональному, организационному и территориальному признакам, наличием средств искусственного интеллекта, возможности обучения системы, ее адаптации и оптимизации; - высокой надежностью и функциональной безотказностью благодаря средствам самодиагностики и тестирования, а также гибкости управления системой; - возможностью сопряжения с другими вычислительными системами.
Для практической реализации вышеперечисленных задач необходимо комплексное решение научных, технических и технологических вопросов, связанных с созданием и развитием аппаратных и программных средств, методов математического моделирования сложных процессов и технических объектов, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), интерфейсных БИС и других электронных компонентов, с использованием современных средств связи и, наконец, с подготовкой кадров, способных грамотно решать поставленные задачи.
Характеристики микропроцессоров
Основными характеристиками микропроцессора являются: 1) тактовая частота Тактовая частота — частота синхронизирующих импульсов синхронной электронной схемы, то есть количество синхронизирующих тактов, поступающих извне на вход схемы за секунду. В самом первом приближении тактовая частота характеризует производительность подсистемы (процессора, памяти и пр.), то есть количество выполняемых операций в секунду. 2) разрядность Разрядностью электронного устройства или шины называется количество разрядов (битов), одновременно обрабатываемых этим устройством или передаваемых этой шиной. Разрядность микропроцессора обозначается m / n / k / и включает: m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров; n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации; k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, микропроцессор i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20; 2) архитектура Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры. Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали. Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
Архитектура микропроцессоров
В процессе многолетнего развития произошла дифференциация микропроцессоров по функционально-структурным особенностям и областям применения. В настоящее время имеются следующие основные классы микропроцессоров: - Универсальные микропроцессоры с CISC - архитектурой; - Универсальные микропроцессоры с RISC - архитектурой; - Специализированные микропроцессоры (сигнальные и др.). CISC (англ. сomplete instruction set computing, или англ. complete instruction set computer — компьютер с полным набором команд) — концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств: - нефиксированное значение длины команды; - арифметические действия кодируются в одной команде; - небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию. Недостатки CISC архитектуры: - высокая стоимость аппаратной части; - сложности с распараллеливанием вычислений. Универсальные микропроцессоры с CISC применяются главным образом в персональных компьютерах и серверах. Лидером в этой области является фирма Intel, которой комплектуется более 80% выпускаемых персональных компьютеров. Микропроцессоры семейства M68000 фирмы Motorola используется в персональных компьютерах типа Macintosh, составляющих около 10% мирового производства. Микропроцессоры этого семейства широко используются в устройствах управления, встраиваются в различные приборы и системы. RISC (англ. Restricted (reduced) instruction set computer — компьютер с упрощённым набором команд) — архитектура процессора, в которой быстродействие увеличивается за счёт упрощения команд, чтобы их декодирование было проще, а время выполнения — короче. Первые RISC-процессоры даже не имели команд умножения и деления. Это также облегчает повышение тактовой частоты и делает более эффективной суперскалярность (распараллеливание команд между несколькими исполнительными блоками). Универсальные микропроцессоры с RISC – архитектурой применяются в основном в рабочих станциях и мощных серверах. В этой области имеются несколько ведущих производителей. Широкое применение находят RISC-микропроцессоры семейств SPARC фирмы Sun Microsystems и Rx000 фирмы MIPS Computer Systems. За последние годы очень активно внедряются в различную аппаратуру RISC-микропроцессоры семейства PowerPC – совместная разработка фирм IBM, Motorola, Apple Computers. Среди фирм, выпускающих RISC-микропроцессоры, находятся также Intel, Hewlett-Packard, Digital Equipment. Необходимо также отметить транспьютеры – оригинальные RISC-микропроцессоры, разработанные фирмой Inmos для построения мультипроцессорных систем. В классе специализированных микропроцессоров в настоящее время наиболее широко представлены DSP (Digital Signal Processor – процессор цифровой обработки сигналов), основными производителями которых являются фирмы Texas Instruments, Analog Devices, Motorola, NEC.
