Состав прикладного программного обеспечения

Программы, с помощью которых пользователь может решать свои информационные задачи, не прибегая к программированию, называются прикладными программами.

- текстовые и графические редакторы, с помощью которых можно готовить различные тексты, создавать рисунки, строить чертежи; проще говоря, писать, чертить, рисовать;

- системы управления базами данных (СУБД), позволяющие превратить компьютер в справочник по любой теме;

- табличные процессоры, позволяющие организовывать очень распространенные на практике табличные расчеты;

- коммуникационные (сетевые) программы, предназначенные для обмена информацией с другими компьютерами, объединенными с данным в компьютерную сеть.

Очень популярным видом прикладного программного обеспечения являются компьютерные игры. Большинство пользователей именно с них начинает свое общение с ЭВМ.

Системное программное обеспечение

Этот класс программного обеспечения является необходимой принадлежностью компьютера, так как обеспечивает взаимодействие человека, всех устройств и программ компьютера.

Самой важной системной программой является операционная система, которая обычно хранится жестком диске.

Операционная система обеспечивает:

• выполнение прикладных программ;
• управление ресурсами компьютера — памятью, процессором и всеми внешними устройствами;
• контакт человека с компьютером.

К наиболее известным операционным системам относятся: MS-DOS, Windows, Unix, OS/2, MacOS.

К системному ПО можно кроме ОС отнести и множество программ обслуживающего, сервисного характера.

Инструментальное ПО.

Этот класс программ предназначен для создания системного и прикладного программного обеспечения.

Базовые инструменты любой среды программирования совершенно одинаковы по своей сути, а отличаются только формой представления.

Для создания прикладного ПО широко используются такие языки, как Basic, Pascal, C++, Delphi и др. Во многих учебных заведения используется язык ЛОГО.

Основная память - это устройство для хранения информации. Она состоит из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ).

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)

ОЗУ-быстрая, полупроводниковая, энергозависимая память. В ОЗУ хранятся исполняемая в данный момент программа и данные, с которыми она непосредственно работает. Это значит, что когда вы запускаете какую-либо компьютерную программу, находящуюся на диске, она копируется в оперативную память, после чего процессор начинает выполнять команды, изложенные в этой программе. Часть ОЗУ, называемая "видеопамять", содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране. При отключении питания содержимое ОЗУ стирается.
Быстродействие (скорость работы) компьютера напрямую зависит от величины его ОЗУ.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

ПЗУ - быстрая, энергонезависимая память. ПЗУ - это память, предназначенная только для чтения. Информация заносится в нее один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно (при включенном и выключенном компьютере). В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере.

В ПЗУ находятся:

тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
программы для управления основными периферийными устройствами -дисководом, монитором, клавиатурой;
информация о том, где на диске расположена операционная система.
Основная память состоит из регистров. Регистр - это устройство для временного запоминания информации в оцифрованной (двоичной) форме. Запоминающим элементом в регистре является триггер - устройство, которое может находиться в одном из двух состояний, одно из которых соответствует запоминанию двоичного нуля, другое - запоминанию двоичной единицы. Триггер представляет собой крошечный конденсатор-батарейку, которую можно заряжать множество раз. Если такой конденсатор заряжен - он как бы запомнил значение "1", если заряд отсутствует - значение "0". Регистр содержит несколько связанных друг с другом триггеров. Число триггеров в регистре называется разрядностью компьютера. Производительность компьютера напрямую связана с разрядностью, которая бывает равной 8, 16, 32, 64, 128.

Процессор и основная память находятся на большой плате, которая называется материнской. Для подключения к ней различных дополнительных устройств (дисководов, манипуляторов типа мыши, принтеров и т. д.) служат специальные платы - контроллеры. Они вставляются в разъемы (слоты) на материнской плате, а к их концу (порту), выходящему наружу компьютера, подключается дополнительное устройство.

