Središnja procesorska jedinica (CPU, ili središnja procesorska jedinica - CPU; engleska centralna procesorska jedinica, skraćeno CPU, doslovno - središnja procesorska jedinica) - mikro krug, izvršitelj strojnih instrukcija (programski kod), glavni dio hardver računalo ili programabilni logički kontroler. Ponekad se naziva mikroprocesor ili jednostavno procesor.

Povijest razvoja tehnologije proizvodnje procesora u potpunosti odgovara povijesti razvoja tehnologije proizvodnje elementne baze.

Prva faza, koja je zahvatila razdoblje od četrdesetih do kasnih pedesetih, bila je stvaranje procesora koji koriste elektromehaničke releje, feritne jezgre (memorijski uređaji) i vakuumske cijevi. Ugrađeni su u posebne konektore na modulima montiranim u police. Velik broj takvih regala, povezanih vodičima, zajedno su predstavljali procesor. Posebna značajka bila je niska pouzdanost, niske performanse i visoka proizvodnja topline.

Druga faza, od sredine pedesetih do sredine šezdesetih godina, bilo je uvođenje tranzistora. Tranzistori su bili postavljeni na ploče bliske modernom izgledu, postavljene u police. Kao i prije, prosječni procesor sastojao se od nekoliko takvih regala. Performanse su povećane, pouzdanost povećana, a potrošnja energije smanjena.

Treća faza, koja je započela sredinom šezdesetih, bila je uporaba mikro krugova. U početku su se koristili mikrosklopovi niskog stupnja integracije koji su sadržavali jednostavne sklopove tranzistora i otpornika, a zatim su se, kako se tehnologija razvijala, koristili mikrosklopovi koji su implementirali pojedine elemente digitalnog sklopa (prvo elementarne sklopke i logički elementi, zatim složeniji elementi - elementarni registri). , brojači, zbrajači), a kasnije su se pojavili mikrosklopovi koji sadrže funkcionalne blokove procesora - mikroprogramski uređaj, aritmetičko-logički uređaj, registre, uređaje za rad s podacima i naredbene sabirnice.

Četvrta faza bila je stvaranje mikroprocesora u kojem su svi glavni elementi i blokovi procesora bili fizički smješteni na jednom čipu. Godine 1971. Intel je stvorio prvi 4-bitni mikroprocesor na svijetu, 4004, namijenjen za korištenje u mikrokalkulatorima. Postupno su se gotovo svi procesori počeli proizvoditi u formatu mikroprocesora. Dugo su vremena jedina iznimka bili procesori male količine, hardver optimiziran za rješavanje posebnih problema (na primjer, superračunala ili procesori za rješavanje brojnih vojnih problema) ili procesori koji su imali posebne zahtjeve za pouzdanost, brzinu ili zaštitu od elektromagnetskih impulsa i ionizirajućeg zračenja. Postupno, pojeftinjenjem i širenjem suvremenih tehnologija, ovi se procesori počinju proizvoditi i u mikroprocesorskom formatu.

Prvi komercijalno dostupan mikroprocesor bio je 4-bitni Intel 4004. Naslijedio ga je 8-bitni Intel 8080 i 16-bitni 8086, koji su postavili temelje za arhitekturu svih modernih procesora za stolna računala. Ali zbog prevladavanja 8-bitnih memorijskih modula, pušten je 8088, klon 8086 s 8-bitnom memorijskom sabirnicom. Zatim je došla njegova modifikacija 80186. Procesor 80286 uveo je zaštićeni način rada s 24-bitnim adresiranjem, koji je dopuštao korištenje do 16 MB memorije. Procesor Intel 80386 pojavio se 1985. godine i predstavio poboljšani zaštićeni način rada, 32-bitno adresiranje, što je omogućilo korištenje do 4 GB RAM memorija i podrška za mehanizam virtualne memorije. Ova linija procesora izgrađena je na modelu računalnog registra.

Paralelno se razvijaju mikroprocesori koji kao osnovu uzimaju model stognog računanja.

U moderna računala Procesori su dizajnirani kao kompaktni modul (veličine oko 5x5x0,3 cm) koji se umeće u ZIF utičnicu. Većina modernih procesora implementirana je u obliku jednog poluvodičkog čipa koji sadrži milijune, au novije vrijeme i milijarde tranzistora. U prvim računalima procesori su bili glomazne jedinice, ponekad su zauzimale cijele ormare, pa čak i sobe, a bili su sastavljeni od velikog broja pojedinačnih komponenti.

U početku programeri dobivaju tehnički zadatak, na temelju kojeg se donosi odluka o tome kakva će biti arhitektura budućeg procesora, njegova unutarnja struktura i tehnologija proizvodnje. Različite skupine imaju zadatak razviti odgovarajuće funkcionalne blokove procesora, osigurati njihovu interakciju i elektromagnetsku kompatibilnost. S obzirom na to da je procesor zapravo digitalni automat koji u potpunosti odgovara principima Booleove algebre, virtualni model budućeg procesora izrađuje se pomoću specijaliziranog softvera koji radi na drugom računalu. Koristi se za testiranje procesora, izvršavanje elementarnih naredbi i značajnih količina koda, razradu interakcije različitih blokova uređaja, provođenje optimizacije i traženje pogrešaka koje su neizbježne u projektu ove razine.

Nakon toga se gradi fizički model procesora od digitalnih bazičnih matričnih kristala i mikrosklopova koji sadrže elementarne funkcionalne blokove digitalne elektronike, na kojem se provjeravaju električne i vremenske karakteristike procesora, testira arhitektura procesora, ispravljaju pronađene pogreške. nastavlja se i razjašnjavaju se pitanja elektromagnetske kompatibilnosti (na primjer, s gotovo običnim Na taktnoj frekvenciji od 10 GHz, dijelovi vodiča duljine 7 mm već rade kao emitirajuće ili prijamne antene).