Сравнение микропроцессоров Intel Core i7-930 и AMD Phenom II X6 1055T
На сегодняшний день наиболее часто сравниваемые компании-производители микропроцессоров – это AMD и Intel. Intel — крупнейший в мире производитель микропроцессоров, занимающий на 2008 год 75 % этого рынка. Основные покупатели продукции компании — производители персональных компьютеров Dell и Hewlett-Packard. Помимо микропроцессоров, Intel выпускает полупроводниковые компоненты для промышленного и сетевого оборудования. Advanced Micro Devices, Inc. (AMD) — американский производитель интегральной электроники. Второй по величине производитель x86 и x64-совместимых процессоров, а также крупнейший поставщик графических процессоров (после приобретения ATI Technologies в 2006 году), чипсетов для материнских плат и флеш-памяти. Доля AMD на рынке микропроцессоров на протяжении всей её истории была значительно меньше доли Intel. По итогам 2009 года доля AMD составила около 20 % от общемирового производства. Продукция вендора всегда отличалась привлекательным соотношением производительность/цена при достачно демократичной розничной стоимости, в результате в период кризиса компания уверенно удерживала свою долю рынка. Для сравнения возьмём микропроцессоры Intel Core i7-930 и AMD Phenom II X6 1055T, запущенные в 2010 году. Ниже представлена таблица сравнения их основных технических характеристик.
Таблица 1 – Сравнение процессоров Intel Core i7-930 и AMD Phenom II X6 1055T Свойство Intel Core i7-930 AMD Phenom II X6 1055T Дата выхода на рынок 2010 г. 2010 г. Кодовое название Core i7 Thuban Сокет LGA1366 AM3 Количество ядер 4 6 Тактовая частота 2.8 ГГц 2.8 ГГц Макс. Turbo-частота 3.06 ГГц 3.3 ГГц QPI/DMI/HyperTransport 4.8 GT/s 4000 GT/s Кэш L2 256 Кб (x4) 3 Мб (6 x 512 Кб) Кэш L3 8 Мб 6 Мб Поддержка памяти DDR3 DDR2, DDR3 Количество каналов памяти 3 2 Энергопотребление (TDP) 130 Вт 95 Вт Цена 211$ - 268$ 155$ - 171$
Процессор AMD Phenom II X6 обладает вполне приемлемым уровнем энергопотребления, достигнутым за счёт подстройки 45-нм технологического процесса и снижения напряжения питания процессорного ядра. В-третьих, несмотря на увеличение количества ядер, разгонный потенциал новых процессоров отнюдь не ухудшился – они свободно выходят на 4-гигагерцовый рубеж. В-четвёртых, в Phenom II X6 производитель внедрил технологию Turbo CORE, поднимающую быстродействие при слабо распараллеливаемой нагрузке. Но по-настоящему привлекательным решением Phenom II X6 делает ценовая политика, в построении которой AMD особенно поднаторела в последнее время. Официальная стоимость Phenom II X6 1090T установлена равной 300 долларам, а цена младшей модели, Phenom II X6 1055T, — 200 долларам. Это значит, что шестиядерные процессоры AMD попадают в среднюю ценовую категорию и являются единственными в своём роде доступными по стоимости многоядерными процессорами. Именно этот фактор и будет, по всей видимости, обеспечивать их популярность у покупателей. Тем более что шесть процессорных ядер, как показали тесты, могут быть очень полезны при работе с видеоконтентом, а такой род деятельности с каждым днём становится всё более популярным. Впрочем, и во многих других приложениях шесть ядер Phenom II X6 могут оказаться небесполезны. Шестиядерные процессоры подняли планку быстродействия Socket AM3 систем, и теперь они вполне могут соперничать по скорости с платформами, основанными на старших процессорах Core i5, обладающих четырьмя ядрами. Однако, к сожалению, шестиядерные Phenom II X6 оказываются всё же медленнее четырёхъядерных процессоров Core i7, поддерживающих технологию Hyper-Threading. 