 

8. Указатели – машинные коды.

9. Основные характеристики ЭВМ.

Структуру ЭВМ определяет следующая группа характеристик:

· технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации т.д.);

· характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

· состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

 

10. Магистральный принцип построения ЭВМ с электронным коммутатором.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии (рис. 4.1). К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.
.

Рис. 4.1. Магистрально-модульное устройство компьютера

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2I, где I - разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 36 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно:

N = 236 = 68 719 476 736.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее

11. Числовые и не числовые типы данных.

ЧИСЛОВЫЕ ТИПЫ ДАННЫХ

Типы данных можно разделить на две категории: числовые и нечисловые. Среди числовых типов данных главными являются целые числа. Они бывают различной длины: обычно 8, 16, 32 и 64 бита. Целые числа применяются для подсчета различных предметов (например, позволяют узнать, сколько на складе отверток), для идентификации различных объектов (например, банковских счетов), а также для других целей. В большинстве современных компьютеров целые числа хранятся в двоичном виде, хотя в прошлом использовались и другие системы. Некоторые компьютеры поддерживают целые числа и со знаком, и без знака. В целом числе без знака нет знакового бита, и все биты содержат данные. Этот тип данных имеет преимущество: у него есть дополнительный бит, поэтому 32-разрядное слово может содержать целое число без знака от 0 до 232-1 включительно. Двоичное целое число со знаком, напротив, может содержать числа только до 231-1, но зато включает и отрицательные числа. Для выражения нецелых чисел (например, 3,5) используются числа с плавающей точкой. Их длина составляет 32, 64, а иногда и 128 бит. В большинстве компьютеров есть команды для выполнения операций с числами с плавающей точкой. Во многих компьютерах имеются отдельные регистры для целочисленных операндов и для операндов с плавающей точкой.

НЕЧИСЛОВЫЕ ТИПЫ ДАННЫХ Хотя самые первые компьютеры работали в основном с числами, современные машины часто используются для выполнения нечисловых приложений, например, для обработки текстов или управления базами данных. Для этих приложений нужны другие, нечисловые, типы данных. Здесь очень важны символы, хотя не каждый компьютер обеспечивает аппаратную поддержку для них. Наиболее распространенными символьными кодами являются ASCII и UNICODE. Они поддерживают 7-разрядные и 16-разрядные символы соответственно. На уровне архитектуры набора команд часто имеются особые команды, предназначенные для операций со строками. Эти строки иногда разграничиваются специальным символом в конце. Вместо терминального символа для определения конца строки может использоваться поле длины строки. Строковые команды позволяют выполнять копирование, поиск и редактирование строк, а также другие действия. К нечисловым относится также очень важный логический тип данных, содержащий булевы значения. Этих значений два: истина и ложь. Теоретически булево значение можно представлять единственным битом: 0 - ложь, 1 - истина (или наоборот). На практике же используется байт или слово, поскольку отдельные биты в байте не имеют собственных адресов и, следовательно, к ним трудно обращаться. В обычных системах применяется следующее соглашение: 0 означает ложь, а любое другое значение - истину. Последний тип данных - это указатели, которые представляют собой машинные адреса.

12. Принцип микропрограммного управления.

Развитие микроэлектронной базы запоминающих устройств позволило создать память, параметры которой существенно снизили влияние микропрограммирования на производительность процессора и ЭВМ в целом.

Микропрограммный принцип управления обеспечивает реализацию одной машинной команды путем выполнения микрокоманд, записанных в постоянной памяти. Микрокоманда содержит информацию о микрооперации, выполняемой в течение одного машинного такта, а также информацию о формировании адреса очередной микрокоманды. Реализация принципа микропрограммного управления предусматривает принудительную выборку микрокоманд. Принцип микропрограммного управления предопределяет возможность хранения микропрограмм системы команд ЭВМ в ЗУ того или иного типа, что сокращает аппаратный состав ЦУУ. Кроме того это позволяет оперативно изменять систему команд конкретной ЭВМ при решении определенного класса задач.

