Referat Unitatea Centrala De Prelucrare

Mai jos puteti citi fragmente din Referat Unitatea Centrala De Prelucrare si de asemenea puteti face Download Referat Unitatea centrala de prelucrare

Citeste fragmente din Referat Unitatea Centrala De Prelucrare

Unitatea centrală de prelucrare (Central Processing Unit – CPU) Unitatea centrală de prelucrare (CPU) este, în ingineria calculatoarelor, un set de circuite microscopice care reprezintă procesorul cu informaţiile principale dintr-un calculator. CPU este în general un singur microprocesor creat de obicei dintr-un disc subţire de material semiconductor, de obicei siliciu, cu milioane de circuite electrice pe suprafaţa sa. Pe un nivel mai înalt, CPU este de fapt un număr de unităţi de prelucrare interconectate care sunt fiecare responsabile pentru un aspect al funcţiei unităţii centrale de prelucrare. Unităţile centrale de prelucrare standard conţin unităţi de prelucrare care interpretează şi implementează instrucţiunile software-ului, realizează calcule şi comparaţii, fac decizii logice (determinând dacă o propoziţie este adevărată sau falsă după regulile Algebrei Booleene), înmagazinează temporar informaţii pentru utilizarea ulterioară de către altă unitate de prelucrare a CPU, ţin evidenţa pasului curent în execuţia programului şi permit CPU să comunice cu restul calculatorului. I. Cum funcţionează CPU Funcţiile CPU CPU este asemenea unui calculator, însă mult mai puternică. Principala funcţie a CPU este să realizeze operaţii aritmetice şi logice pe baza datelor preluate din memorie sau pe baza unor informaţii primite prin intermediul unor dispozitive precum tastatură, scanner, sau joystick. CPU este controlată de o listă de instrucţiuni de software, numite program de calculator. Instrucţiunile de software care pătrund în CPU îşi au originea în unele forme de stocare de memorie precum hard disk, floppy disk, CD-ROM, sau benzi magnetice. Aceste instrucţiuni trec după aceea în memoria RAM (Random Access Memory), unde fiecărei instrucţiuni îi este dată o adresă, sau locaţie de memorie. CPU poate accesa date specifice în RAM prin specificarea adresei datei dorite. În timp ce programul este executat, datele sunt transmise din RAM prin intermediul unei unităţi de interfaţare prin fire numite bus, care conectează CPU la RAM. Datele sunt după aceea decodate de o unitate de prelucrare numită decodor de instrucţiuni care interpretează şi implementează instrucţiunile de software. De la decodorul de instrucţiuni datele sunt transmise Unităţii Aritmetice Logice (UAL), care realizează calculele şi comparaţiile. Informaţia poate fi stocată în UAL în locaţii de memorie temporare numite regiştri de unde poate fi repede folosită şi recuperată. UAL realizează operaţii specifice cum ar fi adunarea, înmulţirea şi testele condiţionale asupra datelor din regiştri, trimiţând rezultatele înapoi RAM-ului sau stocându-le într-un alt registru pentru uz ulterior. În timpul acestui proces, o unitate numită contor de program ţine evidenţa cu fiecare instrucţiune succesivă pentru a menţine siguranţa că instrucţiunile programului sunt urmărite de CPU în ordinea corectă. Instrucţiunile de ramificaţie De obicei, contorul de program al unităţii centrale de procesare avansează secvenţial de-a lungul instrucţiunilor. Totuşi, instrucţiuni speciale numite instrucţiuni de ramificaţie sau de salt permit CPU să se schimbe brusc către locaţia unei instrucţiuni din afara secvenţei. Aceste ramuri sunt fie necondiţionale sau condiţionale. O ramură necondiţională sare întotdeauna la un nou şir de instrucţiuni în afara ordinii. O ramură condiţională testează rezultatul operaţiei precedente pentru a vedea dacă ramura trebuie urmată. Spre exemplu, o ramură poate fi urmată numai dacă rezultatul operaţiei precedente a fost