Zatim počinje faza suradnje između inženjera sklopova i procesa koji, koristeći specijalizirani softver, pretvaraju električni krug koji sadrži arhitekturu procesora u topologiju čipa. Moderni sustavi automatski dizajn omogućuju, općenito, od električni dijagram direktno dobivate paket šablona za izradu maski. U ovoj fazi tehnolozi pokušavaju implementirati tehnička rješenja, koje su postavili dizajneri sklopova, uzimajući u obzir dostupnu tehnologiju. Ova faza je jedna od najdužih i najtežih u razvoju i ponekad zahtijeva kompromise od strane dizajnera sklopova da odustanu od nekih arhitektonskih rješenja. Treba napomenuti da veliki broj proizvođača čipova po narudžbi (ljevaonica) nudi programerima (centar za dizajn ili fabless) kompromisno rješenje u kojemu u fazi projektiranja procesora koriste biblioteke elemenata i blokova koje prezentiraju, standardizirane u skladu s postojećim tehnologija (Standardna ćelija). To uvodi niz ograničenja u arhitektonskim rješenjima, no faza tehnološke prilagodbe zapravo se svodi na igranje Legom. Općenito, prilagođeni mikroprocesori su brži od procesora izgrađenih pomoću postojećih biblioteka.

Sljedeći korak je izrada prototipa mikroprocesorskog čipa. U proizvodnji modernih ultra-velikih integriranih krugova koristi se metoda litografije. Pritom se na podlogu budućeg mikroprocesora (tanak krug od monokristalnog silicija ili safira) naizmjenično nanose slojevi vodiča, izolatora i poluvodiča kroz posebne maske s prorezima. Odgovarajuće tvari isparavaju u vakuumu i talože se kroz rupe maske na procesorskom čipu. Ponekad se jetkanje koristi kada agresivna tekućina nagriza područja kristala koja nisu zaštićena maskom. Istodobno se na podlozi formira stotinjak kristala procesora. Rezultat je složena višeslojna struktura koja sadrži stotine tisuća do milijardi tranzistora. Ovisno o spoju, tranzistor radi u mikrokrugu kao tranzistor, otpornik, dioda ili kondenzator. Stvaranje ovih elemenata zasebno na mikro krugu općenito nije isplativo. Nakon završenog postupka litografije supstrat se pili u elementarne kristale. Tanki zlatni vodiči zalemljeni su na kontaktne pločice (od zlata) oblikovane na njima, koje su adapteri na kontaktne pločice tijela mikro kruga. Dalje, u općem slučaju, pričvršćeni su hladnjak kristala i poklopac mikro kruga.

Zatim počinje faza testiranja prototipa procesora, kada se provjerava njegova usklađenost sa zadanim karakteristikama i traže preostale neotkrivene greške. Tek nakon toga mikroprocesor se stavlja u proizvodnju. Ali čak i tijekom proizvodnje, procesor se neprestano optimizira zahvaljujući tehnološkim poboljšanjima, novim dizajnerskim rješenjima i otkrivanju grešaka.

Valja napomenuti da se paralelno s razvojem univerzalnih mikroprocesora razvijaju i skupovi perifernih računalnih sklopova koji će se koristiti uz mikroprocesor i na temelju kojih se stvaraju matične ploče. Razvoj mikroprocesorskog skupa (chipseta) nije ništa manje složen zadatak od stvaranja mikroprocesorskog čipa.

Posljednjih nekoliko godina postoji tendencija prijenosa nekih komponenti čipseta (kontroler memorije, kontroler sabirnice PCI Express) na procesor. Pogledajte Sustav na čipu za više detalja.

Početkom 1970-ih, otkrića u tehnologiji LSI i VLSI (integrirani krug velikih razmjera i integrirani krug vrlo velikih razmjera) omogućila su smještaj svih potrebnih CPU komponenti u jedan poluvodički uređaj. Pojavili su se takozvani mikroprocesori. Sada su riječi mikroprocesor i procesor praktički postale sinonimi, ali tada to nije bio slučaj, jer su konvencionalna (velika) i mikroprocesorska računala mirno koegzistirali barem još 10-15 godina, a tek početkom 1980-ih mikroprocesori su istisnuli svoju stariju braću . Mora se reći da je prelazak na mikroprocesore kasnije omogućio stvaranje osobnih računala, koja su danas prodrla u gotovo svaki dom.

Prvi mikroprocesor, Intel 4004, predstavila je Intel Corporation 15. studenog 1971. godine. Sadržao je 2300 tranzistora, radio je na radnom taktu od 92,6 kHz (u dokumentu stoji da ciklus instrukcija traje 10,8 mikrosekundi, au Intelovim promotivnim materijalima 108 kHz) i koštao je 300 dolara.

Tijekom godina mikroprocesorska tehnologija razvila je mnoge različite arhitekture mikroprocesora. Mnogi od njih (u proširenom i poboljšanom obliku) koriste se i danas. Na primjer, Intel x86, koji se prvo razvio u 32-bitni IA-32, a kasnije u 64-bitni x86-64 (koji Intel naziva EM64T). x86 procesori su se u početku koristili samo u IBM osobnim računalima (IBM PC), ali sada se sve više koriste u svim područjima računalna industrija, od superračunala do ugrađenih rješenja. Također možete navesti takve arhitekture kao što su Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC arhitektura) i IA-64 (EPIC arhitektura).