При построении дискретных устройств целесообразно использовать принцип микропрограммного управления, состоящий в следующем:

1) любая операция, реализуемая устройством, рассматривается как сложное действие, которое разделяется на последовательность элементарных действий, называемых микрооперациями;

2) для управления порядком следования микроопераций используются логические условия х_i, принимающие в зависимости от результатов выполнения микроопераций значения 1 или 0;

3) процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алгоритма, представленного в терминах микроопераций и логических условий и называемого микропрограммой;

4) микропрограмма используется как форма представления функции устройства, на основе которой определяются его структура и порядок функционирования.

13. Производительность ЭВМ

БЫСТРОДЕЙСТВИЕ ЭВМ - среднестатистическое число операций (команд), выполняемых ЭВМ в единицу времени. Быстродействие современных ЭВМ составляет 102-108 операций за 1 с. Иногда быстродействие определяется как время, затрачиваемое на выполнение 1 арифметической операции.

14.

Бинарные: · a - b · a + b · a * b · if(a && b)

Бинарные и унарные команды.

Унарные:

· -a

· +a

· &

· int *p = &a;

Унарные операции выполняются справа налево. В отличие от унарных, бинарные операции выполняются слева направо.

15. Цифровой логический уровень.

Алгебра логики — это раздел математики, изучающий высказывания, рассматриваемые со стороны их логических значений (истинности или ложности) и логических операций над ними.

Основные элементы, из которых конструируются цифровые компьютеры, чрезвычайно просты. Сначала мы рассмотрим эти основные элементы, а также специальную двузначную алгебру (булеву алгебру), которая используется при конструировании этих элементов. Затем мы изучим основные схемы, которые можно построить из вентилей в различных комбинациях, в том числе схемы для выполнения арифметических действий. Следующая тема о том, как комбинировать вентили для хранения информации, то есть о том, как построить память. После этого мы перейдем к процессорам и к тому, как процессоры на одной микросхеме обмениваются информацией с памятью и периферийными устройствами. Затем мы рассмотрим различные примеры, взятые из компьютерной индустрии.

16. Принцип работы полупроводниковой памяти.

Основным видом машинной памяти по совокупности признаков в настоящее время является полупроводниковая память на интегральных схемах (ИС).

Запоминающие устройства с произвольной выборкой служат для оперативного запоминания информации и способны хранить ее только при включенном питании. По принципу действия различают статические и динамические ОЗУ. Элементом памяти статических ОЗУ (SRAM) служат триггеры, которые могут быть реализованы по любой технологии. В динамических ОЗУ (DRAM) носителем информации является емкость между затвором МОП-транзистора и корпусом, которая может быть заряжена или разряжена.

17. Способы представления данных. Устройства ввода вывода.

Формы – текстовые и числовые. Кодирование текстовой информации. Кодовая таблица - это внутреннее представление символов в компьютере. Во всем мире в качестве стандарта принята таблица ASCII (American Standard Code for Information Interchange - Американский стандартный код для обмена информацией). Для хранения двоичного кода одного символа выделен 1 байт = 8 бит. Учитывая, что каждый бит принимает значение 0 или 1, количество их возможных сочетаний в байте равно 28 = 256. Значит, с помощью 1 байта можно получить 256 разных двоичных кодовых комбинаций и отобразить с их помощью 256 различных символов. Эти комбинации и составляют таблицу ASCII.

5.5. Устройства ввода-вывода

Компьютер обменивается информацией с внешним миром с помощью периферийных устройств. Только благодаря периферийным устройствам человек может взаимодействовать с компьютером, а также со всеми подключенными к нему устройствами. Любое подключенное периферийное устройство в каждый момент времени может быть или занято выполнением порученной ему работы или пребывать в ожидании нового задания. Влияние скорости работы периферийных устройств на эффективность работы с компьютером не меньше, чем скорость работы его центрального процессора. Скорость работы внешних устройств от быстродействия процессора не зависит.