negativ. Datele care sunt testate pentru ramificaţie condiţională sunt stocate în locaţii speciale ale CPU numite steaguri (flags). Impulsurile de ceas CPU este condusă de unul sau mai multe circuite repetitive de ceas care trimit un flux constant de impulsuri de-a lungul setului de circuite ale CPU. CPU utilizează aceste impulsuri de ceas pentru a-şi sincroniza operaţiile. Cele mai mici incrementări ale muncii CPU sunt realizate între impulsuri de ceas secvenţiale. Sarcinile mult mai complexe durează câteva perioade de ceas pentru fi terminate. Impulsurile de ceas sunt măsurate în hertzi, sau numărul de impulsuri pe secundă. Spre exemplu, un procesor de 100 MHz are 100 de milioane de impulsuri de ceas care-l străbat pe secundă. Impulsurile de ceas sunt măsura vitezei procesorului. Numere în virgulă fixă şi în virgulă mobilă Majoritatea unităţilor centrale de procesare lucrează cu două tipuri de numere: în virgulă fixă şi în virgulă mobilă. Numerele în virgulă fixă au un număr specific de cifre de fiecare parte a punctului zecimal. Această restricţie limitează mulţimea de valori posibile pentru aceste numere, dar, în schimb, permite cea mai rapidă aritmetică. Numerele în virgulă mobilă sunt numerele care sunt exprimate în notaţiile ştiinţifice, în care un număr este reprezentat ca un număr zecimal înmulţit cu o putere a lui 10. Notaţia ştiinţifică este un mod compact de a exprima numere foarte mari sau foarte mici. Înaintea şi după punctul zecimal. Acest lucru este important pentru a reprezenta grafice şi pentru munca ştiinţifică, însă aritmetica în virgulă mobilă este mai complexă şi poate dura mai mult. Realizarea unei operaţii a unui număr în virgulă mobilă poate necesita mai multe perioade de ceas ale unităţii centrale de prelucrare. Rata de calculare a CPU a unei operaţii în virgulă mobilă este, drept urmare, mai mică decât rata ceasului. Unele calculatoare utilizează un procesor special pentru virgulă mobilă, numit coprocesor, care lucrează în paralel cu CPU pentru a mări viteza calculelor folosind numere în virgulă mobilă. Coprocesorul a devenit standard pentru unitatea centrală de prelucrare a multor calculatoare, cum este cazul cip-ului Pentium de la Intel. II. Istoric Primele calculatoare În interiorul primelor calculatoare, CPU era formată din tuburi electronice şi relee electrice, şi nu din tranzistoare microscopice pe cipuri de calculatoare. Aceste calculatoare erau imense şi necesitau multă putere în comparaţie cu calculatoarele conduse de microprocesoare de astăzi. Primul calculator electronic pentru scopuri generale, numit ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), a fost terminat în 1946 şi ocupa o întreagă cameră. Au fost folosite circa 18.000 de tuburi electronice pentru construcţia unităţii centrale de prelucrare a lui ENIAC şi a circuitelor de intrare/ieşire. Între 1946 şi 1956 toate calculatoarele aveau astfel de tuburi şi consumau cantităţi imense de energie şi necesitau întreţinere continuă, deoarece tuburile electronice se ardeau frecvent şi trebuiau înlocuite. Tranzistorul O soluţie pentru problemele avute de tuburile electronice a apărut în 1947, când fizicienii americani John Barden, Walter Brattain şi William Shockley au prezentat un dispozitiv revoluţionar de amplificare şi întrerupere electronică. Tranzistorul avea potenţialul de a lucra mai repede şi mai rentabil şi de a consuma mult mai puţină energie ca un tub electronic. În ciuda avantajelor copleşitoare ale tranzistoarelor, au fost necesari nouă ani pentru a fi utilizate într-un calculator comercial. Primul calculator care se putea găsi pe plan comercial ce utiliza tranzistoare a fost UNIVAC (UNIVersal Automatic Computer), care a fost trimis aviaţiei americane în 1956. C. Circuite integrate Evoluţia cip-ului de calculator a început în 