Većina procesora koji se trenutno koriste kompatibilni su s Intelom, odnosno imaju skup instrukcija i programskih sučelja implementiranih u Intelovim procesorima.

Najpopularnije procesore danas proizvode Intel, AMD i IBM. Među Intelovim procesorima: 8086, i286 (u računalnom žargonu nazvan "dva", "dva"), i386 ("tri", "tri"), i486 ("četiri"), Pentium ("panj", "panj" , “drugi panj”, “treći panj” itd. Postoji i povratak naziva: Pentium III se zove “tri”, Pentium 4 se zove “četiri”), Pentium II, Pentium III, Celeron (pojednostavljena verzija Pentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7, Xeon (serija procesora za poslužitelje), Itanium, Atom (serija procesora za ugrađenu tehnologiju) itd. AMD u svojoj liniji ima procesore x86 arhitekture (analozi 80386 i 80486 , obitelj K6 i obitelj K7 - Athlon, Duron, Sempron) i x86-64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron itd.). IBM procesori (POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) koriste se u superračunalima, video set-top box uređajima 7. generacije i ugrađenoj tehnologiji; prethodno korišten u Apple računalima.

Prema podacima IDC-a, krajem 2009. Intelov udio na tržištu mikroprocesora za osobna, prijenosna računala i poslužitelje iznosio je 79,7%, a AMD-ov 20,1%.

U sljedećih 10-20 godina, najvjerojatnije, materijalni dio procesora će se promijeniti zbog činjenice da tehnološki proces dosegnut će granice fizičke proizvodnje. Možda će biti:

Optička računala – u kojima se umjesto električnih signala obrađuju struje svjetlosti (fotoni, ne elektroni).

Kvantna računala čiji se rad u potpunosti temelji na kvantnim efektima. Trenutno se radi na stvaranju radnih verzija kvantnih procesora.

Molekularna računala su računalni sustavi koji koriste računalne mogućnosti molekula (uglavnom organskih). Molekularna računala koriste ideju o računskoj moći rasporeda atoma u prostoru.

Razvoj mikroprocesora u Rusiji provode CJSC MCST i NIISI RAS. Također, razvoj specijaliziranih mikroprocesora usmjerenih na stvaranje neuronskih sustava i digitalnu obradu signala provode Znanstveno-tehnički centar "Modul" i Državno jedinstveno poduzeće Znanstveno-proizvodni centar "ELVEES". Angstrem OJSC također proizvodi brojne serije mikroprocesora.

NIISI razvija procesore serije Comdiv temeljene na MIPS arhitekturi. Tehnički proces - 0,5 mikrona, 0,3 mikrona; KNI.

KOMDIV32, 1890VM1T, uključujući verziju KOMDIV32-S (5890VE1T), otporan na utjecaj čimbenika svemira (ionizirajuće zračenje)

KOMDIV64, KOMDIV64-SMP

Aritmetički koprocesor KOMDIV128

STC Modul je razvio i nudi mikroprocesore NeuroMatrix obitelji:

1998, 1879VM1 (NM6403) - specijalizirani mikroprocesor visokih performansi digitalna obrada signali s VLIW/SIMD arhitekturom vektorskog cjevovoda. Tehnologija proizvodnje - CMOS 500 nm, frekvencija 40 MHz.

2007, 1879VM2 (NM6404) - modifikacija 1879VM1 s frekvencijom takta povećanom na 80 MHz i 2 Mbit RAM-a koji se nalazi na procesorskom čipu. Tehnologija proizvodnje - 250 nm CMOS.

2009, 1879VM4 (NM6405) - procesor digitalnih signala visokih performansi s VLIW/SIMD arhitekturom vektorskog cjevovoda temeljen na patentiranoj 64-bitnoj procesorskoj jezgri NeuroMatrix. Tehnologija proizvodnje - 250 nm CMOS, taktna frekvencija 150 MHz.

Zahvaljujući nizu hardverskih značajki, mikroprocesori u ovoj seriji mogu se koristiti ne samo kao specijalizirani procesori digitalnih signala, već i za stvaranje neuronskih mreža.

Državno jedinstveno poduzeće SPC ELVIS razvija i proizvodi mikroprocesore serije Multicore, čija je posebnost asimetrična višejezgrena. U ovom slučaju, fizički jedan čip sadrži jednu CPU RISC jezgru s MIPS32 arhitekturom, koja obavlja funkcije središnjeg procesora sustava, te jednu ili više jezgri specijaliziranog akceleratorskog procesora za digitalnu obradu signala s pomičnim/fiksnim zarezom ELcore-xx (ELcore = Elveesova jezgra), temeljena na "harvardskoj" arhitekturi. CPU jezgra je vodeća u konfiguraciji čipa i izvršava glavni program. CPU jezgri omogućen je pristup resursima DSP jezgre, koja je podređena CPU jezgri. CPU čipa podržava Linux kernel 2.6.19 ili hard real-time OS QNX 6.3 (Neutrino).

2004, 1892VM3T (MC-12) - s jednim čipom mikroprocesorski sustav sa dvije jezgre. Centralni procesor - MIPS32, signalni koprocesor - SISD jezgra ELcore-14. Tehnologija proizvodnje - CMOS 250 nm, frekvencija 80 MHz. Vrhunska izvedba 240 MFLOP (32 bita).

2004, 1892VM2Ya (MC-24) - mikroprocesorski sustav s jednim čipom i dvije jezgre. Centralni procesor - MIPS32, koprocesor signala - SIMD jezgra ELcore-24. Tehnologija proizvodnje - CMOS 250 nm, frekvencija 80 MHz. Vrhunska izvedba 480 MFLOP (32 bita).