Периферийные устройства делятся на устройства ввода и устройства вывода. Устройства ввода преобразуют информацию в форму понятную машине, после чего компьютер может ее обрабатывать и запоминать. Устройства вывода переводят информацию из машинного представления в образы, понятные человеку.

Ниже приведена классификация устройств ввода:

Самым известным устройством ввода информации является клавиатура (keyboard) – это стандартное устройство, предназначенное для ручного ввода информации.

К манипуляторам относят устройства, преобразующие движения руки пользователя в управляющую информацию для компьютера. Среди манипуляторов выделяют мыши, трекболы, джойстики.

Мышь предназначена для выбора и перемещения графических объектов экрана монитора компьютера. Для этого используется указатель, перемещением которого по экрану управляет мышь. Мышь позволяет существенно сократить работу человека с клавиатурой при управлении курсором и вводе команд. Особенно эффективно мышь используется при работе графическими редакторами, издательскими системами, играми. Современные операционные системы также активно используют мышь для управляющих команд.

Трекбол по функциям близок мыши, но шарик в нем больших размеров, и перемещение указателя осуществляется вращением этого шарика руками. Трекбол удобен тем, что его не требуется перемещать по поверхности стола, которого может не быть в наличии. Поэтому, по сравнению с мышью, он занимает на столе меньше места. Большинство переносных компьютеров оснащаются встроенным трекболом.

Джойстик представляет собой основание с подвижной рукояткой, которая может наклоняться в продольном и поперечном направлениях. Рукоятка и основание снабжаются кнопками. Внутри джойстика расположены датчики, преобразующие угол и направление наклона рукоятки в соответствующие сигналы, передаваемые операционной системе. В соответствии с этими сигналами осуществляется перемещение и управление графических объектов на экране.

Графпланшет – это устройство для ввода графических данных, таких как чертежи, схемы, планы и т. п. Он состоит из планшета, соединенного с ним визира или специального карандаша. Перемещая карандаш по планшету, пользователь рисует изображение, которое выводится на экран.

Сканер – устройство ввода графических изображений в компьютер. В сканер закладывается лист бумаги с изображением. Устройство считывает его и пересылает компьютеру в цифровом виде. Во время сканирования вдоль листа с изображением плавно перемещается мощная лампа и линейка с множеством расположенных на ней в ряд светочувствительных элементов.

Монитор (д исплей) является основным устройством вывода графической информации. По размеру диагонали экрана выделяют мониторы 14-дюймовые, 15-дюймовые, 17-дюймовые, 19-дюймовые, 21-дюймовые. Чем больше диагональ монитора, тем он дороже. По цветности мониторы бывают монохромные и цветные. Любое изображение на экране монитора образуется из светящихся разными цветами точек, называемых пикселями (это название происходит от PICture CELL - элемент картинки). Пиксель – это самый мелкий элемент, который может быть отображен на экране. Чем качественнее монитор, тем меньше размер пикселей, тем четче и контрастнее изображение, тем легче прочесть самый мелкий текст, а значит, и меньше напряжение глаз. По принципу действия мониторы подразделяются на мониторы с электронно-лучевой трубкой (Catode Ray Tube - CRT) и жидкокристаллические - (Liquid Crystal Display - LCD).

Для получения копий изображения на бумаге применяют принтеры, которые классифицируются:

o по способу получения изображения: литерные, матричные, струйные, лазерные и термические;

o по способу формирования изображения: последовательные, строчные, страничные;

o по способу печати: ударные, безударные;

o по цветности: чёрно-белые, цветные.

Наиболее распространены принтеры матричные, лазерные и струйные принтеры.

Струйный принтер относится к безударным принтерам. Изображение в нем формируется с помощью чернил, которые распыляются через капилляры печатающей головки.

