Лекция № 2

УСТРОЙСТВА СОВРЕМЕННОГО КОМПЬЮТЕРА

1. Микропроцессоры

Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом», является микропроцессор - небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации.

Процессор вычислительной машины выполняет арифметические и логические операции над данными в соответствии с заданной ему программой. Он состоит из двух основных частей: арифметико-логического устройства, где и выполняется обработка данных, и устройства управления, которое формирует необходимые для обработки информации управляющие сигналы. Успехи в развитии промышленной электроники позволили разместить эти два устройства в корпусе одной интегральной схемы. Таким образом получился микропроцессор.

Микропроцессором называется полупроводниковый кристалл или комплект кристаллов, на которых реализуется совокупность арифметико-логического устройства и центрального устройства управления.

Единицей информации в двоичном коде является бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1.

Первый микропроцессор выпущен в продажу в 1970 году. Его сконструировал Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel. Конечно возможности первого микропроцессора Intel 4004 были небольшими. Он мог обрабатывать только 4 бита информации (для сравнения процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита информации). Применялся Intel 4004 в микрокалькуляторах.

В 1973 г. Фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel 8008, а в 1974 г. - его усовершенствованную версию Intel 8080, которая до конца 70 годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии (отечественный аналог КР580ИК80).

Современные микропроцессоры выполняют сотни различных операций и делают это со скоростью в несколько десятков и даже сотен миллионов операций в секунду.

В компьютерах IBM РС используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.). Микропроцессоры фирмы Intel , применяемые в IBM PC совместимых компьютерах, таковы: Intel – 8080, 80286, 80386( модификации SX и DX ), 80486 (модификации SX, SX2, DX, DX2, DX4 ), Pentium и Pentium Pro , Pentium (2 – 4) они приведены в порядке возрастания производительности и цены. Разница в производительности этих микропроцессоров очень велика. Так, новейший микропроцессор Pentium 4 быстрее микропроцессора Intel-8088 (на котором были основаны исходный вариант компьютера IBM PC и модель IBM PC XT) в сотни тысяч раз.

Большинство выпускаемых сейчас компьютеров основано на микропроцессорах Pentium 3-4 и его аналогах (например, AMD Athlon XP). Лишь самые дешевые модели компьютеров основаны на микропроцессоре Celeron (упрощенный вариант Pentium 3-4) или AMD Duron.

Основные характеристики микропроцессоров:

тактовая частота;

разрядность.

Тактовая частота определяется максимальным временем выполнения элементарного действия (элементарной операции) внутри микропроцессора.

Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота измеряется в мегагерцах. Например, микропроцессоры Pentium выпускаются с тактовой частотой от 75 до 200 МГц (т.е. они отличаются по производительности примерно в 2,5 раза). Часто тактовая частота указывается вслед за моделью микропроцессора, например, Pentium /75 МГц.

Необходимо помнить, что тактовая частота указывает скорость выполнения элементарных операций внутри микропроцессора. Разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же команды (например, сложение или умножение) за различное число тактов. Чем более современная (часто говорят, более высокая) модель микропроцессора, тем как правило, меньше тактов требуется микропроцессору для выполнения одних и тех же команд. Поэтому, например, микропроцессор Pentium работает приблизительно в два раза быстрее Intel 80486 с такой же тактовой частотой, а Intel-486 - приблизительно в два раза быстрее Intel-386DX с такой же тактовой частотой.

Микропроцессоры других фирм (AMP, Cyrix) часто имеют маркировку, вводящую в заблуждение. Например, микропроцессор AMD 5x86 аналогичен 486DX4, а не Pentium, поэтому AMD 5x86/133 МГц по производительности схож лишь с Pentium/75 МГц.

В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много сложных математических вычислений (например, в инженерных расчетах, обработке трехмерных изображений и т.д.), желательно, чтобы сложные математические операции над числами поддерживались аппаратно. Но микропроцессоры Intel - 8088, 80286, 80386 и 80386SX не обеспечивают такую поддержку, поэтому к ним для этого требуется добавить математический сопроцессор (Intel - 8087, 80287, 80387 и 80387SX соответственно), который помогает основному микропроцессору выполнять математические операции над числами представленными в виде мантиссы (значащей части числа) и степени основания (формат с плавающей запятой). Новейшие микропроцессоры фирмы Intel (80486DX, Pentium, Pentium Pro) имеют встроенный (внутренний ) сопроцессор.

Разрядностью микропроцессора называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. Понятие «разрядность» включает:

разрядность внутренних регистров микропроцессора (m);

разрядность шины данных (n);

разрядность шины адреса (k).

Исходя из этого разрядность микропроцессора будем обозначать m/n/k. Определяющую роль в принадлежности микропроцессора к тому или иному классу играет разрядность внутренних регистров (внутренняя длина слова). От разрядности шины данных (внешней длины слова) зависит скорость передачи информации между микропроцессором и другими устройствами. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство микропроцессора, т.е. максимальное количество полей (обычно байтов, где 1 байт = 8 бит) памяти, к которым можно осуществить доступ.