Структура памяти центрального процессора – Программная модель центрального процессора

3. Функциональная и структурная организация центрального процессора эвм

В области вычислительной техники различают процессоры центральные, специализированные, ввода-вывода, передачи данных и коммуникационные.

3.1. Назначение и структура центрального процессора

Центральный процессор— основное устройство ЭВМ, которое наряду с обработкой данных выполняет функции управления системой: инициирование ввода-вывода, обработку системных событий, управление доступом к основной памяти и т.п.

Организация центрального процессора (ЦП) определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, представление чисел, способы адресации, общая организация машины и её основные элементы), а также технико-экономическими показателями.

Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств (рис. 3.1): средства обработки, средства управления системой и программой, локальная память, средства управления вводом-выводом и памятью, системные средства.

Средства обработки обеспечивают выполнение операций с фиксированной и плавающей точкой, операций с десятичными данными и полями переменной длины. Локальная память состоит из регистров общего назначения и с плавающей точкой, а также управляющих регистров. К средствам управления памятью относятся средства управления доступом к ОП и предвыборкой команд, буферная память, средства защиты памяти. Средства управления вводом-выводом обеспечивают приоритетный доступ программ через контроллеры (каналы) к периферийному оборудованию. К системным средствам относятся средства службы времени: часы астрономического времени, таймер, коммутатор и т.д.

Существует обязательный (стандартный) минимальный набор функциональных средств для каждого типа центрального процессора. Он включает в себя: регистры общего назначения, средства выполнения стандартного набора операций и средства управления вычислительным процессом. Конкретная реализация ЦП может различаться составом средств, способом их реализации, техническими параметрами.

Структурно все функциональные средства разбиваются на следующие устройства (рис. 3.2): центральное устройство управления (ЦУУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления памятью (УУП), сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ), устройство предвыборки команд и данных (УП) и интерфейс магистрали (ИМ).

Центральное устройство управления включает дешифратор команд, блок управления и блок прерываний. Дешифратор команд дешифрирует команды, которые поступают из блока предварительной выборки (очереди команд). Блок управления (БУ) формирует последовательности управляющих сигналов, которые поступают на все блоки процессора, обеспечивающие выполнение очередной команды и переход к следующей. Блок прерываний проводит анализ запросов на прерывания, формирует сигнал прерывания работы процессора и код (вектор) запроса с наивысшим приоритетом.

Арифметико-логическое устройство выполняет все арифметические и логические операции набора команд ЭВМ. В состав устройства входят традиционные арифметико-логические блоки, специализированные аппаратные средства (блок ускоренного умножения), буферные и рабочие регистры, иногда собственный блок управления. Во многих случаях выполнение операций с плавающей точкой осуществляется в отдельном блоке (процессоре), который имеет собственные регистры данных, управления и работает параллельно с центральным процессором.

Сверхоперативное ЗУ (регистровый файл) содержит регистры общего назначения (РОН), в которых хранятся данные и адреса.

Устройство управления памятью (диспетчер памяти) предназначено для сопряжения центрального процессора и подсистемы ввода-вывода с оперативной памятью. Оно состоит из блока сегментации и блока страничной адресации, осуществляющих двухступенчатое формирование физического адреса ячейки памяти: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы. Наличие блоков сегментации и страничной адресации, их одновременное функционирование обеспечивают максимальную гибкость проектируемой системы. Сегментация полезна для организации в памяти локальных модулей и является инструментом программиста, в то время как страницы нужны системному программисту для эффективного использования физической памяти системы.

Устройство предвыборки команд и данных включает блок предвыборки команд и внутреннюю кэш-память (кэш-память первого уровня). Первый осуществляет заполнение очереди команд, причем выборка из памяти производится в промежутках между магистральными циклами команд. Внутренняя кэш-память позволяет существенно повысить производительность процессора за счет буферизации в ней часто используемых команд и данных, сокращения числа обращений к оперативной памяти.

Интерфейс магистрали реализует протоколы обмена центрального процессора с памятью, контроллерами (каналами) ввода-вывода, другими активными устройствами системы. Обмен осуществляется с помощью шин данных, адреса и управления. Состав линий управления, тактовая сетка, магистральные циклы обмена существенно отличаются у различных типов процессоров.

В современных суперскалярных процессорах используется целый ряд параллельно функционирующих исполнительных устройств (от 2 до 6 устройств). В их состав могут входить:

• несколько целочисленных устройств;

• устройство плавающей точки;

• устройство выполнения переходов;

• устройство загрузки/записи.

Устройство выполнения переходов обрабатывает команды условных переходов. Если условия перехода доступны, то решение о направлении перехода принимается немедленно, в противном случае выполнение последующих команд продолжается по предположению (спекулятивно).

Пересылки данных между кэш-памятью данных, с одной стороны, и регистрами общего назначения и регистрами плавающей точки, с другой стороны, обрабатываются устройством загрузки/записи.

studfile.net

Лекция 9. Структура процессора

1

Структура процессора станет совершенно понятной, если задуматься над тем, какие операции ему предстоит выполнять при обработке машинной команды.

• Извлечение команды — процессор считывает команду из памяти.

• Интерпретация команды — процессор расшифровывает команду и опре­деляет, какие операции ему предстоит выполнить.

• Извлечение данных — для выполнения команды может потребоваться про­честь данные из памяти или из модуля ввода-вывода.

• Обработка данных — выполнение команды может потребовать преобразо­вания данных, т.е. выполнения над ними определенных арифметических или логических операций.

• Запись данных — если в процессе выполнения команды данные были из­менены, результат необходимо где-то зафиксировать. В частности, результат может быть записан в память или передан в модуль ввода-вывода.

Чтобы выполнить перечисленные операции, процессору требуются опреде­ленные средства временного хранения информации. Ему нужно помнить, где на­ходится выполняемая команда, и тогда можно будет определить, откуда выбрать следующую. Ему нужно хранить коды команд и данных во время их обработки. Другими словами, процессор нуждается в собственной внутренней памяти.

На рис. 11.1 представлена упрощенная структурная схема процессора, на кото­рой видно, как он взаимодействует с остальными компонентами компьютера через системную магистраль. Аналогичный интерфейс, как было описано в главе 3, долж­ны иметь все взаимодействующие компоненты компьютера. Читатель должен при­помнить, что главными структурными компонентами процессора являются

арифме­тическое и логическое устройство (АЛУ) и устройство (или узел) управления (УУ). На АЛУ возлагаются собственно вычисления, т.е. преобразование информации, а УУ управляет как потоком данных и команд, поступающих в процессор и выходящих из него, так и порядком выполнения операций в АЛУ. Кроме того, на этой схеме показана и внутренняя память процессора — набор регистров.

Более детальная схема процессора представлена на рис. 11.2. На ней обозначены пути передачи данных и сигналов управления, включая и структурный компонент, обозначенный как внутренняя магистраль ЦП. По этой магистрали данные пере­даются между регистрами и АЛУ, поскольку АЛУ может оперировать только с данными, хранящимися в регистрах. На этой же схеме показана и типовая структура АЛУ. Обратите внимание на определенную схожесть структуры компьютера в целом и одного из его компонентов — центрального процессора. В обеих схемах несколько основных компонентов связываются между собой через магистраль.

Рис. 11.1. Укрупненная структурная схема процессора

Рис. 11.2, Внутренняя структура процессора

Организация набора регистров

Память в компьютерной системе име­ет иерархическую структуру. Чем более высокое положение в иерархии за­нимает определенный блок памяти, тем выше его быстродействие, меньше объем и выше стоимость хранения в пересчете на 1 бит. Набор регистров процессора представляет память самого верхнего уровня, находящегося в ие­рархии над уровнями оперативной памяти и кэш-памяти. Регистры процес­сора разделяются по функциям.