Лазерный принтер также относится к безударным принтерам. Он формирует изображение постранично. Первоначально изображение создается на фотобарабане, который предварительно электризуется статическим электричеством. Луч лазера в соответствии с изображением снимает статический заряд на белых участках рисунка. Затем на барабан наносится специальное красящее вещество – тонер, который прилипает к фотобарабану на участках с неснятым статическим зарядом. Затем тонер переносится на бумагу и нагревается. Частицы тонера плавятся и прилипают к бумаге.

Для ускорения работы, принтеры имеют собственную память, в которой они хранят образ информации, подготовленной к печати.

К основным характеристикам принтеров можно относятся:

- ширина каретки, которая обычно соответствую бумажному формату А3 или А4;

- скорость печати, измеряемая количеством листов, печатаемы в минуту

- качество печати, определяемое разрешающей способностью принтера - количеством точек на дюйм линейного изображения. Чем разрешение выше, тем лучше качество печати.

- расход материалов: лазерным принтером - порошка, струйным принтером - чернил, матричным принтером - красящих лент.

Плоттер (графопостроитель) – это устройство для отображения векторных изображений на бумаге, кальке, пленке и других подобных материалах.

18. Критерии раздела функций аппаратного и программного обеспечения.

Аппаратное обеспечение - hardware	Программное обеспечение - software
Собственно компьютер и все его устройства принято называть аппаратным обеспечением. Аппаратные средства выполняют всю физическую работу с данными: регистрацию, хранение, транспортировку и преобразование как по форме, так и по содержанию, а также представляют их в виде, удобном для человека.	Совокупность программ, хранящихся на компьютере, образует его программное обеспечение (ПО). обеспечивающий обработку или передачу данных; либо обеспечивающих согласованную работу всех подсистем компьютера и предоставляющих пользователю возможность решения прикладных задач.

19. Уровень операционной системы.

Современный компьютер организован в виде иерархии уровней, каждый из которых добавляет определенные функции к нижележащему уровню.

Рис. 6.1. Положение уровня операционной системы в иерархии

20. Статическая и динамическая память.

Динамическая память - память на конденсаторах, хранит данные только пока есть напряжение, и то в ней все время идут циклы регенерации - перезаписи собственного содержания заново на свое место, пока не стерлось из-за саморазряда конденсаторов. А статическая - память без конденсаторов, на элементах с устойчивым состоянием, например, на транзисторных ячейках памяти - триггерах.

 

21. Структура компьютера.

Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

22. Аппаратные и программные способы повышения быстродействия.

Задача	Описание
Настройка визуальных эффектов	Оптимизация производительности путем изменения внешнего вида окон и меню.
Настройка параметров индексирования	Параметры индексирования могут ускорить и упростить поиск на компьютере. Поиск можно сделать более эффективным, ограничив его область часто используемыми файлами и папками. Дополнительные сведения см. в разделе Ускорение поиска в Windows с помощью индекса: вопросы и ответы.
Настройка параметров питания	Измените параметры управления питанием для эффективного выхода компьютера из режима энергосбережения и настройте работу с аккумулятором портативного компьютера.
Очистка диска	Эта программа удаляет ненужные и временные файлы на жестком диске для увеличения доступного места. Дополнительные сведения см. в разделе Удаление файлов с помощью программы «Очистка диска».
Дополнительные инструменты	Для решения проблем системные администраторы и ИТ-специалисты часто используют дополнительные служебные программы, такие как просмотр событий, дефрагментация диска и сведения о системе. Кроме того, можно просмотреть уведомления о проблемах производительности и возможных путях решения. Например, если Windows обнаружит, что драйвер замедляет работу системы, щелкните уведомление, чтобы узнать, какой драйвер вызывает проблему, и просмотреть сведения об обновлении драйвера. Список проблем упорядочен по убыванию важности.