2006, 1892VM5YA (MC-0226) - mikroprocesorski sustav s jednim čipom i tri jezgre. Centralni procesor - MIPS32, 2 koprocesora signala - MIMD jezgra ELcore-26. Tehnologija proizvodnje - CMOS 250 nm, frekvencija 100 MHz. Vrhunska izvedba 1200 MFLOP (32 bita).

2008, NVCom-01 (“Navicom”) - mikroprocesorski sustav s jednim čipom i tri jezgre. Centralni procesor - MIPS32, 2 koprocesora signala - MIMD DSP klaster DELCore-30 (Dual ELVEES Core). Tehnologija proizvodnje - CMOS 130 nm, frekvencija 300 MHz. Vrhunska izvedba 3600 MFLOPs (32 bita). Dizajniran kao telekomunikacijski mikroprocesor, sadrži ugrađenu 48-kanalnu GLONASS/GPS navigacijsku funkciju.

Kao obećavajući projekt SPC ELVIS predstavljen je MC-0428 - procesor MultiForce - mikroprocesorski sustav s jednim čipom s jednim središnjim procesorom i četiri specijalizirane jezgre. Tehnologija proizvodnje - CMOS 130 nm, frekvencija do 340 MHz. Očekuje se da će vršna izvedba biti najmanje 8000 MFLOPs (32 bita).

OJSC Angstrem (tvrtka) proizvodi (ne razvija) sljedeće serije mikroprocesora:

1839 - 32-bitni VAX-11/750 kompatibilni mikroprocesorski komplet od 6 čipova. Tehnologija proizvodnje - CMOS, radni takt 10 MHz.

1836VM3 - 16-bitni LSI-11/23-kompatibilni mikroprocesor. Softver kompatibilan s DEC PDP-11. Tehnologija proizvodnje - CMOS, radni takt 16 MHz.

1806VM2 - 16-bitni LSI/2-kompatibilni mikroprocesor. Softver kompatibilan s LCI-11 od DEC Tehnologija proizvodnje - CMOS, frekvencija takta 5 MHz.

L1876VM1 32-bitni RISC mikroprocesor. Tehnologija proizvodnje - CMOS, radni takt 25 MHz.

Među Angstremovim vlastitim razvojem možemo primijetiti jednočipno 8-bitno RISC mikroračunalo Theseus.

Tvrtka MCST razvila je i pustila u proizvodnju obitelj univerzalnih SPARC-kompatibilnih RISC mikroprocesora sa standardima dizajna od 130 i 350 nm i frekvencijama od 150 do 500 MHz (za više detalja pogledajte članak o seriji - MCST-R i o računalni sustavi temeljeni na njima Elbrus-90micro ). Elbrus VLIW procesor s originalnom ELBRUS arhitekturom također je razvijen i koristi se u kompleksima Elbrus-3M1). Glavni potrošači ruskih mikroprocesora su poduzeća vojno-industrijskog kompleksa.

U sovjetsko doba, jedan od najpopularnijih zbog svoje trenutne jednostavnosti i jasnoće bio je MPK KR580 koji se koristio u obrazovne svrhe - skup čipova sličan setu Intel čipovi 82xx. Koristi se u domaćim računalima, kao što su Radio 86RK, YuT-88, Mikrosha itd.

Moderni CPU-i, implementirani u obliku zasebnih mikrokrugova (čipova) koji implementiraju sve značajke svojstvene ovoj vrsti uređaja, nazivaju se mikroprocesori. Od sredine 1980-ih, potonji su praktički zamijenili druge vrste CPU-a, zbog čega se pojam sve češće doživljava kao uobičajeni sinonim za riječ "mikroprocesor". Međutim, to nije tako: središnje procesorske jedinice nekih superračunala i danas su složeni kompleksi izgrađeni na temelju velikih (LSI) i ultravelikih integracijskih (VLSI) mikrosklopova.

U početku je izraz središnja procesorska jedinica opisivao specijaliziranu klasu logičkih strojeva dizajniranih za pokretanje složenih računalnih programa. Zbog prilično točne korespondencije ove namjene s funkcijama koje su tada postojale računalni procesori, to se prirodno prenijelo na sama računala. Upotreba pojma i njegove kratice u odnosu na računalne sustave počela je 1960-ih. Dizajn, arhitektura i implementacija procesora promijenili su se nekoliko puta od tada, ali njihove glavne izvršne funkcije ostale su iste kao i prije.

Većina modernih procesora osobnih računala općenito se temelji na nekoj verziji cikličkog sekvencijalnog procesa obrade koji je izumio John von Neumann.

J. von Neumann je 1946. smislio shemu za izgradnju računala.

Najvažniji koraci u ovom procesu navedeni su u nastavku. U raznim arhitekturama i za razne ekipe Možda će biti potrebni dodatni koraci. Na primjer, aritmetičke upute mogu zahtijevati dodatne pristupe memoriji koji čitaju operande i pišu rezultate. Posebnost von Neumannove arhitekture je da su upute i podaci pohranjeni u istoj memoriji.

Faze ciklusa izvršenja:

– procesor postavlja broj pohranjen u registar programskog brojača na adresnu sabirnicu i izdaje memoriji naredbu čitanja;

– postavljeni broj je adresa za memoriju; Memorija, primivši adresu i naredbu za čitanje, postavlja sadržaj pohranjen na ovoj adresi na podatkovnu sabirnicu i javlja spremnost.

Procesor prima broj iz sabirnice podataka, interpretira ga kao naredbu (strojnu instrukciju) iz svog sustava instrukcija i izvršava je.

Ako zadnja instrukcija nije instrukcija grananja, procesor povećava za jedan (pod pretpostavkom da je duljina svake instrukcije jedan) broj pohranjen u programskom brojaču; Kao rezultat, tamo se formira adresa sljedeće naredbe.