• Программно доступные регистры позволяют программисту, разрабатывающему программы на машинном языке или на языке ассемблера, мини­мизировать в программе обращение к оперативной памяти и, где это воз­можно, использовать для хранения промежуточных результатов быстродей­ствующую внутреннюю память процессора.

• Регистры управления и состояния используются для управления функ­ционированием процессора. К этим регистрам иногда могут иметь доступ специальные привилегированные команды, которые используются только в программах операционной системы.

Не существует раз и навсегда узаконенного разделения регистров на эти катего­рии. Например, в большинстве компьютеров счетчик команд, PC, программно недос­тупен, но существуют и

такие машины, как VAX, в которых он доступен со стороны программы, как и любой другой. В дальнейших разделах данной главы мы все-таки будем опираться на разделение регистров на эти две категории.

studfile.net

Центральный процессор — назначение и характеристики

Персональный компьютер состоит из множества компонентов, соединенных в единую систему. Взаимодействие и контроль между ними осуществляется благодаря центральному процессору, выполняет роль электронного мозга ПК. Без него любая техника, будь то ноутбук, планшет или системный блок – груда железок. Давайте подробнее разберемся, как работает центральный процессор компьютера и какова его структура.

Виды процессоров

Прежде чем переходить к рассмотрению ключевых характеристик ЦП, необходимо разобраться каких видов он бывает. Центральных процессоров или CPU, как их называют заграницей много, и они разделяются по следующим критериям.

Мощности:

• Бывают слабые, одноядерные модели, производство которых остановлено и приобрести их можно только после долгих поисков;
• Средние и мощные модели, имеющие от 2 до 16 ядер;

По способу применения:

1. Игровые;
2. Серверные;
3. Бюджетные;

По фирме производителю:

• Центральный процессор от компании Intel;
• ЦП от компании AMD;

Обратите внимание! Помимо Интеловских и Амдэшных ЦП существуют продукты, выпускаемые под брендами других компаний, но они мало востребованы, составляя малую часть об общего объема товаров на рынке компьютерного железа.

Многие пользователи ошибочно полагают, что продукция компании Intel отличается от AMD только названием, но это далеко не так. Структура каждого центрального процессора, произведенного под торговой маркой данных компаний, существенно отличается от конкурентов. Благодаря этому, они обладают своими достоинствами и недостатками. Например, продукция компании Intel наделена следующими положительными характеристиками, выгодно отличающими их центральные процессоры от AMD:

1. Большинство производителей комплектующих изделий для ПК подгоняют свою продукцию под стандарты CPU от Intel;
2. Во время работы потребляют меньшее количество энергии, снижая нагрузку на систему;
3. Показывают большее быстродействие при работе с одной программой;
4. Лучший выбор для игровых сборок системных блоков;

Товары от AMD также имеют ряд характеристик, позволяющих им активно конкурировать на рынке компьютерного железа:

• В отличии от ЦП производства Интел, центральные процессоры от АМД имеют функцию разгона, увеличивающую исходную мощность до 20%;
• Лучшее соотношение цены и качества товаров;
• Графические ядра, встроенные в ЦП, обладают большими возможностями чем Интеловские, позволяя быстрее работать с видео;

Описание центрального процессора

Итак, с видами ЦП и их отличительными особенностями мы разобрались, пора переходить к описанию самого изделия и разобраться в том, что это такое. Для простоты понимания разобьём его на несколько пунктов, выделяя в них ключевые особенности изделия:

1. Назначение ЦП;
2. Его строение;
3. Базовые характеристики;

С их помощью мы разберемся как работает процессор и как он устроен.

Назначение

Главная задача любого центрального процессора – выполнение вычислительных процессов, с помощью которых устройствам передается набор команд, необходимых для выполнения. Команды находятся в ОЗУ ПК и считываются CPU оттуда напрямую. Соответственно, чем выше вычислительные мощности процессора, тем большим быстродействием обладает вся система.

Структура

Общая структура любого центрального процессора состоит из следующих блоков:

1. Блока интерфейса;
2. Операционного блока;

Блок интерфейса содержит следующие компоненты:

• Адресные регистры;
• Регистры памяти, в которых осуществляется хранение кодов передаваемых команд, выполнение которых планируется в ближайшее время;
• Устройства управления – с его помощью формируются управляющие команды, которые в дальнейшем выполняются ЦП;
• Схемы управления, отвечающие за работу портов и системных шин;

В операционный блок входят:

1. Микропроцессорная память. Состоит из: сегментных регистров, регистров признаков, регистров общего назначения и регистров подсчитывающих количество команд;
2. Арифметико-логическое устройство. С его помощью информация интерпретируется в набор логических, или арифметических операций;

Обратите внимание! Операционный блок и блок интерфейса работают в параллельном режиме, но интерфейсная часть находится на шаг впереди, записывая в блок регистров команды, которые в дальнейшем выполняются операционной частью.

Системная шина служит для передачи сигналов от центрального процессора к другим компонентам устройства. С каждым новым поколением структура процессора немного меняется и последние разработки сильно отличаются от первых процессоров, используемых на заре становления компьютерных технологий.

Характеристики

Характеристики любого центрального процессора оказывают большое влияние на быстродействие как отдельных элементов системы, так и всего комплекса устройств в целом. Среди основных характеристик, влияющих на параметры производительности, выделяют:

• Тактовая частота; Для обработки одного фрагмента данных, передаваемых внутри ПК, требуется один такт времени. Отсюда следует, что чем выше тактовая частота приобретаемого ЦП, тем быстрее работает устройство обрабатывая за раз большие массивы информации. Измеряется тактовая частота в мегагерцах. Один мегагерц эквивалентен 1 миллиону тактов в секунду. Старые модели имели маленькую частоту, из-за чего скорость работы оставляла желать лучшего. Современные модели имеют большие показатели тактовой частоты, позволяя быстро обрабатывать и выполнять самые сложные наборы команд.
• Разрядность; Информация, предназначенная для обработки ЦП, попадает в него через внешние шины. От разрядности зависит какой объем данных передается за один раз. Это влияет на быстродействие. Старые модели были 16 разрядными, а современные имеют 32 или 64 разряда. 64 разрядная система на сегодняшний день считается самой продвинутой и под нее разрабатываются современные программные продукты и устройства.
• Кеш – память; Используется для увеличения работы устройства в компьютере, создавая буферную зону, хранящую копию последнего массива данных, обработанного процессором. Это дает возможность быстро выполнить схожую операцию в случае необходимости, без траты времени на обращение к общей памяти персонального компьютера.
• Сокет; Вариант крепления устройства к материнской плате. Разные поколения процессоров, как и материнских плат имеют собственный поддерживаемых сокетов. Это стоит учитывать при покупке. У разных производителей сокеты также отличаются друг от друга.
• Внутренний множитель частоты; Процессор и материнская плата работают на разных частотах и для их синхронизации друг с другом существует множитель частоты. Базовой или опорной считается рабочая частота материнской платы, которая умножается на персональный коэффициент ЦП.

Из побочных характеристик, напрямую не относящихся от технологии производства, выделяют тепловыделение и количество потребляемой во время работы энергии. Мощные устройства выделяют много тепла и требуют большую энергетическую подпитку во время работы. Для их полноценной работы применяются вспомогательные системы охлаждения.

