Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса

Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК. Разрядность МП определяется иногда по разрядности его регистров и кодовой шины данных, а иногда по разрядности кодовых шин адреса. Одинаковая разрядность этих шин только у МП типа VLIW (64-битовая intel-архитектура — IA).

Типы системного и локальных и внешних интерфейсов

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды, используют беспроводные каналы связи.

Емкость оперативной памяти

Емкость оперативной памяти измеряется обычно в мегабайтах (1 Мбайт = 1024 Кбайт = 1024² байтов). Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющей емкость меньше 512 Мбайт, просто не работают, либо работают, но очень медленно. Увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, увеличивает эффективную производительность компьютера при решении сложных задач (когда ощущается дефицит памяти) примерно в 1,41 раза (закон корня квадратного).

Виды накопителей на жестких магнитных дисках

Емкость НЖМД измеряется обычно в гигабайтах, 1 Гбайт = 1024 Мбайт. Объем винчестерной памяти 80 Гбайт сегодня еще приемлем, но, по прогнозам специалистов, новые программные продукты будут требовать сотни гигабайт внешней памяти..

Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках

Сейчас еще применяются накопители на гибких магнитных дисках с форм-фактором 3,5 дюйма, имеющие стандартную емкость 1,44 Мбайт (накопители для гибких дисков в современные ЭВМ часто уже не устанавливаются).

Наличие, виды и емкость кэш-памяти

Кэш-память — это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операции с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая кэш-память внутри микропроцессора (кэш-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (кэш-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется кэш-память на ячейках электронной памяти.

Следует иметь в виду, что наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20%.

Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров

Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров означает возможность использования на компьютере, соответственно, тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.

Возможность работы в многозадачном режиме

Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет существенно увеличить эффективное быстродействие компьютера.

Надежность

Надежность — это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции.

Вопросы для самопроверки.

1. Нарисуйте блок-схему персонального компьютера.

2. Дайте характеристику основных блоков компьютера.

3. Дайте краткую характеристику устройств, входящих в состав микропроцессора.

4. Что такое системная шина?

5. Приведите иерархию запоминающих устройств ПК.

6. Поясните назначение запоминающих устройств ПК.

7. Дайте классификацию внешних устройств ПК.

8. Назовите состав внешних устройств ПК каждой группы.

9. Что такое математический сопроцессор, каково его назначение?

10. Что такое контроллер прямого доступа к памяти (DMA), каково его назначение?

11. Что такое контроллер прерываний и каково его назначение?

12. Назовите основные конструктивные компоненты ПК и дайте им краткую характеристику.

13. Назовите и поясните основные функциональные характеристики ПК.

14. Чем определяется производительность компьютера?

Глава 8. Микропроцессоры

После изучения главы студент должен знать:

· назначение микропроцессоров (МП) и их основные функции,

· классификацию микропроцессоров,

· основные характеристиками МП,

· МП CISC фирмы Intel, в том числе и новейшие многоядерные МП семейства Core,

· эффективные технологии, используемые в МП,

· структурную схему МП,

· уровни КЭШ памяти, устанавливаемой на МП,

· функциональные схемы и назначение:

§ устройства управления (УУ),

§ арифметико-логического устройства (АЛУ),

§ микропроцессорной памяти (МПП).

Микропроцессор или Central Processing Unit (CPU) — функционально-законченное программно управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

· вычисление адресов команд и операндов;

· выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);

· выборку данных из ОП, регистров МПП и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);

· прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

· обработку данных и их запись в ОП, регистры МПП и регистры адаптеров ВУ;

· выработку управляющих сигналов для всех узлов и блоков ПК;

· переход к следующей команде.

Основными параметрами микропроцессоров являются: разрядность; рабочая тактовая частота; виды и размер кэш-памяти; состав инструкций; конструктив; энергопотребление; рабочее напряжение.

Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.

Адресное пространство — это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстродействие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП.

Кэш-память, устанавливаемая в МП, имеет два уровня:

L1 — память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП (впервые кэшL1 был введен в МП i86 и у МП i386SLC).

L 2 — память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП Pentium Pro). Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП.

Состав инструкций — перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит классификационная группа МП (CISC, RISC, VLIW).

Конструктив — это те физические разъемные соединения, которые используются для установки МП, и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Разъемы имеют разную конструкцию (Slot — щелевой разъем, Socket — разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются сигналы и рабочее напряжение.

Рабочеенапряжение также является фактором пригодности материнской платы для установки МП.