1958, când Jack Kilby de la Texas Instruments a demonstrat ca era posibil să integrezi diferite componente ale CPU pe o singură bucată de siliciu. Cip-urile de calculatoare au fost denumite circuite integrate deoarece combinau circuite electronice multiple pe acelaşi cip. Design-ul ulterior şi descoperirile în materie de prelucrare au permis ca densităţile de tranzistoare pe circuitele integrate să crească enorm. Primele circuite integrate aveau numai câteva zeci de tranzistoare în comparaţie cu densitatea comună a unităţilor centrale de prelucrare din ziua de azi care variază între 3 milioane şi 5 milioane de tranzistoare pe un cip. În 1967, Fairchild Semiconductor a introdus un singur circuit logic integrat care conţinea toate funcţiile aritmetice şi logice pentru un procesor pe 8 biţi. Totuşi, un circuit integrat de calculator care să lucreze în totalitate era nevoie de alte circuite care să furnizeze regiştri de stocare, controlul fluxului de date, memorie şi căi de intrare/ieşire. Intel Corporation a reuşit acest lucru în 1971 când au introdus microprocesorul Intel 4004. Deşi acest procesor nu putea controla decât aritmetica pe 4 biţi, era destul de puternic pentru a deveni „miezul” multor calculatoare de mână din acea vreme. În 1975 Micro Instrumentation Telemetry Systems a introdus Altair 8800, primul kit pentru un calculator personal care să conţină un microprocesor pe 8 biţi. Deoarece microprocesoarele erau atât de ieftine şi de încredere, tehnologia calculatoarelor a avansat rapid până într-un punct în care oamenii de rând îşi permiteau cumpărarea unui mic calculator. Conceptul de calculator personal (Personal Computer) a fost posibil o dată cu apariţia unităţii centrale de prelucrare pentru un microprocesor. În 1978, Intel a introdus primul dintre unităţile sale centrale de prelucrare x86, microprocesorul pe 16 biţi 8086. Deşi microprocesoarele pe 16 biţi încă sunt actuale, microprocesoarele din ziua de azi devin din ce în ce mai sofisticate, cu multe unităţi centrale de prelucrare pe 32 de biţi şi chiar pe 64 de biţi. Procesoarele de înaltă performanţă pot lucra cu rate interne de ceas care depăşesc chiar 1GHz, sau peste un miliard de impulsuri de ceas pe secundă. Fabricarea unui circuit integrat Dispozitivul fundamental al lumii digitale este circuitul integrat, o mică piesă de formă pătrată de siliciu conţinând milioane de tranzistoare. Este probabil cel mai complex dispozitiv creat de om. Deşi pare plat, este de fapt o structură tridimensională creată prin construirea in cel mai mic detaliu pe bază de siliciu a câtorva straturi forte subţiri de materiale care izolează şi conduc electricitatea. Asamblate conform unui tipar care a fost conceput cu foarte mare grijă în avans, aceste straturi formează tranzistorele, care funcţionează ca întrerupătoare care controlează fluxul de electricitate prin circuit, cunoscut şi sub numele de cip. Poziţiile „pornit” şi „oprit” ale întrerupătorului manipulează codul binar care este miezul funcţionării calculatorului. Construcţia în sine a unui cip necesită, de obicei, câteva sute de paşi de fabricare care durează câteva săptămâni. Fiecare pas trebuie executat perfect pentru ca cip-ul sa funcţioneze. Condiţiile sunt foarte stricte. Spre exemplu, deoarece un fir de praf poate distruge cip-ul, fabricarea trebuie sa aibă loc într-o „cameră curată” care conţine mai puţin de 25 de submicroni de particule de praf într-un metru cub de aer (în contrast, camera de zi are între doua milioane şi douazeci de milioane de particule într-un metru cub de aer). Mare parte din echipamentul necesar pentru crearea cip-urilor admite cea mai înaltă dintre tehnologiile înalte, astfel încât fabricile de cip-uri, care costă între un miliard şi două miliarde de dolari, sunt printre cele mai costisitoare