Ovaj ciklus se izvršava nepromjenjivo, i to je ciklus koji se naziva procesom (otuda i naziv uređaja).

Tijekom procesa, procesor čita niz instrukcija sadržanih u memoriji i izvršava ih. Ovaj niz naredbi naziva se program i predstavlja algoritam procesora. Redoslijed naredbi čitanja se mijenja ako procesor čita naredbu skoka, tada adresa sljedeće naredbe može biti drugačija. Drugi primjer promjene procesa bio bi kada se primi naredba za zaustavljanje ili kada se prebaci u način rada prekida.

CPU naredbe su najniža razina upravljanja računalom, pa je izvršenje svake naredbe neizbježno i bezuvjetno. Ne provodi se provjera prihvatljivosti izvršenih radnji, a posebice se ne provjerava mogući gubitak vrijednih podataka. Kako bi računalo izvodilo samo valjane radnje, naredbe moraju biti pravilno organizirane u potreban program.

Brzina prijelaza iz jedne faze ciklusa u drugu određena je generatorom takta. Generator takta proizvodi impulse koji služe kao ritam za središnji procesor. Frekvencija taktnih impulsa naziva se taktna frekvencija.

Pipelining arhitektura uvedena je u središnji procesor radi poboljšanja performansi. Tipično, da bi se izvršila svaka naredba, potrebno je izvršiti određeni broj sličnih operacija, na primjer: dohvaćanje naredbe iz RAM-a, dešifriranje naredbe, adresiranje operanda u RAM-u, dohvaćanje operanda iz RAM-a, izvršavanje naredbe, pisanje rezultat u RAM. Svaka od ovih operacija povezana je s jednim stupnjem transportne trake. Na primjer, cjevovod mikroprocesora MIPS-I sadrži četiri stupnja:

– upute za primanje i dekodiranje,

– adresiranje i dohvaćanje operanda iz RAM-a,

– izvođenje aritmetičkih operacija,

– spremanje rezultata operacije.

Nakon oslobađanja k-ta faza pokretnom trakom, ona odmah počinje raditi na sljedećoj ekipi. Ako pretpostavimo da svaki stupanj transportera troši jedinicu vremena na svoj rad, tada će izvršavanje naredbe na transporteru duljine n stupnjeva trajati n jedinica vremena, međutim, u najoptimističnijem slučaju, rezultat izvršavanja svakog sljedećeg naredba će se dobiti nakon svake jedinice vremena.

Doista, u nedostatku cjevovoda, izvršavanje naredbe će trajati n jedinica vremena (budući da naredbu još treba dohvatiti, dešifrirati, itd.), a izvršavanje m naredbi će uzeti vremenskih jedinica; Kada koristite cjevovod (u najoptimističnijem slučaju), bit će potrebno samo n + m jedinica vremena za izvršenje m instrukcija.

Čimbenici koji smanjuju učinkovitost pokretne trake:

– zastoj cjevovoda, kada se neki stupnjevi ne koriste (na primjer, adresiranje i dohvaćanje operanda iz RAM-a nije potrebno ako instrukcija radi s registrima);

– čekanje: ako sljedeća naredba koristi rezultat prethodne, tada se potonja ne može početi izvršavati prije nego što se prva izvrši (ovo se prevladava korištenjem izvršavanja izvan reda);

– čišćenje cjevovoda kada ga pogodi naredba grananja (ovaj problem se može izgladiti pomoću predviđanja grananja).

Neki moderni procesori imaju više od 30 stupnjeva u cjevovodu, što povećava performanse procesora, ali dovodi do puno zastoja (na primjer, u slučaju pogreške u predviđanju uvjetnog grananja). Ne postoji konsenzus o optimalnoj duljini cjevovoda: različiti programi mogu imati značajno različite zahtjeve.

Superskalarna arhitektura je mogućnost izvršavanja više strojnih instrukcija u jednom procesorskom ciklusu povećanjem broja izvršnih jedinica. Pojava ove tehnologije dovela je do značajnog povećanja produktivnosti. Istodobno, postoji određena granica rasta broja aktuatora, iznad koje produktivnost praktički prestaje rasti, a aktuatori miruju. Djelomična rješenja ovog problema su npr. Hiper tehnologija Urezivanje niti.

CISC procesori - računalo sa složenim skupom instrukcija - proračuni sa složenim skupom instrukcija. Arhitektura procesora temeljena na složenom skupu instrukcija. Tipični predstavnici CISC-a su mikroprocesori obitelji x86 (iako su dugi niz godina ti procesori bili CISC samo u vanjski sustav naredbe: na početku procesa izvršavanja, složene naredbe se raščlanjuju na jednostavnije mikrooperacije (MOP), koje izvršava RISC jezgra).

RISC procesori – Reduced instruction set computer - proračuni s pojednostavljenim skupom instrukcija (u literaturi se riječ “reduced” često pogrešno prevodi kao “reduciran”). Arhitektura procesora, izgrađena na temelju pojednostavljenog skupa instrukcija, karakterizirana je prisutnošću instrukcija fiksne duljine, velikim brojem registara, operacijama registar-registar i odsutnošću neizravnog adresiranja. Koncept RISC razvio je John Cocke iz IBM Researcha, a ime je skovao David Patterson.

Pojednostavljenje skupa instrukcija ima za cilj skraćivanje cjevovoda, čime se izbjegavaju kašnjenja u operacijama uvjetnog i bezuvjetnog grananja. Homogen skup registara pojednostavljuje rad kompajlera pri optimizaciji izvršnog programskog koda. Osim toga, RISC procesori imaju nižu potrošnju energije i rasipanje topline.

