Курсовая работа: Современные микропроцессоры

Развитие персональных компьютеров в мире повлекло за собой и развитие микропроцессоров. Тенденции развития современных технологий изготовления процессоров и их применения с каждым годом набирают все большие обороты. Применяются новые нано-технологии, увеличивается число ядер на одном кристалле, растет разрядность процессоров, увеличивается кэш память всех уровней, применяются новые наборы инструкций и многое другое. Именно поэтому эта тема на сегодняшний день считается наиболее актуальной для рассмотрения в данной курсовой работе. Целью моей работы является изучения устройство микропроцессоров, узнать его технологии изготовления и рассмотреть виды современных микропроцессоров. Объектом изучения является микропроцессор и его основные функции. Предметом изучения является виды современных микропроцессоров.

В основе любой ЭВМ лежит использование микропроцессоров. Это самое важное устройство любого компьютера. Именно от него зависит уровень производительности любого компьютера, и не только персонального. Микропроцессоры окружают человека везде. Любая электроника в современном обществе снабжена своим микропроцессором.

Задачей моей курсовой работы является:

1. Проанализировать тенденции развития современных микропроцессоров.

2. Выявить их значимость для общества.

3. Попытаться сделать приблизительные прогнозы об их будущем развитии.

Определение микропроцессора

Микропроцессор - центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода — вывода, подготовки данных и др.). В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называют многопроцессорными. Наличие нескольких процессоров ускоряет выполнение одной большой или нескольких (в том числе взаимосвязанных) программ. Основными характеристиками микропроцессора являются быстродействие и разрядность. Быстродействие - это число выполняемых операций в секунду. Разрядность характеризует объём информации, который микропроцессор обрабатывает за одну операцию: 8-разрядный процессор за одну операцию обрабатывает 8 бит информации, 32-разрядный - 32 бита, 64-разрядный – 64 бита. Скорость работы микропроцессора во многом определяет быстродействие компьютера. Он выполняет всю обработку данных, поступающих в компьютер и хранящихся в его памяти, под управлением программы, также хранящейся в памяти. Персональные компьютеры оснащают центральными процессорами различных мощностей.

Функции процессора:

· обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

· программное управление работой устройств компьютера.

Модели процессоров включают следующие совместно работающие устройства:

· Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.

· Арифметико-логическое устройство (АЛУ) . Так называется устройство для целочисленных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции (OR, AND, ASL, ROL и др.) обрабатываются при помощи АЛУ. Эти операции составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах - специально отведенных ячейках АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно исполнять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройствовыполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: "Да" и "Нет" ("1" и "0"). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

· AGU (Address Generation Unit) - устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Абсолютная адресация в программах используется только в редких исключениях. Как только берутся массивы данных, в программном коде используется косвенная адресация, заставляющая работать AGU.

· Математический сопроцессор ( FPU ). Процессор может содержать несколько математических сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо от того, что делают другие АЛУ. Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высокоточные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, ускоряющих вычисления. Сопроцессор работает параллельно с центральным процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Система выполняет команды сопроцессора в том порядке, в котором они появляются в потоке. Математический сопроцессор персонального компьютера IBM PC позволяет ему выполнять скоростные арифметические и логарифмические операции, а также тригонометрические функции с высокой точностью.

· Дешифратор инструкций (команд) . Анализирует инструкции в целях выделения операндов и адресов, по которым размещаются результаты. Затем следует сообщение другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств.

· Кэш-память . Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить копии этих инструкций в своей локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале. Для хранения этих инструкций необходим совсем небольшой объём памяти. Если инструкции в процессор поступают достаточно быстро, то микропроцессор не будет тратить время на ожидание. Таким образом экономиться время на выполнение инструкций. Но для самых быстродействующих микропроцессоров этого недостаточно. Решение данной проблемы заключается в улучшении организации памяти. Память внутри микропроцессора может работать со скоростью самого процесс

1. Кэш первого уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных циклов.

2. Кэш второго уровня ( L 2 cache ). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня.

3. Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно менее быстродействующая.

Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производительных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной кэш-памяти повыситься только на 10-15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых операций, однако ее увеличение вовсе не обязательно принесет увеличение общей производительности работы процессора. Все зависит от того, насколько приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а также от того, помещаются ли различные сегменты программы в кэш целиком или кусками.

Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора при операции чтения из памяти, но в ней также могут храниться значения, записываемые процессором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.

· Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств - получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными (т.е. осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то и другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью.