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году компанией Intel (США) — МП 4004. В настоящее время разными фирмами (AMD, VIA Apollo, IBM и другими) выпускается много десятков различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры компании Intel и Intel-подобные. В дальнейшем подробнее рассмотрим именно их.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

· CISC (Complex Instruction Set Command) с системой полных команд;

· RISC (Reduced Instruction Set Command) с системой усеченных команд;

· VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхдлинным командным словом.

Микропроцессоры типа CISC

Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП типа CISC, выпускаемые многими фирмами: Intel, AMD, Cyrix, IBM и т.д. Законодателем «мод» здесь выступает Intel, но ей «на пятки» наступает AMD, в последние годы создавшая МП по некоторым параметрам лучше «интеловских». Все же пока МП фирмы Intelимеют большее распространение. характеристики некоторых из них приведены в табл. 8.1. Следует знать что:

- МП 80386 (386), 80486 (486) имеют модификации с буквами SX, DX, SL и др., они отличаются от базовой модели разрядностью шины, тактовой частотой, надежностью, габаритами, потреблением энергии, амплитудой напряжения и другими параметрами.

- МП Pentium–Pentium 4 имеют много различных модификаций.

- Число элементов — это количество элементарных полупроводниковых переходов, размещенное в интегральной схеме МП. Технология обычно характеризуется размером элемента в микронах (микронная технология).

- МП 486DX и выше имеют встроенный математический сопроцессор, могут работать с умножением внутренней частоты. С увеличенной частотой работают только внутренние схемы МП, все внешние по отношению к МП схемы, в том числе расположенные и на системной плате, работают на обычной частоте.

 

Таблица 8.1. Характеристики некоторых CISC МП

Модель МП Intel	Разрядность данных/адреса (битов)		Тактовая частота (МГц)	Адресное пространство (байт)	Состав команд^[12]	Число элементов Технология	Кэш L1 и L2 (Кбайт)	Напряжение питания Конструктив	Частота системной шины (FSB) МГц	Год выпуска
8086	16	16	4,77 и 8	10^6		70 000; 3 мкм		5В		1979
80186	16	20	8 и 10	10^6		140 000 3 мкм		5В		1981
80286	16	24	12 и 16	16 · 10^6		180 000; 1,5 мкм		5В		1982
80386	32	32	16–50	4 · 10^9	Базовый	275 000; 1 мкм	8	3,3В		1985
80486	32	32	25–100	4 · 10^9	Базовый	1,2 · 10^6; 1 мкм	8	3,3В		1989
Pentium	64	32	60–233	4 · 10^9	Базовый	3,3 · 10^6; 0,35 мкм	8 + 8	3,3В; Socket 5	66	1993
Pentium Pro	64	32	150–200	4 · 10^9	Базовый	5,5 · 10^6; 0,35 мкм	8 + 8 256F	3,3 В; Socket 8	66	1995
Pentium MMX	64	36	166–300	64 · 10^9	Базовый + 57 (MMX)	7,5 · 10^6; 0,35 мкм	16+16	2,8 В; Socket 7	100	1997
Pentium II Katmai)	64	36	266–600	64 · 10^9	MMX + 70  (SSE)	7,5 · 10^6; 0,25 мкм	16+16 512F/2	2,0 В; Slot 1	133	1997
Pentium II Celeron (Mendocino)	64	32	266–600	4 · 10^9	SSE	19 · 10^6; 0,25, 0,22 мкм	16+16 128F	2,0 В; Slot 1, Socket 370	100	1998
Pentium III (Coppermine)	64	36	500–1000	64 · 10^9	SSE	25 · 10^6; 0,18 мкм	16+16 256F	1,65 В; Socket 370	133	1999
Pentium III Xeon	64	36	500–1000	64 · 10^9	SSE	30 · 10^6; 0,18 мкм	16+16 256–2048F	1,65 В; Slot 2	133	1999
Pentium 4 (Willamette)	64	36	1000–3400	64 · 10^9	SSE+144 (SSE2)	42 · 10^6; 0,13 мкм	8+8 256F	1,7В Socket 423	400	2000
Pentium 4 Northwood	64	36	1800-3400	64 · 10^9	SSE2	55· 10^6; 0,13 мкм	16+16 512F	1,55В Socket 478	533	2001
Pentium 4E (Prescott)	64	36	2800 -3600	64 · 10^9	SSE2+13 (SSE3)	125· 10^6; 0,09 мкм	16+16 1024 F	1,55В, LGA 775 Strained, SOI, Cu	800	2003
Pentium 4XE (Gallatine)	64	36	3200 -3600	64 · 10^9	SSE3	178· 10^6; 0,09 мкм	16+16 2048 F	LGA 775 Strained, SOI, Cu	1066	2004
Pentium D 2ядра (Prescott)	64	64	2800– 3200	64 · 10^9	SSE3+	275· 10^6; 0,09 мкм	16+16 2x 1024 F	LGA 775 Strained, SOI, Cu	800	2005

- МП 80286 и выше обеспечивают конвейерное выполнение команд, содержат регистры для очереди команд общим размером 6 байт, у МП 486 — 16 байтов и др. Конвейерное выполнение команд — это одновременное выполнение разных тактов последовательных команд в разных частях МП при непосредственной передаче результатов из одной части МП в другую, увеличивает эффективное быстродействие ПК в 2–5 раз.