Među prvim implementacijama ove arhitekture bili su MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC procesori. U Mobilni uredaji ARM procesori imaju široku primjenu.

MISC procesori – Računalo s minimalnim skupom instrukcija - proračuni s minimalnim skupom instrukcija. Daljnji razvoj ideje tima Chucka Moorea, koji smatra da je princip jednostavnosti, izvorni princip RISC procesora, prebrzo izblijedio u drugi plan. U žaru borbe za maksimalnu izvedbu, RISC je sustigao i nadmašio mnoge CISC procesore u složenosti. MISC arhitektura temelji se na modelu računalstva stog s ograničenim brojem instrukcija (otprilike 20-30 instrukcija).

VLIW procesori – Vrlo duga instrukcijska riječ zapovjedna riječ. Arhitektura procesora s eksplicitnim računalnim paralelizmom ugrađenim u sustav instrukcija procesora. Oni su osnova za EPIC arhitekturu. Ključna razlika u odnosu na superskalarne CISC procesore je u tome što je kod njih dio procesora (scheduler) odgovoran za učitavanje izvršnih uređaja, za što je alocirano relativno kratko vrijeme, dok je kompilator angažiran na učitavanju računalnih uređaja za VLIW procesor, za koje se izdvaja puno više vremena (kvaliteta preuzimanja i, sukladno tome, performanse bi teoretski trebale biti veće). Primjer VLIW procesora je Intel Itanium.

Višejezgreni procesori – sadrže nekoliko procesorskih jezgri u jednom paketu (na jednom ili više čipova).

Procesori dizajnirani za pokretanje jedne kopije operacijski sustav na više jezgri, predstavljaju visoko integriranu implementaciju višeprocesiranja.

Prvi višejezgreni mikroprocesor postao POWER4 iz IBM-a koji se pojavio 2001. godine i imao je dvije jezgre.

U listopadu 2004. Sun Microsystems je objavio dvojezgreni procesor UltraSPARC IV, koji se sastojao od dvije modificirane UltraSPARC III jezgre. Početkom 2005. godine stvoren je dvojezgreni UltraSPARC IV+.

Dana 14. studenog 2005. Sun je izdao UltraSPARC T1 s osam jezgri, sa svakom jezgrom koja pokreće 4 niti.

5. siječnja 2006 Intel godine predstavila je prvi dvojezgreni procesor na jednom čipu, Core Duo, za mobilnu platformu

10. rujna 2007. izdani su izvorni (u obliku jednog čipa) četverojezgreni procesori za AMD Opteron poslužitelje, kodnog naziva AMD Opteron Barcelona tijekom razvoja. Dana 19. studenog 2007. u prodaju je stigao četverojezgreni procesor za kućna računala AMD Phenom. Ovi procesori implementiraju novu K8L (K10) mikroarhitekturu.

U listopadu 2007. osmojezgreni UltraSPARC T2 je pušten u prodaju, a svaka jezgra pokreće 8 niti.

U ožujku 2010. AMD je izdao prvi na svijetu 12-jezgreni poslužiteljski procesori Arhitektura Opteron 6100 x86.

Na ovaj trenutak Osobito su široko dostupni procesori s dvije, četiri i šest jezgri Intel Core 2 Duo na 65nm Conroe jezgri (kasnije na 45nm Wolfdale jezgri) i Athlon 64 X2 baziran na K8 mikroarhitekturi. U studenom 2006. objavljen je prvi četverojezgreni Intel Core 2 Quad procesor temeljen na Kentsfield jezgri, koji je sklop dva Conroe kristala u jednom paketu. Potomak ovog procesora bio je Intel Core 2 Quad na jezgri Yorkfield (45 nm), arhitekturom sličan Kentsfieldu, ali s većom veličinom predmemorije i radnim frekvencijama.

AMD je krenuo vlastitim putem, proizvodeći četverojezgrene procesore s jednim čipom (za razliku od Intela, čiji su prvi četverojezgreni procesori zapravo spajali dva dvojezgrena čipa). Unatoč svoj progresivnosti ovog pristupa, prvi "quad-core" tvrtke, nazvan AMD Phenom X4, nije bio vrlo uspješan. Njegovo zaostajanje za suvremenim konkurentskim procesorima kretalo se od 5 do 30 posto ili više, ovisno o modelu i specifičnim zadaćama.

Do 1.-2. tromjesečja 2009. obje su tvrtke ažurirale svoje linije četverojezgrenih procesora. Intel je predstavio obitelj Core i7 koja se sastoji od tri modela koji rade na različitim frekvencijama. Glavne značajke ovog procesora su korištenje trokanalnog memorijskog kontrolera (tip DDR-3) i tehnologija emulacije s osam jezgri (korisna za neke specifične zadatke). Osim toga, zahvaljujući općoj optimizaciji arhitekture, bilo je moguće značajno poboljšati performanse procesora u mnogim vrstama zadataka. Slaba strana platforme koja koristi Core i7 je njegova previsoka cijena, budući da je za instaliranje ovog procesora potrebna skupa matična ploča Intelov čipset X58 i trokanalni DDR3 memorijski set, koji također ima visoku cijenu u ovom trenutku.

AMD je pak predstavio liniju procesora Phenom II X4. Prilikom razvoja, tvrtka je uzela u obzir svoje pogreške: povećana je količina predmemorije (očigledno nedostatna za prvi Phenom), a proizvodnja procesora prebačena je na 45-nm procesnu tehnologiju, što je omogućilo smanjenje proizvodnje topline. te znatno povećati radne frekvencije. Općenito, AMD Phenom II X4 jednak je performansama s prethodnom generacijom Intelovih procesora (Yorkfield jezgra) i znatno zaostaje za Intel Core i7. No, izlaskom AMD Phenom II X6 Black Thuban 1090T procesora situacija se značajno promijenila u korist AMD-a. Ovaj procesor je cijenom na razini intel core i7 930, ali se po performansama može natjecati s linijom intel core i7 procesora. Njegovih punih 6 jezgri izvrsni su za složene zadatke s više niti.