Типы шин:

1. Шина данных. Служит для пересылки данных между процессором и памятью или процессором и устройствами ввода-вывода. Эти данные могут представлять собой как команды микропроцессора, так и информацию, которую он посылает в порты ввода-вывода или принимает оттуда.

2. Шина адресов. Используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.

3. Шина управления. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

· BTB (Branch Target Buffer) - буферцелейветвления. В этой таблице находятся все адреса, куда будет или может быть сделан переход. Процессоры Athlon еще используют таблицу истории ветвлений (BHT - Branch History Table), которая содержит адреса, по которым уже осуществлялись ветвления.

· Регистры - это внутренняя память процессора. Представляют собой ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, а также внутренние носители информации микропроцессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд ). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

1. сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции.

2. счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти.

3. регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

История развития современных микропроцессоров

История развития Современных микропроцессоров начинается с изобретения транзистора в 1948 г, который вытеснил электронные лампы. Сам по себе транзистор умеет очень немного: либо пропускать через себя ток, либо перекрывать ему дорогу дальше по цепи. Достигается это благодаря использованию особых материалов – «полупроводников». Один транзистор мог заменить 40 электронных ламп. В 1955 г. фирма Bell Laboratories создала первый транзисторный компьютер второго поколения. 1960 г. Компания DEC выпустила по тем временам «мини»-компьютер, который вмещался в небольшой комнате- PDP-1.Но эволюция на этом не остановилась и к 60-ым годам научились выпускать интегральные схемы. Первые из них содержали всего 6 транзисторов, позднее их число стало расти в геометрической прогрессии. В настоящее время число транзисторов на интегральной микросхеме зашкаливает за несколько десятков миллионов.

Начало 70-х годов ознаменовалось рождением нового и, как оказалось, весьма перспективного и беспрецедентного по своим последствиям направления в развитии вычислительной техники – в 1971 г. был выпущен первый в мире микропроцессор. Это был однокристальный микропроцессор, получивший название 4004 (4-разрядная шина данных и 16-контактный корпус). Процессор Intel 4004 стал технологическим триумфом корпорации: устройство размером с палец, стоило 200 долларов, и было сравнимо по своей вычислительной мощи с первой ЭВМ ENIAC, созданной в 1946 г., и занимавшей пространство объемом в 85 куб. метров. Новая технология, практически сразу, легла в основу создания программируемых калькуляторов с огромным, по тем временам (от 4-х до 64-х килобайт) объемом оперативной памяти, способных обрабатывать массивы данных. Изначально процессор 4004 предназначался для Японской компании Busicom. Но из-за финансовых трудностей японцы отказались от проекта, и разработка перешла в руки Intel. Появление микропроцессора изменило весь рынок микроэлектроники, а именно появлению тех самых компьютеров, на каких мы работаем сегодня.

Как это не было бы парадоксально, но сразу после появления процессора 4004 Intel утратила лидерство на рынке. Прежде всего это компании ZILOG и MOTOROLA – были лидерами процессорного рынка в 70-х годах. Но Intel создала совершенно новый процессор, который стал прототипом современных процессоров персональных компьютеров. Это был восьмиразрядный процессор i8008 (1972 год). i8080 являлся основой первого в мире персонального компьютера Altair. Все процессоры х86 - это дальние потомки i8080. Несмотря на свое огромное значение и большой объем продаж, на рынке этот процессор потеснил более удачный Zilog-80, который, в свою очередь, был обязан такой популярностью i8080. Процессор Z-80 создала группа инженеров, ранее работавших в Intel и участвовавших в разработке i8080.

В 80-х годах Intel открыла эру высокопроизводительного настольного компьютерного оборудования. В 1982 г. вышел современнейший, по тем временам, микропроцессор i286, который уже тогда, кроме неслыханной производительности, имел, в зачаточном виде, возможности по обеспечению многозадачного режима и защищенного режима (Protected Mode). Также он поддерживал обращение к расширяемой (EMS) памяти, объемом до 8 MB. В 1985 г. появился микропроцессор i386. Процессор i386 имел не только завершенную систему поддержки многозадачного режима, механизм защиты сегментов, но и мог оперировать оперативной памятью объемом до 64MB

Улучшение технологии производства микропроцессоров позволило значительно повысить их тактовую частоту. Каждое новое поколение процессоров имеет более низкое напряжение питания и меньшие токи, что способствует уменьшению выделяемого ими тепла. Но самым главным достижением является то, что при уменьшении нормы технологического процесса можно значительно увеличить количество транзисторов на одном кристалле. Большее количество транзисторов, входящих в состав процессора, позволяет усовершенствовать архитектуру процессора с целью достижения еще большей производительности. Даже разрядность процессоров очень быстро увеличилась с 4 в первом процессоре до 32 в процессоре i386.

