Микропроцессоры, структура, основные характеристики

Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

1) чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

2) чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

3) прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

4) обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;

5) выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

В состав микропроцессора входят следующие устройства.

1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. В состав АЛУ входит память на регистрах (4-20 регистров), которая обеспечивает более высокое быстродействие микропроцессора при выполнении операций с операндами, по с сравнению с их хранением в оперативной памяти.

2. Устройство управления, которое координирует взаимодействие различных частей микропроцессора и выполняет следующие основные функции:

3. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя:

• внутренний интерфейс микропроцессора;

• буферные запоминающие регистры;

• схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. (Порт ввода-вывода — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство.)

К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций в десятки раз. Модели микропроцессора Intel, начиная с МП 80486 DX, включают математический сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие компьютера.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.

Прерывание — это временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

1) микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

2) микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

3) микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

4) микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.

Важнейшими характеристиками микропроцессора являются:

Тактовая частота. Характеризует быстродействие компьютера. Режим работы процессора задается микросхемой, называемой генератором тактовых импульсов. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций выполняет микропроцессор за одну секунду. Тактовая частота измеряется в МГц;

Разрядность процессора. Это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обрабатывать в единицу времени и тем больше, при прочих равных условиях, производительность компьютера;

Адресное пространство. Каждый конкретный процессор может работать с определенным количеством байт оперативной памяти. Максимальное количество памяти, которое процессор может обслужить, называется адресным пространством процессора. Определяется адресное пространство разрядностью адресной шины.

Ядерность процессора. Количество процессоров (АЛУ,УУ), размещенных на одном кристалле (чипе) и объединенных общим УУ.

Multi-core computers (многоядерные компьютеры) – получившая наиболее широкую популярность в настоящее время архитектура компьютеров, при которой каждый процессор имеет несколько ядер (cores), объединенных в одном кристалле и параллельно работающих на одной и той же общей памяти, что дает широкие возможности для параллельных вычислений. В настоящее время известны многоядерные процессоры фирмы Intel (Core 2 Duo, Dual Core, i3, i5, i7 и др.), а также мощные многоядерные процессоры фирмы Sun / Oracle: Ultra SPARC-T1 ("Niagara") - 16-ядерный процессор; Ultra SPARC-T2 ("Niagara2") – 32-ядерный процессор. Все ведущие фирмы мира заняты разработкой и выпуском все более мощных многоядерных процессоров. Соответственно, создатели операционных систем для таких компьютеров разрабатывают базовые библиотеки программ, позволяющие в полной мере использовать возможности параллельного выполнения на многоядерных процессорах.

Threading!!!

Hybrid processor computers (компьютеры с гибридными процессорами) – новый, все шире распространяющийся подход к архитектуре компьютеров, при котором процессор имеет гибридную структуру – состоит из (многоядерного) центрального процессора (CPU) и (также многоядерного) графического процессора (GPU – Graphical Processor Unit). Такая архитектура была разработана, в связи с необходимостью параллельной обработки графической и мультимедийной информации, что особенно актуально для компьютерных игр, просмотре на компьютере высококачественного цифрового видео и др. Гибридная архитектура является новым "интеллектуальным вызовом" для разработчиков компиляторов, которым необходимо разработать и реализовать адекватный набор оптимизаций как для центральных, так и для графических процессоров. Примерами таких архитектур являются новые процессоры фирмы AMD, а также графические процессоры серии Tesla фирмы NVidia.

Нарисовать картинку !!!!!

Оперативная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими устройствами компьютера. Функции памяти:

• прием информации от других устройств;

• запоминание информации;

• выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Основная память содержит два вида запоминающих устройств:

• ПЗУ — постоянное запоминающее устройство;

• ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.

ПЗУ предназначено для хранения постоянной программной и справочной информации. Данные в ПЗУ заносятся при изготовлении. Информацию, хранящуюся в ПЗУ, можно только считывать, но не изменять.

В ПЗУ находятся:

• программа управления работой процессора;

• программа запуска и останова компьютера;

• программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;

• программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью;

• информация о том, где на диске находится операционная система.

ПЗУ является энергонезависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется.

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом компьютером в текущий период времени.