întreprinderi. cip-urile. Sutele de paşi individuali din acest proces pot fi grupaţi în câteva operaţii de bază. Proiectarea cip-ului Prima operaţie este proiectarea cip-ului. Când ai de construit milioane de tranzistoare pe o pastilă de siliciu de dimensiunea unghiei unui copil, plasarea şi interconectarea tranzistoarelor trebuie lucrată meticulos. Fiecare tranzistor trebuie proiectat pentru funcţia proprie, şi se combină grupuri de tranzistoare pentru a crea elemente de circuit cum ar fi invertoarele, sumatoarele şi decodoarele. Proiectantul trebuie să ia de asemenea în consideraţie scopul pentru care a fost proiectat cip-ul. Un cip de procesor execută instrucţiunile dintr-un calculator iar cipul de memorie stochează datele. Cele două tipuri de cip-uri diferă oarecum în structură. Din cauza complexităţii cip-urilor din ziua de astăzi, munca de proiectare este realizată de un calculator, deşi inginerii printează adesea o diagramă mărită a structurii cip-ului pentru a o examina în detaliu. Cristalul de siliciu Materialul de baza pentru construcţia unui circuit integrat este cristalul de siliciu. Siliciul, elementul cel mai abundent pe pământ după oxigen, este ingredientul principal al nisipului de plajă. Siliciul este un semiconductor natural, ceea ce înseamnă ca poate fi alterat pentru a deveni fie izolator, fie conductor. Pentru a obţine cristalul de siliciu, siliciul-„minereu” este obţinut din cuarţ şi este tratat cu chimicale pentru elimina impurităţile până când ceea ce rămâne este aproape 100% siliciu. Siliciul purificat este topit şi apoi transformat în cristale de formă cilindrică numite lingouri. Lingourile sunt feliate în membrane de circa 0,725 mm grosime. Într-unul din paşi, numit planarizare sunt lustruite până când capătă o suprafaţă fină ca o oglindă şi fără cusur. În prezent, majoritatea acestor membrane au un diametru de 200 mm, dar industria doreşte obţinerea unui diametru standard de 300 mm. Deoarece o singură membrană produce sute de cip-uri, membrane mai mari înseamnă că mai multe cip-uri pot fi produse, scăzând costul de producţie. Primele straturi Când membrana este pregătită, procesul construcţiei circuitului cip-ului începe. Crearea tranzistoarelor şi interconectarea lor cuprinde câţiva paşi de bază care se repetă de mai multe ori. Cele mai complexe cip-uri create astăzi conţin 20 sau mai multe straturi şi pot necesita câteva sute de paşi de procesare distincţi pentru crearea acestora una câte una. Primul strat este dioxidul de siliciu, care nu conduce electricitatea şi, drept urmare, serveşte ca izolator. Este creată prin suprapunerea straturilor pe un cuptor de difuziune, care este de fapt un cuptor la temperatură înaltă unde un strat subţire de oxid este crescut pe suprafaţa membranei. Înlăturată de pe cuptor, membrana este acum gata pentru primul său pas de creare a unui tipar, aşa zisul pas fotolitografic. O pătura de lichid polimeric uşor vâscos numit fotorezistent, care devine solubil când este expus la lumină ultravioletă, este depus pe suprafaţă. Se depune o cantitate precisă de fotorezistent pe suprafaţa membranei. Apoi membrana este supusă unei mişcări de rotaţie, astfel încât forţa centrifugă împrăştie lichidul pe suprafaţa acesteia formând un strat de grosime uniformă. Această operaţie are loc pe fiecare strat care este modificat de o procedură fotolitografică, numită mascare. Mascarea Masca este dispozitivul prin care lumina ultravioleta luminează pentru a defini tiparul pe fiecare strat al cip-ului. Deoarece tiparul este deosebit de complex şi trebuie să fie poziţionat precis pe cip, aranjamentul spaţiilor opace şi transparente pe mască trebuie realizat cu foarte mare grijă în timpul operaţiei de proiectare a cipului. Imaginea măştii este transferată pe membrană folosind un aparat controlat de