Значительной вехой в истории развития архитектуры процессоров персональных компьютеров (очередная революция) стало появление процессора i486. Производственный техпроцесс к тому времени достиг отметки в 1 мкм, благодаря чему удалось расположить в ядре процессора 1,5 млн. транзисторов, что было почти в 6 раз больше, чем у CPU предыдущего 386-го поколения. Он был в 1500 раза быстрее своего "прапрадедушки" i4004. В архитектуре процессора персонального компьютера впервые появился конвейер на пять стадий. Конвейерные вычисления были, конечно, известны задолго до появления персональных компьютеров, но высокая степень интеграции теперь позволила применить этот эффективный способ вычислений и в персональном компьютере. На одном кристалле Intel разместила и собственно процессор, и математический сопроцессор, и кэш-память L1, которые до этого располагались в отдельных микросхемах. Эта революция произошла спустя 20 лет после появления первого микропроцессора, в октябре 1989 года. 486-й микропроцессор обладал достаточным для того времени быстродействием. Тактовая частота процессора даже превысила тактовую частоту системной шины.

С момента выпуска 486-го процессора технологический процесс производства микропроцессоров начал развиваться бурными темпами. В 90-х годах началась «эра» Pentium. Практически каждый год компания Intel выпускала все более и более совершенные микропроцессоры. Процессор Pentium совершил переворот в компьютерной индустрии персональных компьютеров. Стоимость микропроцессоров стала падать, а значит ПК стал более доступным всем слоям населения. Компьютер стал по-настоящему персональным. Это значит ориентирован на обычного пользователя, не владеющего глубокими знаниями в этой области.

При таком стремительном прогрессе микропроцессорной и компьютерной индустрии вполне возможно, что к 2011 г. микропроцессоры будут работать на тактовой частоте до 10 ГГц. При этом число транзисторов на каждом процессоре достигнет 1 миллиарда, а вычислительная мощность - 100 миллиардов операций в секунду.

Структура рынка современных микропроцессоров

Доминирующее положение на рынке универсальных микропроцессоров занимают микропроцессоры с системой команд х86. основными производителями которых являются компании Intel, AMD и VIA. Ежегодный рост выпуска таких микропроцессоров составляет 10—15%. Доля остальных микропроцессоров с RISC-архитектурой составляет около 20 % рынка.

В настоящее время производятся и используются вычислительные системы на базе микропроцессоров следующих архитектур.(таблица 1)

Таблица 1. Наиболее распространенные микропроцессорные архитектуры.

Микропроцессорная архитектура	Компания-разработчик
X86	Intel, AMD, Cyrix, IDT, Transmeta
La-64	Intel
Power-PC	Motorola, IBM, Apple
Power	IBM
PA	Hewlett-Packard
Alpha	Hewlett-Packard(DEC)
SPARC	SUN
MIPS	MIPS
MAJC	SUN

Исторически микропроцессоры с архитектурой х86 доминировали в персональных ЭВМ, а RISC-процессоры использовались в рабочих станциях, высокопроизводительных серверах и суперкомпьютерах. В настоящее время процессоры с архитектурой х86 несколько потеснили RISC-процессоры в их традиционных областях применения, в то же время, некоторые производители рабочих станций, например SUN, пытаются выйти со своими процессорами на рынок персональных ЭВМ.

На сегодняшний день основные производители микропроцессоров обладают примерно равными технологическими возможностями, поэтому в "борьбе за скорость" на первое место выходит фактор архитектуры. Архитектура микропроцессоров на протяжении ряда лет развивается по двум магистральным направлениям. В рамках каждого направления в той или иной степени используются ранее рассмотренные архитектурные приемы повышения производительности, но имеются и собственные приоритеты.

Первое направление получило условное название SpeedDaemon. Оно характеризуется стремлением к достижению высокой производительности главным образом за счет высокой тактовой частоты при упрошенной внутренней структурной организации микропроцессора.

Второе направление — Drainiac — связано с достижением высокой производительности за счет усложнения логики планирования вычислений и внутренней структуры процессора. Каждое из направлений имеет собственных противников и сторонников и, по-видимому, право на существование.

Компании — производители RISC-процессоров создали и активно развивают свои микропроцессорные архитектуры, обеспечивая обратную программную совместимость между поколениями микропроцессоров одного семейства при уменьшении технологических норм производства и увеличении -производительности.