Типы оперативной памяти современных компьютеров

Хотя компьютерная индустрия и не стоит на месте, но за последние 7 лет особого прорыва в производительности не было и новые типы компьютеров были лишь немного быстрее предыдущих. По это причине до сих пор в строю компьютеры класса Intel Celeron и Pentium 4 на Socket 475 и AMD Athlon на Socket A. Среди операционных систем так же преобладает, как и 7 лет назад, Windows XP. Но вот оперативная память пережила уже три поколения, и в каждом поколении было несколько разновидностей модулей памяти, в основном отличающиеся частотой работы.

Рассмотрим все типы оперативной памяти для персональных компьютеров.

• DDR - является самым старым видом оперативной памяти, которую можно еще сегодня купить, но ее рассвет уже прошел, и это самый старый вид оперативной памяти, который мы рассмотрим. Вам придется найти далеко не новые материнские платы и процессоры которые используют этот вид оперативной памяти, хотя множество существующих систем используют DDR оперативную память. Рабочее напряжение DDR - 2.5 вольт, и является наибольшим потребителем электроэнергии из рассматриваемых нами 3 видов памяти.

• DDR2 - это наиболее распространенный вид памяти, который используется в современных компьютерах. Это не самый старый, но и не новейший вид оперативной памяти. DDR2 в общем работает быстрее чем DDR, и поэтому DDR2 имеет скорость передачи данных больше чем в предыдущей модели (самая медленная модель DDR2 по своей скорости равна самой быстрой модели DDR). DDR2 потребляет 1.8 вольт.

• DDR3 - быстрый и новый тип памяти. Опять же, DDR3 развивает скорость больше чем DDR2, и таким образом самая низкая скорость такая же как и самая быстрая скорость DDR2. DDR3 потребляет электроэнергию меньше других видов оперативной памяти. DDR3 потребляет 1.5 вольт.

Таблица 1: Технические характеристики оперативной памяти по стандартам JEDEC

JEDEC - Joint Electron Device Engineering Council (Объединенный инженерный совет по электронным устройствам)

Важнейшей характеристикой, от которой зависит производительность памяти, является ее пропускная способность, выражающаяся как произведение частоты системной шины на объем данных, передаваемых за один такт. Современная память имеет шину шириной 64 бита (или 8 байт), поэтому пропускная способность памяти типа DDR400, составляет 400 МГц х 8 Байт = 3200 Мбайт в секунду (или 3.2 Гбайт/с). Отсюда, следует и другое обозначение памяти такого типа - PC3200. В последнее время часто используется двухканальное подключение памяти, при котором ее пропускная способность (теоретическая) удваивается. Таким образом, в случае с двумя модулями DDR400 мы получим максимально возможную скорость обмена данных 6.4 Гбайт/с.

Но на максимальную производительность памяти также влияет такие важные параметры как "тайминги памяти".

Известно, что логическая структура банка памяти представляет собой двумерный массив - простейшую матрицу, каждая ячейка которой имеет свой адрес, номер строки и номер столбца. Чтобы считать содержимое произвольной ячейки массива, контроллер памяти должен задать номер строки RAS (Row Adress Strobe) и номер столбца CAS (Column Adress Strobe), из которых и считываются данные. Понятно, что между подачей команды и ее выполнением всегда будет какая-то задержка (латентность памяти), вот ее-то и характеризуют эти самые тайминги. Существует множество различных параметров, которые определяют тайминги, но чаще всего используются четыре из них:

• CAS Latency (CAS) - задержка в тактах между подачей сигнала CAS и непосредственно выдачей данных из соответствующей ячейки. Одна из важнейших характеристик любого модуля памяти;

• RAS to CAS Delay (tRCD) - количество тактов шины памяти, которые должны пройти после подачи сигнала RAS до того, как можно будет подать сигнал CAS;

• Row Precharge (tRP) - время закрытия страницы памяти в пределах одного банка, тратящееся на его перезарядку;

• Activate to Precharge (tRAS) - время активности строба. Минимальное количество циклов между командой активации (RAS) и командой подзарядки (Precharge), которой заканчивается работа с этой строкой, или закрытия одного и того же банка.

Если вы увидите на модулях обозначения "2-2-2-5" или "3-4-4-7", можете не сомневаться, это упомянутые выше параметры: CAS-tRCD-tRP-tRAS.