4-ядерные процессоры Intel Core i7 показывают во многих тестах рекордную производительность, добиваться которой позволяет использование фирменных процессорных технологий Intel: Intel Turbo Boost – при необходимости позволяет работающим ядрам повышать тактовую частоту (с шагом 133 МГц) до максимально возможной по тепловой защите. Неиспользуемые ядра могут программно переводиться в режим нулевого энергопотребления. Технология Intel Smart Cache обеспечивает высокую производительность и эффективность кэш-памяти, оптимизирована для самых современных многопоточных игр. Технология Intel QuickPath Interconnect разработана для повышения пропускной способности и снижения задержек в процессе обмена. С процессорами Extreme Edition она позволяет достигнуть суммарных скоростей передачи данных до 25,6 ГБ/с. Технология Intel HD Boost значительно повышает производительность в мультимедийных задачах. Команды из наборов дополнительных инструкций выполняются за один тактовый цикл, позволяя достичь нового уровня эффективности с приложениями, оптимизированными для набора команд SSE4.
Заключение
Микропроцессорные системы сегодня стремительно развиваются и внедряются во многие сферы жизни человека. Наиболее широко они применяются в персональных компьютерах, которые обеспечивают основную часть обработки информации и предоставляют ресурсы для этого процесса. Если сравнивать производителей-гигантов микропроцессоров (AMD и Intel) и выбирать из их продуктов, выбор будет сложным, однако можно следовать следующим соображениям. С точки зрения экономичности компания AMD гораздо предпочтительнее как по параметру производительности процессора на доллар, так и с точки зрения более экономичного конфигурирования всей системы в целом. Так, AMD, как правило, ориентируется на более дешевые типы памяти, и архитектура ее процессоров позволяет так делать, получая при этом максимальную производительность. Intel, наоборот, часто неоправданно рано форсирует переход на новые типы памяти, когда они еще слишком дороги и имеют плохие тайминги. В случае Intel ни про какую экономичность ПК речи быть не может, тогда как реальная экономичность платформ AMD в сочетании с ориентацией компании на длительное использование ее продуктов дают экономическое преимущество в разы по сравнению с Intel. С точки зрения надежности и долговечности AMD изначально разрабатывает свои продукты исходя из длительных сроков эксплуатации, что в сочетании со в среднем облегченным режимом работы процессорозависимых компонентов ПК на платформе AMD делает ее продукцию вне всякой конкуренции гораздо более надежной и долговечной. В то же время Intel, напротив, создает все условия для работы ПК в перегруженном режиме. Так, невозможность существенной модернизации ПК более производительным процессором Intel сочетает с большими возможностями разгона. Это толкает пользователей на использование нештатных режимов работы компонентов ПК, в которых их исправность не гарантируется, а в долгосрочном плане и вовсе невозможна. Относительно модернизируемости: средний размах производительности платформ Intel составляет меньше 100% и примерно равен среднему разбросу производительности процессоров, выходящих на рынок в течение 1-го года. Другими словами, тот процессор, которым можно будет впоследствии модернизировать ПК, доступен на рынке уже в момент покупки ПК, имеет несущественный потенциал увеличения производительности, и можно не мечтать о том, что в будущем Intel выпустит что-то для этой платформы. Буквально через год выйдет новая платформа Intel. Если учесть, что пользователи редко покупают ПК с самым младшим процессором линейки, а скорее где-то ближе к ее середине, то реальный потенциал для модернизации практически отсутствует и не оправдывает вложения времени и денег. ПК на платформе Intel практически не модернизируемые и производителем не обновляемые. Выбор лучше всего делать в зависимости от потребностей пользователя и с учётом соотношения цены/производительности микропроцессора.