Общей особенностью большинства RISC-микропроцессоров является высокоскоростная обработка 64-разрялных операндов с фиксированной и плавающей точкой. Построение функциональных узлов таких микропроцессоров требует сложных схемотехнических решений, что обусловливает использование большого числа транзисторов в логических схемах процессора и большого числа; слоев металлизации для осуществления межсоединений.

В поисках способов достижения максимальной производительности разработчики микропроцессоров с RISC-архитектурой все чаше позволяют себе отходить от ее канонических принципов. В то же время, в микропроцессора CISC-архитектуры, яркими представителями которых является семейство х8б, внедряются решении, наработанные при создании RISC-процессоров.

В этой главе, на примерах микропроцессоров различных компаний-производителей, будут рассмотрены основные архитектурно-технические решения, используемые в настоящее время при создании микропроцессоров.

Современные процессоры INTEL

Компания Intel является одной из передовых в производстве современных микропроцессоров. Компанию основали Роберт Нойс и Гордон Мур в 1968 году Intel переводится с английского «интегральная электроника». Бизнес-план компании был распечатан на печатной машинке Робертом Нойсом и занимал всего одну страницу. Предоставив его банку новообразовавшаяся компания получила кредит 2, 5 миллионов долларов .

Компания стала успешной в 1971 году, когда Intel начал сотрудничество с японской компанией Busicom. Intel получил заказ на двенадцать специализированных микросхем, но по предложению инженера Тэда Хоффа компания разработала один универсальный микропроцессор Intel 4004. Производительность этого процессора была сравнима с производительностью мощнейших компьютеров того времени. Следующим был разработан Intel 8008.

В 1990-е компания стала крупнейшим производителем домашних персональных компьютеров. Серии процессоров Pentium и Celeron до сих пор являются самыми распространёнными.

Микропроцессор PentiumM

Одним из последних достижений компании Intel, призванным предоставить пользователям новые возможности мобильной работы, стала разработка технологи Centrino. Данная технология предусматривает использование в компьютере новых микропроцессоров PentiumM (на стадии разработки микропроцессор имел кодовое название Banias), нового чипсета Intel 855 и средств доступа к беспроводным сетям передачи данных семейства стандартов 802.11.

Основными чертами систем, построенных по технологии Centrino, являются: низкое энергопотребление, обеспечиваемое "интеллектуальной" системой управления частотой микропроцессорного ядра и напряжением питания - EnhancedSpeedStep, малые массогабаритные характеристики за счет реализации большинства системных функций в высокопроизводительном чипсете, а также расширенные коммуникационные возможности благодаря наличию встроенного контроллера радио-Ethernet.

Микропроцессор PentiumM, являющийся основным элементом технологии Centrino, содержит ряд новых решений, отличающих его от мобильных версий микропроцессоров PentiumIII и Pentium 4. К их числу относятся:

· усовершенствованное прогнозирование ветвлений. В микропроцессоре PentiumM одновременно используются три различных алгоритма предсказания ветвлений, выполняющие анализ условных и безусловных переходов, циклов, а также предыстории выполнения программы. При принятии решения выбираются результаты наиболее точного прогноза;

· объединение микроопераций. Микропроцессор объединяет для одновременного выполнения в различных функциональных блоках несколько микроопераций, являющихся продуктом декодирования CISC-команды. Параллельное выполнение нескольких микроопераций существенно повышает соотношение производительность/энергопотребление;

· усовершенствованное управление стеком. Управление стеком реализовано на уровне микроопераций, что позволило сделать этот процесс менее энергозатратным;

· улучшенная технология управления энергопотреблением EnhancedSpeedStep. В отличие от предыдущей версии этой технологии, поддерживающей два соотношения частота/напряжение питания, в PentiumM предусмотрено большее число соотношений, позволяющих обеспечивать требуемую для выполняемого приложения производительность при минимальном энергопотреблении. Следует отметить также экономию энергии при работе с системной шиной (усилители считывания данных процессора включаются по команде чипсета только на период приема данных) и кэш-памятью (активизируется только тот фрагмент кэша, к которому в данный момент осуществляется обращение).

Микропроцессор содержит блок векторных операций SSE2, раздельную кэш-память команд и данных первого уровня размером 32 Кбайт каждая, общую кэш-память второго уровня размером I Мбайт. Эффективная частота процессорной шины составляет 400 МГц, а частота работы процессорного ядра — от 0,9 до 1,6 ГГц. Мощность, потребляемая микропроцессором для тактовой частоты 1,6 ГГц, составляет 24,5 Вт.