calculator. Acesta are un sistem complicat de lentile care reduce tiparul de pe masca la dimensiunile microscopice ale circuitelor cip-ului, necesitând o rezoluţie de până la 0,25 microni. Membrana este menţinută pe o masă de poziţionare dedesubtul sistemului de lentile. Lumina ultravioletă de la o lampă specială sau de la un laser trece prin spaţiile libere ale tiparului complex al măştii pe stratul fotorezistent al unui cip. Apoi masa de sub lentile mişcă membrana o distanţă precisă necesară pentru poziţionarea cip-ului sub lumină. Pe fiecare cip, componentele stratului fotorezistent care au fost lovite de lumină devin solubile şi pot fi, asemenea unui film fotografic, „developate”, folosind solvenţi naturali. După ce fotorezistentul capătă tiparul, membrana este gata pentru imprimare. Imprimarea În timpul acestui pas, fotorezistentul care a rămas pe suprafaţă protejează părţi ale straturilor de dedesubt de a fi înlăturate de acizii şi gazele reactive folosite pentru a imprima tiparul pe suprafaţa membranei. După ce imprimarea se sfârşeşte, stratul protector de fotorezistent este înlăturat, evidenţiind astfel segmente conductoare sau izolatoare electric pe tiparul determinat de mască. Fiecare strat adiţional aşezat pe cip are un tipar distinct. Adăugarea straturilor Mascarea şi imprimarea ulterioară depozitează tiparele materialelor adiţionale pe cip. Aceste materiale includ polisiliciu ca şi diferiţi oxizi şi conductori metalici, cum ar fi aluminiul şi tungstenul. Pentru a preveni formarea de compuşi nedoriţi în paşii următori, alte materiale cunoscute sub numele de bariere de difuziune pot fi de asemenea adăugate. Pe fiecare strat de material, mascarea şi imprimarea creează un tipar unic de suprafeţe conductoare şi izolatoare. Împreună, aceste tipare aliniate una deasupra alteia formează circuitele cipului într-o structură tridimensională. Dar circuitele necesită o perfectă stare de funcţionare, furnizată de un alt pas numit dopare. Doparea În timpul dopării se adaugă impurităţi chimice, cum ar fi bor sau arsenic, anumitor părţi ale membranei de siliciu pentru a altera modul în care fiecare suprafaţă dopată de siliciu conduce electricitatea. Sunt folosite adesea maşinile numite implantatori de ioni pentru a injecta aceste impurităţi pe cip. În termeni electrici, siliciul poate fi fie de tipul n sau de tipul p, depinzând de impurităţile adăugate. Atomii din materialul dopat în siliciul de tipul n au un electron în plus care este liber să se mişte. Unii dintre atomii dopaţi în siliciul de tipul p au un electron lipsă şi constituie astfel ceea ce se numeşte un gol. Când cele două tipuri se unesc, electronii aflaţi în plus pot trec de la tipul n la tipul p pentru a umple golurile. Această mişcare a electronilor nu continuă în mod infinit. Până la urmă ionii pozitivi rămaşi pe partea tipului n şi ionii negativi de pe partea p creează împreuna o forţă electrică care previne un eventual flux de electroni de la tipul n la tipul p. Materialul de la baza cip-ului este siciul de tipul p. Unul dintre paşii de imprimare în fabricarea cipului înlătură anumite părţi ale straturilor de dioxizi de siliciu şi de polisiliciu aşezaţi pe baza de siliciu pur mai înainte, lăsând astfel libere două striaţii de siliciu de tipul p. Acestea sunt separate de o striaţie care îşi are încă stratul de polisiliciu conductor; aceasta este „poarta” tranzistorului. Materialul dopat aplicat celor două striaţii de siliciu de tip p le transformă în siliciu de tip n. O sarcină pozitivă aplicată porţii atrage electronii sub poartă în baza de siliciu a tranzistorului. Aceşti electroni creează un canal între o striaţie de tipul n (sursa) şi o alta (scurgerea). Daca se aplică o tensiune pozitivă scurgerii, curentul va merge de la sursă la scurgere. În acest fel, tranzistorul