Так же вы можете прочитать статьи на темы: На что влияет частота процессора и Основные характеристики процессора

wi-tech.ru

Центральный процессор и его устройство :: SYL.ru

Процессор — это главная микросхема компьютера. Как правило, она также является одним из самых высокотехнологичных и дорогих компонентов ПК. Несмотря на то что процессор — отдельное устройство, он имеет в своей структуре большое количество компонентов, отвечающих за конкретную функцию. Какова их специфика?

Процессор: функции устройства и история появления

Компонент ПК, который сейчас принято именовать центральным процессором, характеризуется достаточно интересной историей происхождения. Поэтому, для того чтобы понять его специфику, полезно будет исследовать некоторые ключевые факты об эволюции его разработки. Устройство, которое современному пользователю известно как центральный процессор, является результатом многолетнего совершенствования технологий производства вычислительных микросхем.

Со временем менялось видение инженерами структуры процессора. В ЭВМ первого и второго поколения соответствующие компоненты состояли из большого количества раздельных блоков, очень несхожих по решаемым задачам. Начиная с третьего поколения компьютеров функции процессора начали рассматриваться в более узком контексте. Инженеры-конструкторы ЭВМ определили, что это должно быть распознавание и интерпретация машинных команд, занесение их в регистры, а также управление другими аппаратными компонентами ПК. Все эти функции стали объединяться в одном устройстве.

Микропроцессоры

По мере развития компьютерной техники в структуру ПК стали внедряться девайсы, получившие название «микропроцессор». Одним из первых устройств такого типа стало изделие Intel 4004, выпущенное американской корпорацией в 1971 году. Микропроцессоры в масштабе одной микросхемы объединили в своей структуре те функции, что мы определили выше. Современные девайсы, в принципе, работают на основе той же самой концепции. Таким образом, центральный процессор ноутбука, ПК, планшета содержит в своей структуре: логическое устройство, регистры, а также модуль управления, отвечающие за конкретные функции. Однако на практике компоненты современных микросхем чаще всего представлены в более сложной совокупности. Изучим данную особенность подробнее.

Структура современных процессоров

Центральный процессор современного ПК, ноутбука или планшета представлен ядром — теперь уже нормой считается, что их несколько, кэш-памятью на различных уровнях, а также контроллерами: ОЗУ, системной шины. Производительность микросхемы соответствующего типа определяется ее ключевыми характеристиками. В какой совокупности они могут быть представлены?

Наиболее значимые характеристики центрального процессора на современных ПК таковы: тип микроархитектуры (обычно указывается в нанометрах), тактовая частота (в гигагерцах), объем кэш-памяти на каждом уровне (в мегабайтах), энергопотребление (в ваттах), а также наличие или отсутствие графического модуля.

Изучим специфику работы некоторых ключевых модулей центрального процессора подробнее. Начнем с ядра.

Ядро процессора

Центральный процессор современного ПК всегда имеет ядро. В нем содержатся ключевые функциональные блоки микросхемы, посредством которых она выполняет необходимые логические и арифметические функции. Как правило, они представлены в некоторой совокупности элементов. Так, устройство центрального процессора чаще всего предполагает наличие блоков, которые отвечают за решение следующих задач:

— выборка и декодирование инструкций;

— выборка данных;

— выполнение инструкций;

— сохранение результатов вычислений;

— работа с прерываниями.

Также структура микросхем соответствующего типа дополняется управляющим блоком, запоминающим устройством, счетчиком команд, а также набором регистров. Рассмотрим специфику работы соответствующих компонентов подробнее.

Ядро процессора: компоненты

В числе ключевых блоков в ядре центрального процессора — тот, что отвечает за считывание инструкций, которые прописываются в адресе, зафиксированном в счетчике команд. Как правило, в течение одного такта выполняется сразу несколько операций соответствующего типа. Общее количество инструкций, подлежащих считыванию, предопределяется показателем в блоках декодирования. Главный принцип здесь — чтобы при каждом такте отмеченные компоненты были максимально загружены. С целью обеспечения соответствия данному критерию в структуре процессора могут присутствовать вспомогательные аппаратные элементы.

В блоке декодирования обрабатываются инструкции, определяющие алгоритм работы микросхемы в ходе решения тех или иных задач. Обеспечение их функционирования — сложная задача, как считают многие IT-специалисты. Это обусловлено, в частности, тем, что длина инструкции не всегда четко определена. Современные процессоры обычно включают 2 или 4 блока, в которых осуществляется соответствующее декодирование.

Касательно компонентов, отвечающих за выборку данных — их основная задача заключается в обеспечении приема команд из кэш-памяти либо ОЗУ, которые необходимы для обеспечения выполнения инструкций. В ядрах современных процессоров обычно присутствует несколько блоков соответствующего типа.

Управляющие компоненты, присутствующие в микросхеме, также базируются на декодированных инструкциях. Они призваны осуществлять контроль над работой блоков, которые ответственны за выполнение инструкций, а также распределять задачи между ними, контролировать своевременное их выполнение. Управляющие компоненты относятся к категории важнейших в структуре микропроцессоров.

В ядрах микросхем соответствующего типа присутствуют также блоки, отвечающие за корректное выполнение инструкций. В их структуре присутствуют такие элементы, как арифметическое и логическое устройство, а также компонент, отвечающий за вычисления с плавающей точкой.

Есть в составе ядер процессоров блоки, которые контролируют обработку расширения наборов, что установлены для инструкций. Данные алгоритмы, дополняющие основные команды, используются для повышения интенсивности обработки данных, осуществления процедур шифрования или дешифрования файлов. Решение подобных задач требует введения в структуру ядра микросхемы дополнительных регистров, а также наборов инструкций. Современные процессоры включают обычно следующие расширения: MMX (предназначены для кодирования аудио- и видеофайлов), SSE (применяются при распараллеливании вычислений), ATA (задействуется с целью ускорения работы программ и снижения уровня энергопотребления ПК), 3DNow (расширение мультимедийных возможностей компьютера), AES (шифрование данных), а также многие другие стандарты.

В структуре ядер процессора обычно также присутствуют блоки, отвечающие за сохранение результатов в ОЗУ в соответствии с адресом, который содержится в инструкции.

Важное значение имеет компонент ядра, который контролирует работу микросхемы с прерываниями. Данная функция позволяет процессору обеспечивать стабильность работы программ в условиях многозадачности.

Работа центрального процессора также связана с задействованием регистров. Данные компоненты являются аналогом ОЗУ, однако доступ к ним осуществляется в несколько раз быстрее. Объем соответствующего ресурса небольшой — как правило, он не превышает килобайта. Регистры классифицируются на несколько разновидностей. Это могут быть компоненты общего назначения, которые задействуются при выполнении арифметических или логических вычислений. Есть регистры специального назначения, которые могут включать системные данные, используемые процессором в ходе работы.

В структуре ядра процессора также присутствуют различные вспомогательные компоненты. Какие, например? Это может быть датчик, отслеживающий то, какова текущая температура центрального процессора. Если ее показатели выше установленных норм, то микросхема может направить сигнал модулям, отвечающим за работу вентиляторов — и они начнут вращаться быстрее. Есть в структуре ядра предсказатель переходов — компонент, который призван определять, какие именно команды будут выполняться после завершения определенных циклов операций, совершаемых микросхемой. Пример другого важного компонента — счетчик команд. Данный модуль фиксирует адрес соответствующего алгоритма, который передается микросхеме в момент начала выполнения им того или иного такта.

Такова структура ядра, которое входит в центральный процессор компьютера. Изучим теперь подробнее некоторые ключевые характеристики микросхем соответствующего типа. А именно: техпроцесс, тактовая частота, объем кэш-памяти, а также энергопотребление.