Процессор производится по технологии 0,13 мкм и содержит на кристалле 77 млн транзисторов.

По производительности PentiumM с тактовой частотой 1,7 ГГц сравним с Pentium 4 — 2,5 ГГц. Средняя потребляемая мощность микропроцессора составляет от 1 до 7 Вт, а максимальная — не превышает 25 Вт.

Core 2 Duo

Core 2 Duo - x86-совместимый процессор. Принадлежит семейству процессоров Intel Core 2.

Core 2 Duoи Core 2 Extreme, разработан на основе IntelPentiumM (архитектура PentiumPro), обогащённым лучшими наработками архитектуры NetBurstи рядом совершенно новых технологий:

· Intel Wide Dynamic Execution— технология выполнения большего количества команд за каждый такт, повышающая эффективность выполнения приложений и сокращающая энергопотребление. Каждое ядро процессора может выполнять до четырех инструкций одновременно с помощью 14-стадийного конвейера

· Intel Intelligent Power Capability— технология, с помощью которой для исполнения задач активируется работа отдельных узлов чипа по мере необходимости, что значительно снижает энергопотребление системы в целом

· Intel Advanced Smart Cache— технология использования общей для всех ядер кэш-памяти L2, что снижает общее энергопотребление и повышает производительность, при этом, по мере необходимости, одно из ядер процессора может использовать весь объём кэш-памяти при динамическом отключении другого ядра

· Intel Smart Memory Access— технология оптимизации работы подсистемы памяти, сокращающая время отклика и повышающая пропускную способность подсистемы памяти

· Intel Advanced Digital Media Boost— технология обработки 128-разрядных команд SSE, SSE2 и SSE3, широко используемых в мультимедийных и графических приложениях, за один такт

Все процессоры Core 2 Duo работают с тактовой частотой системной шины (Front Side Bus, FSB) 266 МГц, в то время как большинство моделей Pentium 4 и Pentium D используют 200-МГц шину. За исключением процессоров начального уровня, все модели оснащены 4 Мбайт кэша L2, который используют оба процессорных ядра. Все процессоры поддерживают 64-битные расширения Intel (EM64T), мультимедийные инструкции (SSE2 и SSE3), технологию виртуализации (VT) и бит запрета выполнения (XD). Кроме этих функций, все модели поддерживают последние технологии управления энергопотреблением вроде Thermal Monitor 2 (TM2), Enhanced Halt State (C1E) и Enhanced SpeedStep (EIST).

В настоящее время архитектура этого нового процессора является очень мощной, которая решит проблемы многих пользователей.

Intel Core 2 Quad

Intel Core 2 Quad — семейство новых четырёхъядерных процессоров Intel, в котором объединяются два двухъядерных кристалла на одной платформе. Для производства процессора была использована инновационный 45-нм технологический процесс. Хотя эти процессоры и являются очередными вариантами широко распространённой микроархитектуры Core, они представляют немалый интерес. Дело в том, что Quad– это не простой результат перевода предыдущих 65-нм процессорных ядер на новую производственную технологию. В них инженеры Intel реализовали целый ряд усовершенствований, направленных на увеличение производительности, достигаемое без роста тактовой частоты. В его основе лежит два полупроводниковых двухъядерных кристалла Wolfdale, убранных в единую процессорную упаковку.

Для освоения 45-нм технологического процесса компания провела огромную научно-исследовательскую работу, в рамках которой классические диэлектрические материалы (в частности, оксид кремния), применяемые с 60-х годов прошлого века для производства интегральных микросхем, были заменены на принципиально новые (соединения редкоземельного металла гафния). Новые 45-нм транзисторы используют металлический затвор вместо затвора из поликристаллического кремния, а также диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k) – силицид гафния.

Эти изменения в конструкции полупроводниковых элементов позволяют решить сразу несколько насущных задач. Новый технологический процесс с нормами 45 нм почти вдвое поднимает плотность расположения транзисторов на кристалле, а кроме того, примерно на 20 % увеличивает их скорость переключения и на 30 % снижает необходимую для этого мощность. В качестве дополнительного бонуса, благодаря новым материалам значительно уменьшаются и токи утечки: в канале исток-сток – ориентировочно в пять раз, а через диэлектрик затвора – примерно на порядок.

Благодаря новому технологическому процессу Intel собирается в течение следующего года нарастить частоты своих процессоров семейства Core 2 Quad до 3,0 ГГц, а линейки Core 2 Duo – до 3,33 ГГц, удерживая их при этом в рамках привычных тепловых пакетов 95 и 65 Вт, соответственно. Еще тодно преимущество новой технологии: процессоры будут обладать кэш-памятью второго уровня суммарным объёмом 12 Мбайт: по 6 Мбайт на каждые два ядра.