Predmemorija je korištenje dodatne memorije velike brzine (cache) za pohranjivanje kopija blokova informacija iz glavne (RAM) memorije, čija je vjerojatnost da će se pristupiti u bliskoj budućnosti velika.

Postoje predmemorije razine 1, 2 i 3 (označene kao L1, L2 i L3 - od razine 1, razine 2 i razine 3). Predmemorija 1. razine ima najnižu latenciju (vrijeme pristupa), ali je mala, osim toga, predmemorije prve razine često su višestruko povezane. Tako, AMD procesori K8 je mogao izvoditi istovremeno 64-bitno pisanje i čitanje ili dva 64-bitna čitanja po taktu; AMD K8L je mogao izvoditi dva 128-bitna čitanja ili pisanja u bilo kojoj kombinaciji. Intel procesori Core 2 može obavljati 128-bitno pisanje i čitanje po taktu. L2 predmemorija obično ima značajno veću latenciju pristupa, ali se može učiniti mnogo većom. Predmemorija razine 3 najveća je po veličini i prilično spora, ali je još uvijek puno brža od RAM-a.

Harvardska arhitektura razlikuje se od von Neumannove arhitekture po tome što su programski kod i podaci pohranjeni u različitoj memoriji. U takvoj arhitekturi mnoge metode programiranja su nemoguće (na primjer, program ne može promijeniti svoj kod tijekom izvođenja; nemoguće je dinamički redistribuirati memoriju između programski kod i podaci); Ali Harvardska arhitektura omogućuje vam da radite učinkovitije u slučaju ograničenih resursa, pa se često koristi u ugrađenim sustavima.

Paralelna arhitektura - von Neumannova arhitektura ima nedostatak što je sekvencijalna. Bez obzira koliko veliku masu podataka treba obraditi, svaki bajt mora proći kroz središnji procesor, čak i ako se ista operacija mora izvršiti na svim bajtovima. Taj se efekt naziva von Neumannovo usko grlo.

Kako bi se prevladao ovaj nedostatak, predložene su i predlažu se procesorske arhitekture koje se nazivaju paralelne. Paralelni procesori se koriste u superračunalima.

Moguće opcije za paralelnu arhitekturu mogu biti (prema Flynnovoj klasifikaciji):

SISD - jedan tok naredbi, jedan tok podataka;

SIMD - jedan tok naredbi, mnogo tokova podataka;

MISD - više tokova naredbi, jedan tok podataka;

MIMD - mnogo tokova naredbi, mnogo tokova podataka.

Za digitalnu obradu signala, posebno s ograničenim vremenom obrade, koriste se specijalizirani mikroprocesori visokih performansi s paralelnom arhitekturom.

Prvi x86 procesori trošili su malenu (po modernim standardima) količinu energije, djelić vata. Povećanje broja tranzistora i povećanje frekvencije takta procesora doveli su do značajnog povećanja ovog parametra. Najproduktivniji modeli zahtijevaju do 130 vata ili više. Faktor potrošnje energije, koji je u početku bio beznačajan, sada ima ozbiljan utjecaj na evoluciju procesora:

– poboljšanje tehnologije proizvodnje za smanjenje potrošnje, traženje novih materijala za smanjenje struje curenja, smanjenje napona napajanja jezgre procesora;

– pojava soketa (soketa za procesore) sa veliki broj kontakata (više od 1000), od kojih je većina namijenjena za napajanje procesora. Dakle, za procesore za popularnu LGA775 utičnicu, broj glavnih kontakata za napajanje je 464 (oko 60% od ukupnog broja);

– promjena rasporeda procesora. Kristal procesora pomaknut je iznutra prema van radi boljeg odvođenja topline na radijator rashladnog sustava;

– integracija temperaturnih senzora i sustava zaštite od pregrijavanja u čip, koji smanjuje frekvenciju procesora ili ga čak zaustavlja ako temperatura poraste neprihvatljivo;

– pojavljivanje u najnoviji procesori inteligentni sustavi koji dinamički mijenjaju napon napajanja, frekvenciju pojedinih procesorskih blokova i jezgri te isključuju neiskorištene blokove i jezgre;

– pojava načina rada za uštedu energije za „spavanje“ procesora pri niskom opterećenju.

ZADATAK 2

248.615 =8F.9D70FA (16) = 370. 47270 (8) =10111000.10011 (2)

248|16

240 15

8

0.615 * 16 =9.84

0.84*16 =13.44

0.44*16= 7.04

0.04*16 = 0.64

0.64*16 = 10.24

248|8

248 31|8

0 24 3

7

0.615*8 =4.92

0.92*8 = 7.36

0.36*8 = 2.88

0.28*8=7.04

0.04*8 = 0.32

248 |2

248 124|2

0 124 62 |2

0 62 31 |2

0 30 15|2

1 14 7|2

1 6 3 |2

1 2 1

0

0.615*2 = 1.23

0.23*2 = 0.46

0.46*2 = 0.92

0.92*2 = 1.84

0.84*2 = 1.68

322,549 =142,8C8B4 (16) =502,43105 (8) =
101000010.10001 (2)