Развитие компьютерной техники принято связывать с появлением по мере совершенствования вычислительных технологий новых поколений ЭВМ. При этом, не считая показателей производительности, одним из критериев отнесения компьютера к тому или иному поколению может считаться его абсолютный размер. Самые первые ЭВМ были сопоставимы по величине с многоэтажным домом. Компьютеры второго поколения были сопоставимы по величине, к примеру, с диваном или пианино. ЭВМ следующего уровня уже были вплотную приближены к тем, что привычны для нас сейчас. В свою очередь, современные ПК — это компьютеры четвертого поколения.

Собственно, к чему все это? Дело в том, что в ходе эволюции ЭВМ сформировалось неофициальное правило: чем более технологично устройство, тем меньшими габаритами при той же производительности, а то и при большей — оно обладает. Оно в полной мере действует и в отношении рассматриваемой характеристики центрального процессора, а именно, техпроцесса его изготовления. В данном случае имеет значение расстояние между единичными кремниевыми кристаллами, формирующими структуру микросхемы. Чем оно меньше — тем больше плотность соответствующих элементов, которые размещает на себе плата центрального процессора. Тем более производительным он, соответственно, может считаться. Современные процессоры выполняются по техпроцессу 90-14 нм. Данный показатель имеет тенденцию к постепенному уменьшению.

Тактовая частота

Тактовая частота центрального процессора — один из ключевых показателей его производительности. Она определяет то, сколько операций в секунду может совершать микросхема. Чем их больше — тем более производителен процессор и компьютер в целом. Можно отметить, что данный параметр характеризует, прежде всего, ядро как самостоятельный модуль центрального процессора. То есть, если соответствующих компонентов на микросхеме несколько, то каждое из них будет работать с отдельной частотой. Некоторые IT-специалисты считают допустимым суммировать данные характеристики по всем ядрам. Что это значит? Если, например, на процессоре установлено 4 ядра с частотой 1 ГГц, то суммарный показатель производительности ПК, если следовать этой методологии, будет составлять 4 ГГц.

Компоненты частоты

Рассматриваемый показатель формируется из двух компонентов. Во-первых, это частота системной шины — измеряется она обычно в сотнях мегагерц. Во-вторых, это коэффициент, на который соответствующий показатель умножается. В некоторых случаях производители процессоров дают пользователям возможность регулировать оба параметра. При этом, если выставить в достаточной мере высокие значения для системной шины и множителя, можно ощутимо увеличить производительность микросхемы. Именно таким образом осуществляется разгон процессора. Правда, его задействовать нужно осторожно.

Дело в том, что при разгоне может значительно увеличиться температура центрального процессора. Если на ПК не будет установлено соответствующей системы охлаждения, то это может привести к выходу микросхемы из строя.

Объем кэш-памяти

Современные процессоры оснащены модулями кэш-памяти. Основное их предназначение — временное размещение данных, как правило, представленных совокупностью особых команд и алгоритмов — тех, что задействуются в работе микросхемы наиболее часто. Что это дает на практике? Прежде всего то, что загрузка центрального процессора может быть уменьшена за счет того, что те самые команды и алгоритмы будут находиться в оперативном доступе. Микросхема, получив из кэш-памяти готовые инструкции, не тратит время на их выработку с нуля. В итоге работа компьютера идет быстрее.

Главная характеристика кэш-памяти — объем. Чем он больше, тем, соответственно, вместительнее данный модуль с точки зрения расположения тех самых инструкций и алгоритмов, задействуемых процессором. Тем больше вероятность, что микросхема будет всякий раз находить среди них нужные для себя и работать быстрее. Кэш-память на современных процессорах делится чаще всего на три уровня. Первый работает на базе наиболее быстрых и высокотехнологичных микросхем, остальные — медленнее. Объем кэш-памяти первого уровня на современных процессорах составляет порядка 128-256 КБ, второго — 1-8 МБ, третьего — может превышать 20 МБ.

Энергопотребление

Другой значимый параметр микросхемы — энергопотребление. Питание центрального процессора может предполагать значительное расходование электроэнергии. Современные модели микросхем потребляют порядка 40-50 Вт. В некоторых случаях данный параметр имеет экономическое значение — например, если речь идет об оснащении больших предприятий несколькими сотнями или тысячами компьютеров. Но не менее значимым фактором энергопотребление выступает в части адаптации процессоров к использованию на мобильных устройствах — ноутбуках, планшетах, смартфонах. Чем соответствующий показатель меньше, тем дольше будет автономная работа девайса.

www.syl.ru

8.2.2. Назначение и структура простейшего процессора.

Центральный процессор— это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• арифметико-логическое устройство;

• шины данных и шины адресов;

• регистры;

• счетчики команд;

• кэш — очень быструю память малого объема,

• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристаллическая пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Основные характеристики процессора :

• Производительность — основная характеристика, показывающая скорость выполнения компьютером операций обработки информации. Она в свою очередь зависит от следующих характеристик:

• Тактовая частота — определяет число тактов работы процессора в секунду

• Разрядность — определяет размер минимальной порции информации, называемой машинным словом

• Адресное пространство — разрядность адресной шины, то есть максимальный объём оперативной памяти, которая может быть установлена на компьютере

8.2.3. Принцип действия процессора.

Процессор является главным элементом ЭВМ. Он прямо или косвенно управляет всеми устройствами и процессами, происходящими в ЭВМ.

В конструкции современных процессоров четко просматривается тенденция постоянного увеличения тактовой частоты. Это естественно: чем больше операций выполняет процессор, тем выше его производительность. Предельная тактовая частота во многом определяется существующей технологией производства микросхем (наименьшими достижимыми размерами элементов, которые определяют минимальное время передачи сигналов).

Кроме повышения тактовой частоты, увеличение производительности процессоров достигается разработчиками менее очевидными приемами, связанными с изобретением новых архитектур и алгоритмов обработки информации. Некоторые из них рассмотрим на примере процессора Pentium (Р5) и последующих моделей.

Перечислим основные особенности процессора Pentium:

• конвейерная обработка информации;

• суперскалярная архитектура;

• наличие раздельных кэш-памятей для команд и данных;

• наличие блока предсказания адреса перехода;

• динамическое исполнение программы;

• наличие блока вычислений с плавающей точкой;

• поддержка многопроцессорного режима работы;

• наличие средства обнаружения ошибок.

Термин «суперскалярная архитектура» означает, что процессор содержит более одного вычислительного блока. Эти вычислительные блоки чаще называют конвейерами. Заметим, что первая суперскалярная архитектура была реализована в отечественной ЭВМ «Эльбрус-1» (1978 г.).

Наличие в процессоре двух конвейеров позволяет ему одновременно выполнять (завершать) две команды (инструкции).

Каждый конвейер разделяет процесс выполнения команды на несколько этапов (например, пять):

• выборка (считывание) команды из ОЗУ или кэш-памяти;

• декодирование (дешифрация) команды, т. е. определение кода выполняемой операции;

• выполнение команды;

• обращение к памяти;

• запоминание полученных результатов в памяти.

Для реализации каждого из перечисленных этапов (каждой операции) служит отдельное устройство— ступень. Таким образом, в каждом конвейере процессора Pentium имеется пять ступеней.

При конвейерной обработке на выполнение каждого этапа отводится один такт синхронизирующей (тактовой) частоты. В каждом новом такте заканчивается выполнение одной команды и начинается выполнение новой команды. Такое выполнение команд называют поточной обработкой.

Образно ее можно сравнить с производственным конвейером (потоком), где на каждом участке с разными изделиями выполняют всегда одну и ту же операцию. При этом, когда готовое изделие сходит с конвейера, на него заходит новое, а остальные изделия в это время находятся на разных стадиях готовности. Переход изготавливаемых изделий с участка на участок должен происходить синхронно, по специальным сигналам (в процессоре это такты, формируемые тактовым генератором).