Иными словами, с внедрением нового технологического процесса никаких изменений в строении процессоров с четырьмя ядрами не произошло. Пары ядер всё также расположены на разных кристаллах и обмениваются данными через системную шину и оперативную память. Впрочем, измерение латентности кэш-памяти на практике показывает, что у нового процессора при увеличении в объёме он стал всё-таки слегка медленнее.

Вместе с увеличением объёма кэш-память новых CPU получила дополнительную функцию "enhanced cache line split load". Цель этого нововведения заключается в ускорении выборки из кэш-памяти неправильно выровненных данных, части которых могли бы быть помещены в одной строке, но попали в разные строки кэша. Новая функция пытается предугадать такие данные и сделать их выборку из кэша столь же быстрой, как если бы они лежали в одной строке. В теории, это усовершенствование может ускорить работу приложений, работа которых связана со сканированием трактов.

Процессоры Quad обладаюьт расширением системы SIMD-команд. В новом поколении своих CPU Intel ввёл поддержку набора SSE4.1, состоящего из 47 новых инструкций. Тем не менее, новые команды, несмотря на достаточно большое их количество, не представляют собой связанного множества, набор SSE4 включает разнородные дополнения к уже существующим SIMD-инструкциям. Новые команды, по традиции, должны будут помочь в увеличении скорости работы новых процессоров с трёхмерной графикой, с потоковым видео и в целом ряде научных вычислительных задач.

В заключение хочется заметить, что компания Intel взяла хороший темп смены технологических процессов и процессорных архитектур. Как планируется, новые микроархитектуры теперь будут предлагаться Intel каждые два года, а через год после их внедрения процессорные ядра должны будут переводиться на новый техпроцесс с внесением в них некоторых небольших усовершенствований. Согласно этому плану, ближе к концу следующего года ожидает встреча с принципиально новой архитектурой, известной сегодня под кодовым именем Nehalem.

Современные микропроцессоры компании АМD

Успешную конкуренцию микропроцессорам Intel составляет продукция компании AMD. По ряду показателей микропроцессоры этой компании занимают лидирующее положение. Отдельные интересные архитектурно-технические решения, впервые примененные в микропроцессорах AMD, впоследствии получили распространение в изделиях других производителей, в том числе и в микропроцессорах компании Intel.

Микропроцессор К5

В течение ряда лет AMD, отставая от Intel по крайней мере на одно поколение микропроцессоров, полагалась в основном на лицензированную технологию и вносила незначительные конструктивные изменения в выпускаемые микропроцессоры. Появление микропроцессора Pentium создало лля AMD прямую угрозу вытеснения с рынка, что стимулировало компанию к интенсификации работ по созданию нового семейства х86-совместимых микропроцессоров. Работы над К5 были начаты, когда еще не были известны подробности о процессоре Pentium. Инженерам AMD пришлось разрабатывать собственную микроархитектуру, обеспечивая при этом совместимость с существующим программным обеспечением для процессоров х86.

Первоначально AMD планировала начать поставки своего микропроцессора с тактовой частотой 100—120 МГц в 1995 году, однако было выпущено лишь несколько тысяч таких процессоров, а их тактовая частота составила всего 75 МГц. Основные поставки К5 начались в первом квартале 1996 года, после того как компания перешла на 0,35 мкм технологию, разработанную совместно с Hewlett-Packard. Это позволило довести число транзисторов до 4,2 млн на кристалле площадью 167 мм² .

К5 ]68] — это первый микропроцессор AMD, при создании которого не использовалась никакая интеллектуальная собственность Intel (за исключением микрокода), в то же время, он обладает лучшей по сравнению с процессорами Intel производительностью. Многие приложения, такие как MicrosoftExcel, Word, CorelDRAW, работали на процессорах серии К5 на 30% быстрее, чем на Pentium с той же тактовой частотой. Такая производительность достигалась в основном за счет увеличенного объема кэш-памяти и более прогрессивной суперскалярной архитектуры. Используемая в микропроцессорах AMD архитектура RISC86 .

Как известно, команды х86 отличает переменная длина и сложная структура, затрудняющие их декодирование и анализ существующих зависимостей между инструкциями по данным. В предлагаемой AMD архитектуре декодер, представляющий собой наиболее сложную часть микропроцессора, раз бивает длинные CISC-инструкции на небольшие RISC-подобные комгюнен ты, так называемые ROP (RISC-операции).