Стандартные значения CAS Latency для памяти DDR - 2 и 2.5 такта, где CAS Latency 2 означает, что данные будут получены только через два такта после получения команды Read. В некоторых системах возможны значения 3 или 1.5, а для DDR2-800, к примеру, последняя версия стандарта JEDEC определяет этот параметр в диапазоне от 4 до 6 тактов, при том, что 4 - экстремальный вариант для отборных "оверклокерских" микросхем. Задержка RAS-CAS и RAS Precharge обычно бывает 2, 3, 4 или 5 тактов, а tRAS - чуть больше, от 5 до 15 тактов. Естественно, чем ниже эти тайминги (при одной и той же тактовой частоте), тем выше производительность памяти. Например, модуль с латентностью CAS 2,5 обычно работает лучше, чем с латентностью 3,0. Более того, в целом ряде случаев быстрее оказывается память с меньшими таймингами, работающая даже на более низкой тактовой частоте.

В таблицах 2-4 предоставлены общие скорости памяти DDR, DDR2, DDR3 и спецификации:

Таблица 2: Общие скорости памяти DDR и спецификации

Таблица 3: Общие скорости памяти DDR2 и спецификации

  Таблица 4: Общие скорости памяти DDR3 и спецификации

=============================================

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к памяти). Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт), каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться. ОЗУ является энергозависимой памятью, при выключении питания информация в нем стирается

В современных персональных компьютерах объем памяти обычно составляет 1-4 Гбайт. Объем памяти - важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы и работоспособность программ.

Кроме ПЗУ и ОЗУ на системной плате имеется и энергонезависимая CMOS-память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом включении системы. Это полупостоянная память. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера — SETUP.

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью, в ней хранятся копии наиболее более часто используемых участков оперативной памяти. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя.

В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы.

Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную кэш-память. Микропроцессоры Pentium и Pentium Pro имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная кэш-память, размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, емкость которой может достигать нескольких Мбайт.

Внешняя память относится к внешним устройствам компьютера и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера.

Устройства внешней памяти — внешние запоминающие устройства — весьма разнообразны. Их можно классифицировать по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа и т. д.

Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами являются:

• накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

• !!!накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

• накопители на оптических дисках (CD-ROM). BluRay – более современный формат компакт-дисков емкостью до 25 или 50 GB.

Реже в качестве устройств внешней памяти персонального компьютера используются запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте — стриммеры.

Накопители на дисках — это устройства для чтения и записи с магнитных или оптических носителей. Назначение этих накопителей — хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.

НЖМД и НГМД различаются лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

В качестве запоминающей среды у магнитных дисков используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два магнитных состояния — два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры 0 и 1. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек (треков). Количество дорожек на диске и их информационная емкость зависят от типа диска, конструкции накопителя, качества магнитных головок и магнитного покрытия.

Каждая дорожка разбита на секторы. В одном секторе обычно размещается 2ⁿ байт данных. Обмен данными между накопителем на магнитном диске и оперативной памятью осуществляется последовательно целым числом секторов. Для жесткого магнитного диска используется также понятие цилиндра — совокупности дорожек, находящихся на одинаковом расстоянии от центра диска.

Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Это означает, что компьютер может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка записи и чтения накопителя.

Накопители на жестких магнитных дисках получили название «винчестер». Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска, имевшего 30 дорожек по 30 секторов каждая, что случайно совпало с калибром охотничьего ружья «винчестер». Емкость накопителя на жестком магнитном диске измеряется в Мбайтах и Гбайтах.

Были накопители на магнитных дисках — ZIP-диски — переносные устройства емкостью 230-280 Мбайт.

Широкое распространение получили накопители на оптических дисках (CD, DVD). Благодаря маленьким размерам, большой емкости и надежности эти накопители становятся все более популярными. Емкость накопителей на оптических дисках — от 640 Мбайт и выше.

Оптические диски делятся на неперезаписываемые лазерно-оптические диски, перезаписываемые лазерно-оптические диски и перезаписываемые магнитооптические диски. Неперезаписываемые диски поставляются фирмами-изготовителями с уже записанной на них информацией. Запись информации на них возможна только в лабораторных условиях, вне компьютера.

Кроме основной своей характеристики — информационной емкости, дисковые накопители характеризуются и двумя временными показателями:

• временем доступа;

• скоростью считывания подряд расположенных байтов.