Общее время выполнения одной команды в конвейере с пятью ступенями будет составлять пять периодов тактовой частоты. В каждом такте конвейер будет одновременно обрабатывать (выполнять) пять различных команд. В результате за пять тактов будет выполнено пять команд. Таким образом, конвейеризация увеличивает производительность процессора, но она не сокращает время выполнения отдельной команды. Выигрыш получается за счет того, что обрабатывается сразу несколько команд.

В действительности конвейеризация даже увеличивает время выполнения каждой отдельной команды из-за появления дополнительных расходов, связанных с организацией работы конвейера. При этом тактовая частота ограничивается быстродействием работы самой медленной ступени конвейера.

В качестве примера рассмотрим процесс выполнения команды, у которой длительности выполнения этапов составляют 60, 30, 40, 50 и 20 нс. Примем дополнительные расходы на организацию конвейерной обработки равными 5 нс.

Если бы не было конвейеризации, то на выполнение одной команды потребовалось

60 + 30 + 40 + 50 + 20 = 200 нс.

Если же используется конвейерная организация, то длительность такта должна быть равна длительности самого медленного этапа обработки с добавлением «накладных» расходов, т.е. 60 + 5 = 65 нс. Таким образом, полученное в результате конвейеризации сокращение времени выполнения команды составит 200/65»3,1 раза.

Заметим, что время выполнения конвейером одной команды составляет 5 × 65 = 325 нс. Эта величина существенно больше 200 нс — времени выполнения команды без конвейеризации. Но одновременное выполнение сразу пяти команд дает среднее время завершения одной команды 65 нс.

Процессор Pentium имеет две кэш-памяти первого уровня (они расположены внутри процессора). Как известно, кэширование увеличивает производительность процессора за счет уменьшения числа случаев ожидания поступления информации из медленной оперативной памяти. Нужные данные и команды берутся процессором из быстрой кэш-памяти (буфера), куда они заносятся заранее.

Наличие одной кэш-памяти в предыдущих конструкциях процессоров приводило к возникновению структурных конфликтов. Две команды, выполнявшиеся конвейером, порой одновременно пытались считать информацию из единственной кэш-памяти. Выполнение раздельного кэширования (буферизации) для команд и данных исключает такие конфликты, давая возможность обеим командам выполняться одновременно.

Развитие вычислительной техники идет непрерывно. Постоянно конструкторы ищут новые пути совершенствования своих изделий. Наиболее ценным ресурсом процессоров является их производительность. По этой причине изобретаются разнообразные приемы повышения производительности процессоров.

Одним из таких приемов является экономия времени за счет предсказания возможных путей выполнения разветвляющегося алгоритма. Это осуществляется с помощью блока предсказания адреса будущего перехода. Идея его работы похожа на идею работы кэш-памяти.

Как известно, существуют линейные, циклические и разветвляющиеся вычислительные процессы. В линейных алгоритмах команды выполняются в порядке их записи в оперативной памяти: последовательно одна за другой. Для таких алгоритмов введенный в процессор блок предсказания адреса перехода не может дать выигрыша.

В разветвляющихся алгоритмах выбор команды определяется результатами проверки условий ветвлений. Если ждать окончания вычислительного процесса в точке ветвления и затем выбирать из ОЗУ нужную команду, то неизбежно появятся потери времени из-за непроизводительного простоя процессора (считывание команды из ОЗУ идет медленно).

Блок предсказания адреса перехода работает на опережение и пытается заблаговременно предсказать адрес перехода, чтобы заранее перенести нужную команду из медленной оперативной памяти в специальный быстрый буфер перехода BTB (Branch Target Buffer).

Когда буфер ВТВ содержит правильное предсказание, переход происходит без задержки. Это напоминает работу кэш-памяти, у которой также бывают промахи. Из-за промахов операнды приходится считывать не из кэш-памяти, а из медленной ОП. Из-за этого происходит потеря времени.

Реализацию идеи предсказания адреса перехода осуществляют в процессоре два независимых буфера предварительной выборки. Они работают совместно с буфером предсказания переходов, причем один из буферов выбирает команды последовательно, а второй — согласно предсказаниям ВТВ.

Процессор Pentium имеет два пятиступенчатых конвейера для выполнения операций в формате с фиксированной точкой. Кроме того, в процессоре имеется конвейер с восьмью ступенями для вычислений в формате с плавающей точкой. Такие вычисления требуются при выполнении математических расчетов, а также для быстрой обработки динамических трехмерных цветных изображений.

Развитие архитектуры процессоров идет по пути постоянного увеличения объема кэш-памяти первого и второго уровней. Исключением стал процессор Pentium 4, у которого объем кэш-памяти неожиданно снизился по сравнению с Pentium III.

Для повышения производительности в новых конструкциях процессоров создают две системные шины, работающие с разными тактовыми частотами. Быстрая шина используется для работы с кэш-памятью второго уровня, а медленная — для традиционного обмена информацией с другими устройствами, например ОЗУ. Наличие двух шин исключает конфликты при обмене информацией процессора с основной памятью и кэш-памятью второго уровня, находящейся за пределами кристалла процессора.

Следующие за Pentium процессоры содержат большое число ступеней в конвейере. Это уменьшает время выполнения каждой операции в отдельной ступени, а значит, позволяет поднять тактовую частоту процессора.

В процессоре Pentium Pro (P6) применен новый подход к порядку выполнения команд, последовательно расположенных в ОЗУ.

Новый подход заключается в выполнении команд в произвольном порядке по мере их готовности (независимо от порядка расположения в ОЗУ). Однако конечный результат формируется всегда в соответствии с исходным порядком команд в программе. Такой порядок выполнения команд называется динамическим или опережающим.

Рассмотрим в качестве примера следующий фрагмент учебной программы, записанной на некотором (вымышленном) машинно-ориентированном языке.

r1 ¬mem[r4] Команда 1

r3 ¬r1 + r2 Команда 2

r5 ¬r5 + 1 Команда 3

r6 ¬r6 – r7 Команда 4

Символами r1…r7 обозначены регистры общего назначения (РОН), которые входят в блок регистров процессора.

Символом mem[r4]обозначена ячейка памяти ОЗУ.

Прокомментируем записанную программу.

Команда 1: записать в РОН r1 содержимое ячейки памяти ОЗУ, адрес которой указан в РОН r4.

Команда 2: записать в РОН r3 результат сложения содержимого регистров r1 и r2.

Команда 3: прибавить к содержимому регистра r5 единицу.

Команда 4: уменьшить содержимое РОН r6 на содержимое регистра r7.

Предположим, что при выполнении команды 1 (загрузка операнда из памяти в регистр общего назначения r1) оказалось, что содержимое ячейки памяти mem [r4] отсутствует в кэш-памяти процессора (произошел промах, нужный операнд не был заранее доставлен в буфер из ОЗУ).

При традиционном подходе процессор перейдет к выполнению команд 2, 3, 4 только после того, как данные из ячейки mem[r4] основной памяти поступят в процессор (точнее, в регистр r1). Так как считывание будет происходить из медленно работающей оперативной памяти, этот процесс займет достаточно много времени (по меркам процессора). Все время ожидания этого события процессор будет простаивать, не выполняя полезной работы.

В приведенном примере процессор не может выполнить команду 2 до завершения команды 1, так как команда 2 использует результаты выполнения команды 1. В то же время процессор мог бы заранее выполнить команды 3 и 4, которые не зависят от результата выполнения команд 1 и 2.

В подобных случаях процессор Р6 работает иначе.