ROP напоминают команды микрокода микропроцессоров х86. Первые микропроцессоры с архитектурой х86 выполняли свой сложный набор микрокоманд, выбирая из внутренней постоянной памяти микрокод. В последних микропроцессорах х86 использование микрокода сведено к минимуму за счет применения простых команд и их аппаратной реализации.

В отличие от Pentium, вместо двух конвейеров для параллельного выполнения двух целочисленных операций, К5 имеет шесть параллельно функционирующих блоков. Одновременно с целочисленными операциями могут выполняться инструкции с плавающей точкой, загрузки/сохранения или перехода. Блок загрузки/сохранения может за один цикл выбирать из памяти две инструкции. Другим отличием от Pentium является то, что К5 может изменять последовательность выполняемых команд.

Блок выполнения операций с плавающей точкой (FPU) отвечает стандартам х86, однако по производительности несколько уступает FPU процессора Pentium.

Использованное в архитектуре К5 сочетание принципов CISC и RISC позволило преодолеть ограничения набора команд х86. Ценой увеличения сложности процессора AMD удалось повысить его производительность, сохранив совместимость с системой команд х86. Последнее весьма важно с учетом широкой распространенности программного обеспечения для этой микропроцессорной архитектуры.

Микропроцессор К6

Микропроцессор К6 был выпушен в 1997 году по технологии КМОП 0,35 мкм с пятислойной металлизацией, содержал 8,8 млн транзисторов на кристалле площадью 162 мм² , работал с тактовыми частотами 166, 200 и 233 МГц и устанавливался в разъем Socket 7.

Как и в К5, в К6 была применена суперскалярная архитектура RISC86 с раздельным декодированием/исполнением команд, обеспечивающая преемственность с системой команд х86 и достижение высокой производительности, свойственной микропроцессорам шестого поколения. К6 был оснащен мультимедийным расширением системы команд— ММХ. По производительности К6 при одной и той же тактовой частоте существенно превосходил Pentium ММХ и был сравним с PentiumPro. В отличие от PentiumPro, К6 одинаково успешно работал как с 32-разрядными, так и с 16-разрядными приложениями.

Высокая производительность процессора обеспечивалась благодаря ряду новых архитектурных и технологических решений.

· В процессоре выполняется преддекодирование команд х86 при их выборке в кэш-памяти. Каждая команда в кэш-памяти первого уровня снабжается битами преддекодирования, указывающими смещение начала следующей команды в кэш-памяти (от I до 15 байт).

· К6 содержит внутреннюю раздельную кэш-память первого уровня по 32 Кбайт для данных и команд.

· В процессоре реализован высокопроизводительный блок вычислений с плавающей точкой.

· Имеется высокопроизводительный блок мультимедийных операций стандарта ММХ.

· Используется множественное декодирование х86-инструкций в однотактовые RISC-операции (ROP).

· Процессор содержит параллельные дешифраторы, централизованный планировщик операций и семь исполнительных блоков, которые обеспечивают суперскалярное выполнение инструкций в шестиступенчатом конвейере.

· В процессоре используется спекулятивное исполнение с изменением последовательности команд, предварительная посылка данных, переименование регистров.

В начале 1998 года были выпущены варианты процессора по технологии 0,25 мкм с пятью слоями металлизации для тактовых частот 266 МГц и 300 МГц.

Микропроцессор К7

Микропроцессор следующего поколения — К7 (кодовое имя Athlon) был выпущен в июне 1999 года . К7 содержит более 22 млн транзисторов на кристалле площадью 184 мм² и изначально производился по технологии 0,25 мкм с 6 слоями металлизации* для тактовых частот 500, 550, 600 и 650 МГц. Впоследствии, с переходом на технологию 0,18 мкм, частота была увеличена до 1 ГГц и выше. Напряжение питания микропроцессора составляет 1,6 В.

Процессор размешен в картридже и соединяется с платой через Slot А, разработанный AMD. Athlon и Slot А используют шинный протокол DigitalAlphaEV6, который имеет ряд преимуществ по сравнению с GTL+, используемым Intel. Так, EV6 предусматривает возможность использования топологии "pointtopoint" для мультипроцессорных систем. Кроме этого, EV6 работает по переднему и заднему фронту тактирующего сигнала, что при частоте 100 МГц дает эффективную частоту передачи данных 200 МГц и пропускную способность интерфейса 1,6 Гбайт/с. В последующих моделях процессора частота работы шины (эффективная частота) достигла значений 133 (266), а затем и 200 (400) МГц.