322|8

320 40 |8

2 40 5

0

0.549*8= 4.392

0.392 * 8 = 3.136

0.136 * 8 = 1.088

0.088 * 8 = 0.704

0.704 * 8 = 5.632

322|16

320 20 |16

2 16 1

4

0.549*16 =8.784

0.784 * 16 =12.544

0.544*16 =8.704

0.704*16 =11.264

0.264*16 = 4.224

322 |2

322 161|2

0 160 80 |2

1 80 40 |2

0 40 20 |2

0 20 10 |2

0 10 5 |2

0 4 2 |2

1 2 1

0

0.549 *2 = 1.098

0.098*2 = 0.196

0.196*2 = 0.392

0.392*2 = 0.784

0.784 *2 = 1.568

11001100,10101 =204,65625 (10) = 314,52 (8) =CC.A8 (16)

11110001,11101= 241,90625 (10) = 361,72 (8) =F1.E8 (16)

2,462E+03 = 2462

7,355E-02 = 0,07355

5,526E+04 = -55260

1,254E-01 = 0,1254

ZADATAK 3

1) sve datoteke čija imena počinju s “pr” i ne sadrže više od tri znaka

Uzorak

pr*.

sve datoteke

*

2) order.txt iz mape Postavljanje

D:\Postavljanje\order.txt

alladdin.exe iz mape Igre

D:\Mguk\Igre\alladdin.exe

ZADATAK 4

Da biste dovršili zadatak o ovom pitanju, morate se razviti u programu za obradu teksta Microsoft Word oglasni list na zadanu temu. Dokument mora sadržavati:

- tekst;

– vitičasti tekst;

- crtanje;

– stol.

Na temu: “Oglasni list za izdavačku kuću s formularom za narudžbu knjiga poštom.”

Pretplatite se na besplatni katalog i ostvarite popust pri svakoj drugoj kupnji

Kupon za besplatni kvartalni katalog

PUNO IME. ___________________________

Dob___________________________

Vrsta vaše djelatnosti ____________

Tvoji interesi_____________________

Vaše književne preferencije_______________________________________

Najvažnija komponenta svakog računala je njegova procesor (mikroprocesor)- softverski upravljani uređaj za obradu informacija izrađen u obliku jednog ili više velikih ili ultra velikih integriranih krugova.

Procesor uključuje sljedeće komponente:

§ upravljački uređaj- generira i isporučuje svim elementima računala u pravo vrijeme određene upravljačke signale (upravljačke impulse), određene specifičnostima operacije koja se izvodi i rezultatima prethodnih operacija;

§ aritmetičko-logička jedinica (ALU)- dizajniran za izvođenje svih aritmetičkih i logičke operacije preko numeričkih i simboličkih informacija;

§ koprocesor- dodatni blok potreban za složene matematičke izračune i pri radu s grafičkim i multimedijskim programima;

§ registri opće namjene- memorijske ćelije velike brzine, koje se uglavnom koriste kao različiti brojači i pokazivači na adresni prostor računala, čiji pristup može značajno povećati brzinu programa koji se izvršava;

§ cache memorija- memorijski blok velike brzine za kratkotrajnu pohranu, snimanje i izlaz informacija koje se obrađuju u određenom trenutku ili se koriste u izračunima. To poboljšava performanse procesora;

§ sabirnica podataka- sustav sučelja koji provodi razmjenu podataka s drugim PC uređajima;

§ generator takta(impulsi);

§ kontroler prekida;

Glavne karakteristike procesora su:

Frekvencija sata- broj elementarnih operacija (ciklusa) koje procesor izvrši u jednoj sekundi. Brzina sata se mjeri u megahercima (MHz) ili gigahercima (GHz). Što je veća brzina takta, procesor brže radi. Ova izjava vrijedi za jednu generaciju procesora, jer u različiti modeli procesori zahtijevaju različit broj ciklusa takta za izvođenje određenih radnji.

Bitna dubina- broj binarnih znamenki (bitova) informacija koje se obrađuju (ili prenose) u jednom taktu. Veličina bita također određuje broj binarnih bitova koji se mogu koristiti u procesoru za adresiranje RAM-a.

Procesore također karakterizira: vrsta jezgre procesora(tehnologija proizvodnje određena debljinom minimalnih elemenata mikroprocesora); frekvencija sabirnice, gdje rade; veličina predmemorije; pripadnost određenoj obitelji(kao i generiranje i modifikacija); "faktor oblika"(standardni uređaj i izgled) I dodatne mogućnosti (na primjer, prisutnost posebnog sustava "multimedijskih naredbi" dizajniranih za optimizaciju rada s grafikom, videom i zvukom).

Danas gotovo sva desktop IBM PC-kompatibilna računala imaju procesore od dva glavna proizvođača (dvije obitelji) - Intel I AMD.

Tijekom cijele povijesti razvoja IBM PC-a bilo je osam glavnih generacija u Intelovoj obitelji mikroprocesora (od i8088 do Pentiuma IV). Osim toga, Intel Corporation proizvela je i nastavlja proizvoditi spin-off generacije Pentium procesora (Pentium Pro, Pentium MMX, Intel Celeron, itd.). Generacije Intelovih mikroprocesora razlikuju se po brzini, arhitekturi, faktoru oblika itd. Štoviše, u svakoj se generaciji proizvode različite modifikacije.

Konkurencija Intelovim mikroprocesorima danas je AMD obitelj mikroprocesora: Athlon, Sempron, Opteron (Shanghai), Phenom.

Intel mikroprocesori i AMD nisu kompatibilni (iako su oba IBM PC kompatibilna i podržavaju iste programe) i zahtijevaju odgovarajuće matične ploče, a ponekad i memoriju.

Za osobna računala kao što je Macintosh (Apple) proizvode se vlastiti procesori iz obitelji Mac.