Процессор Р6 не ждет окончания выполнения команд 1 и 2, а сразу переходит к внеочередному выполнению команд 3 и 4. Результаты опережающего выполнения команд 3 и 4 сохраняются и извлекаются позднее, после выполнения команд 1 и 2.Таким образом, процессор Р6 выполняет команды в соответствии с их готовностью к выполнению, вне зависимости от их первоначального расположения в программе.

Производительность, безусловно, важный показатель работы ЭВМ. Однако не менее важно, чтобы быстрые вычисления происходили при малом числе ошибок.

В процессоре имеется устройство самотестирования, которое автоматически проверяет работоспособность большинства элементов процессора.

Кроме того, выявление сбоев, произошедших внутри процессора, осуществляется с помощью специального формата данных. К каждому операнду добавляется бит четности, в результате чего все циркулирующие внутри процессора числа становятся четными. Появление нечетного числа сигнализирует о случившемся сбое. Наличие нечетного числа — это как бы появление фальшивой банкноты без водяных знаков.

Единицами измерения быстродействия процессоров (и ЭВМ) могут служить:

• МИПС (MIPS— Mega Instruction Per Second)— миллион команд (инструкций) над числами с фиксированной точкой за секунду;

• МФЛОПС (MFLOPS— Mega Floating Operation Per Second)— миллион операций над числами с плавающей точкой за секунду;

• ГФЛОПС (GFLOPS— Giga Floating Operation Per Second)— миллиард операций над числами с плавающей точкой за секунду.

Имеются сообщения о самом быстром в мире компьютере ASCI White (корпорация IBM), быстродействие которого достигает 12,3 ТФЛОПС (триллиона операций).

studfile.net

Устройство и основные характеристики процессора

Информация о процессоре компьютера, его значении, технологии изготовления, а также о характеристиках, которые необходимо учитывать при его выборе и приобретении.

Что такое процессор и как он устроен

Центральный процессор (микропроцессор, центральное процессорное устройство, CPU, разг. – «проц», «камень») – сложная микросхема, являющаяся главной составной частью любого компьютера. Именно это устройство осуществляет обработку информации, выполняет команды пользователя и руководит другими частями компьютера. Уже много лет основными производителями процессоров являются американские компании Intel и AMD (Advanced Micro Devices). Есть, конечно, и другие достойные производители, но до уровня указанных лидеров им далеко. Intel и AMD постоянно борются за первенство в изготовлении все более производительных и доступных процессоров, вкладывая в разработки огромные средства и много сил. Их конкуренция — важный фактор, содействующий быстрому развитию этой отрасли. Внешне центральный процессор не представляет собой ничего выдающегося – небольшая плата (где-то 7 х 7 см.) с множеством контактов с одной стороны и плоской металлической коробочкой с другой. Но на самом деле внутри этой коробочки хранится сложнейшая микроструктура из миллионов транзисторов.

Как изготавливают процессоры. Что такое техпроцесс

Основным материалом при производстве процессоров является самый обычный песок, а точнее сказать кремний, коего в составе земной коры около 30%. Из очищенного кремния сначала изготавливают большой монокристалл цилиндрической формы, который разрезают на «блины» толщиной около 1 мм. Затем с использованием технологии фотолитографии в них создаются полупроводниковые структуры будущих процессоров. Фотолитография чем-то напоминает процесс печати фотографий с пленки, когда свет, проходя через негатив, действует на поверхность фотобумаги и проецирует на ней изображение. При изготовлении процессоров своеобразной фотобумагой выступают упомянутые выше кремниевые «блины». Роль света играют ионы бора, разогнанные до огромной скорости высоковольтным ускорителем. Они пропускаются через специальные «трафареты» — системы высокоточных линз и зеркал, вкрапливаются в кремний и создают в нем микроскопическую структуру из множества транзисторов. Сегодняшние технологии позволяют создавать транзисторы размером всего 22 нанометра (толщина человеческого волоса — около 50000 нм). Со временем техпроцесс изготовления процессоров станет еще совершеннее. По прогнозам, их транзисторы уменьшатся как минимум до 14 нм. Чем тоньше техпроцесс – тем больше транзисторов можно поместить в один процессор, тем он будет производительнее и энергоэффективнее. Созданная таким образом полупроводниковая структура вырезается из кварцевого «блина» и помещается на текстолит. На обратную его сторону выводятся контакты для обеспечения подсоединения к материнской плате. Сверху кристал защищается от повреждения металлической крышкой (см. рис. выше).

Понятие архитектуры, ядра, ревизии процессора

Процессоры прошли сложную эволюцию и сейчас продолжают развиваться. Производители совершенствуют не только технологию изготовления, но и внутреннюю структуру процессоров. Каждое новое их поколение отличается от предыдущего строением, количеством и характеристиками входящих в их состав элементов. Процессоры, в которых используются те же базовые принципы строения, называют процессорами одной архитектуры, а эти принципы — архитектурой (микроархитектурой) процессора. В пределах одной архитектуры процессоры могут существенно отличаться — частотами системной шины, техпроцессом изготовления, размером и структурой внутренней памяти и некоторыми другими особенностями. О таких процессорах говорят, что они имеют разные ядра. В рамках доработки одного ядра производители могут делать небольшие изменения с целью устранения мелких недочетов. Такие усовершенствования, которые «не тянут» на звание самостоятельных ядер, называют ревизиями. Архитектурам и ядрам присваиваются определенные имена, а их ревизиям – цифробуквенные обозначения. Например, все модели Intel Core 2 Duo являются процессорами микроархитектуры Intel Core и производились с ядрами Allendale, Conroe, Merom, Kentsfield, Wolfdale, Yorkfield. У каждого из этих ядер были еще и разные ревизии.

Основные характеристики процессора

• Количество вычислительных ядер. Многоядерные процессоры – это процессоры, содержащие на одном процессорном кристалле или в одном корпусе два и более вычислительных ядра. Многоядерность, как способ повышения производительности процессоров, используется с относительно недавнего времени, но признана самым перспективным направлением их развития. Для домашних компьютеров уже существуют процессоры с 8 ядрами. Для серверов на рынке есть 12-ядерные предложения (Opteron 6100). Разработаны прототипы процессоров, содержащие около 100 ядер. Эффективность вычислительных ядер разных моделей процессоров отличается. Но в любом случае, чем их (ядер) больше, тем процессор производительнее. • Количество потоков. Чем больше потоков – тем лучше. Количество потоков не всегда совпадает с количеством ядер процессора. Так, благодаря технологии Hyper-Threading, 4-ядерный процессор Intel Core i7-3820 работает в 8 потоков и во многом опережает 6-тиядерных конкурентов. • Размер кеша 2 и 3 уровней. Кеш — это очень быстрая внутренняя память процессора, которая используется им как буфер для временного хранения информации, обрабатываемой в конкретный момент времени. Чем кеш больше – тем лучше. Структура не всех современных процессоров предусматривает наличие кеша 3 уровня, хотя критичным моментом это не является. Так, по результатам многих тестов производительность процессоров Intel Core 2 Quadro, выпускавшихся с 2007 г. по 2011 г. и не имеющих кеша 3 уровня, даже сейчас выглядит достойно. Правда, кеш 2 уровня у них достаточно большой. • Частота процессора. Здесь все просто – чем выше частота процессора, тем он производительнее. • Скорость шины процессора (FSB, HyperTransport или QPI). Через эту шину центральный процессор взаимодействует с материнской платой. Ее скорость (частота) измеряется в мегагерцах и чем она выше — тем лучше. • Техпроцесс. Понятие техпроцесса рассматривалось в предыдущем пункте этой статьи. Чем тоньше используемый техпроцесс, тем больше процессор содержит транзисторов, меньше потребляет электроэнергии и меньше греется. От техпроцесса во многом зависит еще одна важная характеристика процессора — TDP. • TDP. Termal Design Point — показатель, отображающий энергопотребление процессора, а также количество тепла, выделяемого им в процессе работы. Единицы измерения — Ватты (Вт). TDP зависит от многих факторов, среди которых главными являются количество ядер, техпроцесс изготовления и частота работы процессора. Кроме прочих преимуществ, «холодные» процессоры (с TDP до 100 Вт) лучше поддаются разгону, когда пользователь изменяет некоторые настройки системы, вследствие чего увеличивается частота процессора. Разгон позволяет без дополнительных финансовых вложений увеличить производительность процессора на 15 – 25 %, но это уже отдельная тема. В то же время, проблему с высоким TDP всегда можно решить приобретением эффективной системы охлаждения (см. последний пункт этой статьи). • Наличие и производительность видеоядра. Последние технические достижения позволили производителям, помимо вычислительных ядер, включать в состав процессоров еще и ядра графические. Такие процессоры, кроме решения своих основных задач, могут выполнять роль видеокарты. Возможностей некоторых из них вполне достаточно для игры в компьютерные игры, не говоря уже о просмотре фильмов, работе с текстом и решении остальных задач. Если видеоигры — не главное предназначение компьютера, процессор со встроенным графическим ядром позволит сэкономить на приобретении отдельного графического адаптера. • Тип и максимальная скорость поддерживаемой оперативной памяти. Эти характеристики процессора необходимо учитывать при выборе оперативной памяти, с которой он будет использоваться. Нет смысла переплачивать за быстрые модули ОЗУ, если процессор не сможет реализовать все их преимущества.