 

23. Процессор. Центральный процессор.

26Центральный процессор (далее для краткости – процессор) является основным вычислительным устройством ВМ, в задачу которого входит исполнение находящейся в памяти машины программы. Основные функциональные блоки (устройства) процессора – арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).

АЛУ осуществляет функции арифметической и логической обработки информации. АЛУ в свою очередь представляет собой комплекс специализированных операционных устройств, каждое из которых реализует определенное подмножество арифметических и логических операций с определенными типами данных из всего разнообразия операций и типов обрабатываемых данных, предусмотренных системой команд конкретной ВМ. При самом общем рассмотрении АЛУ образуют два вида операционных устройств. Это целочисленные операционные устройства и операционные устройства для обработки чисел в формате с плавающей запятой. В минимальном составе АЛУ содержит аппаратные компоненты, реализующие только арифметические операции сложения и вычитания чисел в формате с фиксированной запятой, а также основные логические операции и операции сдвига. Даже такой ограниченный состав АЛУ позволяет программными методами обеспечить выполнение всех остальных арифметических и логических операций для любых форматов представления информации. Однако более высокой скорости вычислений добиваются включением в состав АЛУ дополнительных аппаратных компонентов, специализированных на выполнении таких операций. По мере совершенствования технических и технологических характеристик процессоров количество специализированных аппаратных компонентов в составе АЛУ непрерывно увеличивается (более подробные сведения об операциях, реализуемых такими компонентами, см. далее в подразделе 2.2).

УУ выполняет функции управления вычислительным процессом и осуществляет автоматическое исполнение программы, обеспечивая для этого следующие основные действия: извлечение из памяти очередных команд, их расшифровку и преобразование в последовательность стандартных элементарных операций, занесение в АЛУ исходных данных, сохранение полученных в АЛУ результатов. УУ обеспечивает синхронизацию работы процессора, оперативной памяти, а также других устройств ВМ.

Помимо АЛУ и УУ процессор содержит набор устройств локальной памяти процессора – регистры памяти. Под регистром памяти обычно понимается устройство для временного хранения данных ограниченного размера. В процессорах регистры используются для хранения данных, необходимых для выполнения текущих операций. Чаще всего регистр имеет тот же размер, что и машинное слово, но может иметь и другую длину, равную целому числу байт. Регистры служат для выполнения определенных функций. Существуют регистры команд, на которые из оперативной памяти вызываются исполняемые команды; регистры адреса, содержимое которых соответствует некоторому адресу (адресу команды или адресу операнда, указанного в команде); регистры, на которые вызываются операнды; регистры, исполняющие роль счетчиков, стеков и т. п.

В состав современных процессоров, как правило, входит некоторый набор дополнительных буферных запоминающих устройств. Для наименования таких устройств применяется ставший уже традиционным термин кэш-память или просто кэш (от английского сло­ва cache – убежище, тайник). Эту кэш-память (у которой быстродействие выше, чем у основной памяти) процессор использует для временного (промежуточного) хранения текущей и наиболее часто востребуемой информации, что позволяет снизить количество обращений процессора непосредственно к основной памяти и в целом повысить производительность процессора. Механизм использования кэш-памяти обычно называют кэшированием. Степень повышения производительности процессора за счет использования кэш-памяти в существенной мере определяется оптимальным для данного процессора объемом кэш-памяти и эффективностью применяемого способа кэширования. Более подробно о кэш-памяти процессора и способах ее наиболее эффективного использования изложено в специальном подразделе 3.4.

Главным показателем эффективности работы и технического совершенства процессора является его производительность. Зависит она от параметров самого процессора (точнее говоря так называемого « ядра процессора » (или «процессорного ядра»), обычно именуемого «кристаллом»), подсистемы памяти, процессорной шины. Производительность процессорного ядра определяется тремя основными параметрами:

1) разрядностью его регистров;

2) тактовой частотой работы процессора;

3) количеством операций (инструкций), выполняемых за один такт работы процессора (IPC – Instruction Per Cycle).