Архитектура, реализованная в Athlon, получила название QuantiSpeed™, она определяет суперскалярное, суперконвейерное выполнение команд, конвейерный блок вычислений с плавающей точкой, аппаратную предвыборку данных в кэш-память и усовершенствованную технологию предсказания ветвлений.

Athlon имеет девять исполнительных блоков: три для обработки целочисленных данных (IEU), три для вычисления адреса (AGU) и три блока для вычислений с плавающей точкой и обработки мультимедийных данных (один для загрузки/сохранения данных с плавающей точкой (FSTORE) и два конвейерных блока для исполнения команд FPU/MMX/3DNOW).

Athlon может декодировать три команды х86 в шесть RISC-операций. После декодирования ROP попадают в буфер, где ожидают своей очереди на выполнение в одном из функциональных блоков процессора. Буфер К7 содержит 72 операции (в три раза больше чем у Кб) и выдает 9 ROP для 9 исполнительных устройств.

Athlon имеет 128 Кбайт кэш-памяти первого уровня (64 Кбайт для данных и 64 Кбайт для команд). Для взаимодействия с кэш-памятью второго уровня предусмотрена специальная шина (как у архитектуры Р6 Intel), Кэш-память второго уровня размером 512 Кбайт расположена вне процессорного ядра, в процессорном картридже, и работает на половинной частоте ядра.

Следующим микропроцессором с архитектурой К7 на ядре Thunderbird стал Duron — бюджетный вариант микропроцессора, ориентированный на дешевые ПК. Основным его отличием является уменьшенная до 64 Кбайт кэшпамять второго уровня. Duron содержит 25 млн транзисторов на кристалле 100 мм² и рассчитан на частоты от 600 до 1200 МГц.

Размещение кэш-памяти на кристалле позволило разработчикам отказаться от использования картриджа и вернуться к разъему типа soket (462-контактный разъем Socket А). В процессорах Athlon и Duron работа кэшпамяти осуществляется по алгоритму, обеспечивающему эксклюзивность представления данных в кэшах (данные не дублируются в кэш-памяти первого и второго уровней), что увеличивает эффективный объем кзширован-ных данных.

Благодаря примененным в К7 новым архитектурно-техническим решениям микропроцессорам AMD удалось на 7—10% превысить производительность PentiumIII при равных тактовых частотах.

Дальнейшее совершенствование архитектуры и технологии производства микропроцессоров в рамках семейства К7 привело к появлению двух новых версий Athlon: AthlonXP й AthlonMP.

Основное отличие процессора AMDAthlonMP от AMDAthlonXP — использование технологии SmartMP, которая представляет собой совокупность высокоскоростной двойной системной шины и протокола когерентного кэша MOESI, управляющего пропускной способностью памяти, что необходимо для достижения оптимального баланса работы процессоров в многопроцессорных системах. Пропускная способность шины составляет 2,1 Гбайт/с, в расчете на каждый процессор.

Процессор выпускается с тактовыми частотами от I ГГц (технология 0,18 мкм) до 2,133 ГГц (технология 0,13 мкм, ядро Thoroughbred).

Заключение

В конце 20 века человечество вступило на путь информационного общества. Но это общество невозможно представить без электроники, интернета, радио и телевиденья, мощных компьютеров и современных микропроцессоров.

В данной курсовой работе было изучено устройство микропроцессоров, его технологии изготовления и были рассмотрены виды современных микропроцессоров.

Задачей, поставленные в данной курсовой работе были выполнены. Был сделан анализ тенденций развития современных микропроцессоров, выявлена их значимость для общества и сделаны приблизительные прогнозы о их будущем развитии.

В результате проведенной работы были сделаны следующие выводы: на мировом рынке продажи процессоров в настоящее время лидируют две компании Intel и АMD. Которые в свою очередь непрерывно конкурируют между собой и пытаются вытеснить друг друга с мирового рынка. В начале 2005 года лидером была компания AMD, чьи процессоры были и производительнее, и дешевле, имели меньшее тепловыделение. Но в апреле того же года Intel пустила процессор Core 2 Duo, а в 2007 Core 2 Quad, которые стали лидерами по продажам на мировом рынке. Сейчас лидерство оставляет за собой компания Intel. Но и AMD ведет бурные научно-исследовательские работы и, возможно, в скором будущем выпустит на рынок совершенно новый и мощный микропроцессор.

Список литературы

http://ru.wikipedia.org/wiki/Intel_Core_2_Quad

http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/processors/22651