este „pornit”. O sarcină negativă aplicată porţii goleşte canalul de electroni, prevenind astfel fluxul de curent între sursă şi scurgere. Acum tranzistorul este „oprit”. Poziţionarea tranzistorului pe „oprit” sau „pornit” reprezintă de fapt 0 sau 1, care constituie codul binar, limbajul calculatoarelor. Realizate de multe ori în mulţi ani, aceste operaţii furnizează cip-ul cu multitudinea sa de tranzistori. Dar aşa cum trebuiesc luate măsuri pentru ca firele electrice şi ţevile dintre etajele unui bloc să funcţioneze, trebuie luate măsuri pentru interconectarea tranzistoarelor pentru ca acestea să formeze un set de circuite integrate. Interconectările Pasul final începe cu alte operaţii de mascare şi de imprimare care deschid un strat subţire de contacte electrice între straturile cipului. Apoi este depozitat aluminiu şi capătă un tipar folosind fotolitografia pentru a crea un fel de fire care leagă toate tranzistoarele cipului. Aluminiul este folosit pentru aceste aplicaţii deoarece acesta creează un bun contact electric cu siliciul şi de asemenea se uneşte bine cu dioxidul de siliciul. Acest pas încheie prelucrarea membranei. Acum cip-urile sunt testate pentru a fi siguri că toate conectările electrice funcţionează. În continuare, o maşină taie membrana în cip-uri individuale şi cip-urile bune sunt separate de celelalte. Cip-urile bune, de obicei cea mai mare parte, sunt aşezate pe unităţi de împachetare cu vârfuri metalice, care sunt unite de cipuri cu nişte fire speciale. Contactul electric între suprafaţa cipului şi vârfuri se realizează cu mici fire de aluminiu sau de aur de circa 0,025 mm în diametru. Când procesul de împachetare s-a încheiat, cip-urile sunt trimise pentru munca digitală. IV. Evoluţia curentă Natura competitivă a industriei de calculatoare şi utilizarea unor calcule mai rapide şi de cost mai ridicat continuă să conducă către unităţi centrale de prelucrare mai rapide. Dimensiunea minimă a tranzistorului care poate fi fabricat folosind tehnologia curentă se apropie rapid de limita teoretică. În tehnicile standard de proiectare a microprocesorului, se foloseşte lumina ultravioletă (cu lungime de undă scurtă) pentru a expune pătura sensibilă a cip-ului de siliciu la lumină. Diferite metode sunt după aceea folosite pentru a imprima materialul de baza prin tiparul creat de lumină. Aceste imprimări formează căile pe care le urmează curentul electric în cip. Limita teoretică a tranzistoarelor folosind acest tip de fabricare este aproximativ egală cu lungimea de undă a luminii utilizate pentru a expune pătura sensibilă la lumina. Prin folosirea unei lumini de lungime de undă mai scurte se pot obţine detalii mai mari şi se pot fabrica tranzistoare mai mici, rezultând unităţi centrale de prelucrare mai rapide şi mai puternice. Imprimarea circuitelor integrate cu raze X, care au o mult mai mică lungime de undă decât lumina ultravioletă, poate furniza mari reduceri ale dimensiunii tranzistoarelor, rezultând în îmbunătăţiri ale vitezei procesoarelor. Sunt urmărite multe alte domenii de cercetare în încercarea de a crea unităţi centrale de procesare mai rapide. Noi materiale de baza pentru circuite integrate, cum ar fi straturi compuse de arsenit de galiu şi arsenit de aluminiu şi galiu, pot contribui la cip-uri mai rapide. De asemenea sunt luate în considerare alternative la modelul bazat pe tranzistoare . Idei experimentale în studiul calculelor pot schimba radical proiectarea calculatoarelor şi conceptul de CPU in viitor. Aceste idei includ calculul prin cuante, în care fiecare atom retine biţi de informaţie, calculul molecular, unde unele tipuri de probleme pot fi rezolvate folosind tehnici de recombinare a ADN-ului si reţelele neurale, care sunt sisteme de calculatoare cu capacitatea de a învăţa. PAGE PAGE 10 쥁@