Что такое сокет

Важным моментом, который нужно учитывать при выборе процессора, является то, для установки в сокет какого типа он предназначен. Сокет (socket, разъем центрального процессора) – это щелевой или гнездовой разъём на материнской плате, в который устанавливается процессор. Каждый процессор можно установить только на материнскую плату с подходящим разъемом, имеющим соответствующие размеры, необходимое количество и структуру контактных элементов. Каждый новый сокет разрабатывается производителями процессоров, когда возможности старых разъемов уже не могут обеспечить нормальную работу новых изделий. Для процессоров Intel длительное время использовался (и сейчас еще используется) сокет LGA775 (процессоры Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium EE, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon серии 3000, Core 2 Quad). С началом производства линейки новых процессоров были введены сокеты LGA1366, LGA1156, LGA1155 (процессоры i7, i5, i3) и др. Разъемы для процессоров от AMD за последние годы также изменились — AM2, AM2+, AM3 и т.д. О более ранних сокетах, думаю, смысла вспоминать нет, поскольку компьютеры на их основе – уже раритет. Если вы задумали модернизировать старый компьютер путем приобретения более производительного процессора, убедитесь, что по сокету он подойдет к вашей старой материнской плате. Иначе однозначно придется менять и ее. Устанавливать центральный процессор в сокет системной платы нужно аккуратно, чтобы не повредить контакты.

Система охлаждения процессора

Процессор нуждается в надлежащем охлаждении, иначе он может выйти из строя. Как известно, верхняя поверхность процессора представляет собой металлическую коробку, выполняющую, кроме защитных, еще и теплоотводные функции. Поверх процессора на материнской плате устанавливается система охлаждения. Ее теплоотводные элементы должны плотно прижиматься к поверхности процессора. Для улучшения передачи тепла с процессора на радиатор системы охлаждения, между ними прокладывается слой термопасты – специального пастообразного вещества с высокой теплопроводностью.При подборе системы охлаждения процессора нужно учитывать его TDP (рассматривалось выше в пункте о характеристиках процессора). Процессоры обычно продаются в так называемом боксовом варианте поставки, когда в комплект входит штатная система охлаждения – боксовый куллер. Но иногда эффективность такого куллера является недостаточной (например, если был произведен разгон и частота процессора, а следственно и его TDP, возросла). Нормальная температура работы процессора — до 50 градусов Цельсия (при пиковых нагрузках возможно чуть больше). Средства измерения температуры встроены в центральный процессор. При помощи специальных программ температуру можно отслеживать в режиме реального времени (например, программой SpeedFan). • CPU-Z: ⇒ Официальная страница загрузки ⇒ Скачать копию для Windows 32-bit (2,6 MB) ⇒ Скачать копию для Windows 64-bit (3 MB) Современный процессор устроен так, что при достижении им критичной температуры он отключается и не включается, пока не остынет. Это позволяет предупредить его повреждение под воздействием высокой температуры. Перегрев возможен вследствие низкой эффективности системы охлаждения, выхода ее из строя, засорения пылью, пересыхания термопасты и др.

www.chaynikam.info

4 Организация компьютерных систем

Цифровой компьютер состоит из связанных между собой процессоров, модулей памяти и устройств ввода-вывода.

4.1 Процессоры

На рисунке показана структура обычного компьютера с шинной организацией. Центральный процессор – это мозг компьютера. Его задача – выполнять про­граммы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, опре­деляет их тип, а затем выполняет одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым пере­даются адреса, данные и сигналы управления. Шины могут быть внешними (свя­зывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.

Рисунок – Схема компьютера с одним центральным процессором и двумя устройствами ввода-вывода

Процессор состоит из нескольких частей. Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (например, сложение) и логические опера­ции (например, логическое И).

Внутри центрального процессора находится память для хранения промежу­точных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из не­скольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Обычно размер всех регистров одинаков. Каждый регистр содержит одно число, которое ограничивается размером регистра. Регистры считываются и записыва­ются очень быстро, поскольку они находятся внутри центрального процессора.

Самый важный регистр – счетчик команд, который указывает, какую коман­ду нужно выполнять следующей. Название «счетчик команд» не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляет­ся повсеместно. Еще есть регистр команд, в котором находится выполняемая в данный момент команда. У большинства компьютеров имеются и другие реги­стры, одни из них многофункциональны, другие выполняют лишь какие-либо специфические функции.

Устройство центрального процессора

Внутреннее устройство тракта данных типичного фон-неймановского процессо­ра иллюстрирует рисунок. Тракт данных состоит из регистров (обычно от 1 до 32), арифметико-логического устройства (АЛУ) и нескольких соединительных шин. Содержимое регистров поступает во входные регистры АЛУ, которые на рисунке обозначены буквами А и В. В них находятся входные данные АЛУ, пока АЛУ производит вычисления. Тракт данных – важная составная часть всех ком­пьютеров.

АЛУ выполняет сложение, вычитание и другие простые операции над вход­ными данными и помещает результат в выходной регистр. Содержимое этого выходного регистра может записываться обратно в один из регистров или сохра­нятся в памяти, если это необходимо. Рисунок иллюстрирует операцию сло­жения. Отметим, что входные и выходные регистры есть не у всех компьютеров.

Этот процесс называется циклом тракта данных. В какой-то степени он опреде­ляет, что может делать машина. Чем быстрее происходит цикл тракта данных, тем быстрее компьютер работает.

Рисунок – Тракт данных обычной фон-неймановской машины

Выполнение команд. Центральный процессор выполняет каждую команду за несколько шагов:

1. Вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд.

1. Меняет положение счетчика команд, который после этого указывает на следующую команду.

2. Определяет тип вызванной команды.

2. Если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это слово.

3. Переносит слово, если это необходимо, в регистр центрального процессора.

6. Выполняет команду.

7. Переходит к шагу 1, чтобы начать выполнение следующей команды.

Такая последовательность шагов (выборка – декодирование – выполнение) является основой работы всех компьютеров.