Разрядность регистров определяет диапазон допустимых значений операндов (длину слова). Чем больше разрядность регистров процессора, тем более длинное слово (или большая порция данных) обрабатывается за один такт работы процессора и тем больше объем прямоадресуемой памяти. Исторически по мере развития процессоров происходил переход от первых 4-разрядных микропроцессоров к 8-разрядным и далее к 16- и 32-разрядным. Основной проблемой перехода к более высокой разрядности процессоров на сегодняшний день являются ограничения программного уровня. Так, для массового перехода от 32-разрядных процессоров к 64-разрядным необходима разработка практически нового 64-разрядного программного обеспечения. Однако следует отметить, что в настоящее время для 64-разрядных процессоров предложены решения постепенной миграции от 32-разрядных к 64-разрядным программным приложениям.

Увеличение тактовой частоты работы процессора – наиболее прямолинейный способ повышения производительности процессоров. С одной стороны рост тактовой частоты ограничен размерами элементарных функциональных компонентов процессорного ядра – транзисторов (чем меньше размер транзистора, тем на более высокой частоте он способен работать). С другой стороны современные процессоры включают в себя миллионы транзисторов, образующих сложные электронные схемы, что приводит к увеличению времени прохождения сигналов в процессоре. Такие «схемные задержки» тоже лимитируют максимально возможные значение тактовой частоты работы процессора.

Для увеличения тактовой частоты работы процессоров постоянно совершенствуются технические и технологические решения, применяемые при производстве процессоров. Одним из основных путей в этом направлении является снижение так называемых проектных норм (параметров) технологического процесса, определяющих размеры формируемых на полупроводниковой подложке элементов – транзисторов и межсоединений. За последние годы сменилось несколько поколений техпроцесса: 0,8 мкм – 0,5 мкм – 0,35 мкм – 0,25 мкм – 0,18 мкм – 0,13 мкм – 0,09 мкм. Каждый, как видно из приведенного ряда, уменьшает размеры элементов примерно на 30%, а их площадь (квадрат линейного размера) – примерно в 2 раза. Соответственно, плотность размещения элементов с каждым новым техпроцессом удваивается, что позволяет производить более сложные (с большим числом элементов) и более дешевые (меньшая площадь процессорного кристалла) процессоры. Другими продуктивными путями улучшения характеристик процессоров стало применение в их производстве новых материалов и соответствующих технологий, таких как использование в качестве проводящих областей и внутриядерных межсоединений меди вместо алюминия(«медная» технология), использование вместо двуокиси кремния специальных диэлектриков с низкой проницаемостью (технология «Low-K-диэлектриков»), применение для уменьшения емкости транзисторовспециального изолирующего слоя между кремниевой подложкой и слоем кремния, в котором формируются транзисторы (технология «кремний-на-изоляторе»), изменение параметров кристаллической решетки кремния путем размещения слоя кремния на специальном полупроводниковом слое (подложке), имеющим большие межатомные расстояния (технология «растянутого кремния»). Суть тех­нологии «растянутого» (напряженного) кремния заключается в том, что кристаллическая решетка подложки «растягивается» та­ким образом, чтобы атомы разошлись на большее рас­стояние. Подстраиваясь под кристаллическую решетку подложки, атомы кремния «раздвигаются» на большее расстояние. В результате сопротивление движению элек­тронов через кристаллическую решетку уменьшается, транзисторы могут пропускать больший ток, а следова­тельно и быстрее срабатывать, выделяя при этом мень­ше тепла. Эти решения позволили добиться повышения тактовой частоты, на которой способны работать процессоры, а также снизить удельные тепловыделения (за счет уменьшения потерь на перезарядку емкости транзисторов, уменьшения резистивных потерь в межсоединениях и снижения напряжения питания).