4.2 Основная память. Память – это тот компонент компьютера, в котором хранятся программы и дан­ные. Можно также употреблять термин запоминающее устройство. Без памяти, откуда процессоры считывают и куда записывают информацию, не было бы цифровых компьютеров со встроенными программами.

Бит. Основной единицей хранения данных в памяти является двоичный разряд, кото­рый называется битом. Бит может содержать 0 или 1. Эта самая маленькая еди­ница памяти. (Устройство, в котором хранятся только нули, вряд ли могло быть основой памяти. Необходимы по крайней мере два значения.)

Адреса памяти. Память состоит из ячеек, каждая из которых может хранить некоторую порцию информации. Каждая ячейка имеет номер, который называется адресом. По ад­ресу программы могут ссылаться на определенную ячейку. Если память содер­жит п ячеек, они будут иметь адреса от 0 до п — 1. Все ячейки памяти содержат одинаковое число бит.

Ячейка – минимальная единица памяти, к которой можно обращаться. В по­следние годы практически все производители выпускают компьютеры с 8-раз­рядными ячейками, которые называются байтами. Байты группируются в сло­ва. В компьютере с 32-разрядными словами на каждое слово приходится 4 байт, а в компьютере с 64-разрядными словами – 8 байт. Такая единица как слово, не­обходима, поскольку большинство команд производят операции над целыми словами (например, складывают два слова).

4.3 Кэш-память. Процессоры всегда работали быстрее, чем память. Разработчики памяти обычно используют новые технологии для увеличения емкости, а не быстродействия, что делает разрыв еще большим. На практике такое несоответствие в скорости работы приводит к тому, что, когда процессор обращается к памяти, проходит несколько машинных циклов, прежде чем он получит запрошенное слово. Чем медленнее работает память, тем дольше процессору приходится ждать, тем боль­ше циклов проходит.

Самый простой способ решения проблемы – начать считывать информацию из памяти и при этом продолжать выпол­нение команд, но если какая-либо команда попытается использовать слово до того, как оно считано из памяти, процессор должен приостановить работу. Чем мед­леннее работает память, тем чаще будет возникать такая ситуация и тем больше окажется время простоя процессора. Например, если отсрочка составляет 10 цик­лов, весьма вероятно, что одна из 10 следующих команд попытается использо­вать слово, которое еще не считано из памяти.

На самом деле эта проблема не технологическая, а экономическая. Инженеры знают, как создать память, которая работает так же быстро, как процессор. Одна­ко ее приходится помещать прямо на микросхему процессора (поскольку инфор­мация через шину поступает очень медленно). Размещение памяти большого объема на микросхеме процессора делает его больше и, следовательно, дороже, и даже если бы стоимость не имела значения, все равно существуют ограничения на размеры создаваемых процессоров. Таким образом, приходится выбирать между быстрой памятью небольшого объема и медленной памятью большого объема.

Существуют технологии, объединяющие небольшую и быструю память с большой и медленной, что позволяет по разумной цене по­лучить память и с высокой скоростью работы, и большой емкости. Память не­большого объема с высокой скоростью работы называется кэш-памятью.

Основная идея кэш-памяти проста: в ней находятся слова, которые чаще все­го используются. Если процессору нужно какое-нибудь слово, сначала он обра­щается к кэш-памяти. Только в том случае, если слова там нет, он обращается к основной памяти. Если значительная часть слов находится в кэш-памяти, сред­нее время доступа значительно сокращается.

Рисунок – Кэш-память по логике вещей должна находиться между процессором и основной памятью

Кэш-память очень важна для высокопроизводительных процессоров. Однако здесь возникает ряд вопросов. Первый вопрос – объем кэш-памяти. Чем больше объем, тем лучше работает память, но тем дороже она стоит.

Сборка модулей памяти и их типы. Со времен появления полупроводниковой памяти и до начала 90-х годов все микросхемы памяти производились, продавались и устанавливались в виде от­дельных микросхем. Эти микросхемы вмещали от 1 Кбит до 1 Мбит информа­ции и выше. В первых персональных компьютерах часто оставлялись пустые разъемы, чтобы покупатель в случае необходимости мог вставить дополнитель­ные микросхемы памяти.

В настоящее время распространен другой подход. Группа микросхем (обычно 8 или 16) монтируется на одну крошечную печатную плату и продается как один блок. Он называется SIMM (Single Inline Memory Module – модуль памяти с односторонним расположением выводов) или DIMM (Dual Inline Memory Module – модуль памяти с двухсторонним расположением выводов). На пла­тах SIMM устанавливается один краевой разъем с 72 контактами; при этом ско­рость передачи данных за один тактовый цикл составляет 32 бит. Модули DIMM, как правило, снабжаются двумя краевыми разъемами (по одному на ка­ждой стороне платы) с 84 контактами; таким образом, общее количество контак­тов достигает 168, а скорость передачи данных возрастает до 64 бит за цикл. Схе­ма модуля SIMM изображена на рисунке.

Рисунок – Модуль SIMM объемом 256 Мбайт. Модулем управляют две микросхемы

Обычно модули SIMM и DIMM содержат 8 микросхем по 256 Мбит (32 Мбайт) каждая и более. Таким образом, весь модуль вмещает 256 Мбайт информа­ции. Во многих компьютерах предусматривается возможность установки четы­рех модулей; следовательно, при использовании модулей по 256 Мбайт общий объем памяти достигает 1 Гбайт.

В портативных компьютерах обычно используется модуль DIMM меньшего размера, который называется SO—DIMM (Small Outline DIMM). Модули SIMM и DIMM могут содержать бит четности или код исправления ошибок, однако, поскольку вероятность возникновения ошибок в модуле составляет примерно одну ошибку за 10 лет, в большинстве обычных компьютеров схемы обнаруже­ния и исправления ошибок не применяются.

Иерархическая структура памяти. Иерархическая структура памяти является традиционным решением проблемы хранения больших объемов данных. На самом верху иерархии нахо­дятся регистры процессора. Доступ к регистрам осуществляется быстрее всего. Дальше идет кэш-память, объем которой сейчас составляет от 32 Кбайт до не­скольких мегабайтов. Затем следует основная память, которая в настоящее вре­мя может вмещать от 16 Мбайт до десятков гигабайтов. Затем идут магнитные диски и, наконец, накопители на магнитной ленте и оптические диски, которые используются для хранения архивов.

Рисунок – Пятиуровневая организация памяти

По мере продвижения сверху вниз по иерархии меняются три параметра. Во-первых, увеличивается время доступа. Доступ к регистрам занимает несколь­ко наносекунд, доступ к кэш-памяти – немного больше, доступ к основной памя­ти – несколько десятков наносекунд. Дальше идет большой разрыв: доступ к дискам занимает по крайней мере 10 мкс, а время доступа к магнитным лентам и оптическим дискам вообще может измеряться в секундах (поскольку эти нако­пители информации еще нужно поместить в соответствующее устройство).

Во-вторых, растет объем памяти. Регистры могут содержать в лучшем случае 128 байт, кэш-память – несколько мегабайтов, основная память – десятки тысяч мегабайтов, магнитные диски – от нескольких единиц до нескольких десятков гигабайтов. Магнитные ленты и оптические диски хранятся автономно от ком­пьютера, поэтому их совокупный объем ограничивается только финансовыми возможностями владельца.

В третьих, увеличивается количество битов, которое вы получаете за 1 доллар. Стоимость объема основной памяти составляет несколько долларов за мегабайт,магнитных дисков – несколько центов за мегабайт, а магнитной ленты – не­сколько долларов за гигабайт или еще дешевле.

studfile.net