-МП 80286 и выше могут работать в вычислительной сети, поддерживают многозадачную работу (многопрограммность) и сопутствующая ей защиту памяти.

-МП 80386 и выше имеют встроенную поддержку системы виртуальных машин, обеспечивающую режим многозадачной работы: каждая задача может выполняться под управлением своей операционной системы, в одном МП моделируется несколько параллельно работающих компьютеров под различными операционными системами.

-МП 80486 и выше обеспечивают поддержку кэш-памяти, включают RISC-элементы, позволяющие выполнять усеченные команды за 1 такт.

Современные микропроцессоры имеют два режима работы:

· реальный (однозадачный, Real Address Mode), в котором возможно выполнение только одной программы, и непосредственно адресоваться могут только (1024 + 64) Кбайт основной памяти компьютера, а остальная память (расширенная) доступна лишь при подключении специальных драйверов;

· защищенный (многозадачный, Protected Virtual Address Mode), обеспечивающий выполнение одновременно нескольких программ, непосредственную адресацию и прямой доступ (без дополнительных драйверов) к расширенной основной памяти. Предоставляется доступ к памяти емкостью 16 Мбайт для МП 286; 4 Гбайт для процессоров 386, 486, Celeron; 128 Гбайт для МП Pentium Xeon и 64 Гбайт для остальных процессоров Pentium, а при страничной организации памяти — к 16 Тбайт виртуальной памяти каждой задаче. В этом режиме осуществляется автоматическое распределение памяти между выполняемыми программами и соответствующая ее защита от обращений со стороны чужих программ. Защищенный режим поддерживается операционными системами Windows, OS/2, UNIX и другими.

Микропроцессоры Over Drive

В середине 90-х годов появились МП Over Drive, по существу являющиеся своеобразными сопроцессорами, обеспечивающими для МП 80486 режимы работы и эффективное быстродействие, характерные для МП Pentium, а для МП Pentium — увеличение их производительности (в частности, Over Drive 125, 150 и 166, соответственно, для Pentium 75, 90 и 100, увеличивающие их внутреннюю частоту до указанных для Over Drive величин).

Микропроцессоры Pentium

Микропроцессоры 80586 (P5) более известны по их товарной марке Pentium, которая запатентована фирмой Intel (МП 80586 других фирм имеют иные обозначения: К5 у фирмы AMD, M1 у фирмы Cyrix и др.). Эти микропроцессоры имеют пятиступенную конвейерную структуру, обеспечивающую многократное совмещение тактов выполнения последовательных команд (возможно независимое выполнение сразу двух простых команд), и кэш-буфер для команд условной передачи управления, позволяющий предсказывать направление ветвления программ; по эффективному быстродействию они приближаются к RISC МП, выполняющим каждую команду за один такт. Процессоры Pentium имеют 32-разрядную адресную шину и 64-разрядную шину данных. Обмен данными с системой может выполняться со скоростью 1 Гбайт/с.

У всех МП Pentiumимеется встроенная кэш-память, отдельно для команд и данных по 8 Кбайт, встроенный контроллер кэш-памяти 2-го уровня. Это обеспечивает работу кэш-памяти на внутренней частоте МП. Имеются специализированные конвейерные аппаратные блоки сложения, умножения и деления, существенно ускоряющие выполнение операций с плавающей запятой. Удачные архитектурные решения МП Pentium обусловили то, что производительности микропроцессоров 486DX4-120 и Pentium-60 приблизительно одинаковы (то есть за счет архитектуры производительность увеличилась в 2 раза).

Микропроцессоры Pentium Pro

В сентябре 1995 года прошли презентацию и выпущеныМПшестого поколения80686 (Р6), торговая марка Pentium Pro.Микропроцессор состоит из 2-х кристаллов: собственно МП и кэш-памяти. Но он не полностью совместим с просто Pentium и, в частности, требует специальную системную плату. Pentium Pro прекрасно работает с 32-битовыми приложениями, а в 16-битовых иногда даже несколько проигрывает просто Pentium. Новые схемотехнические решения обеспечивают для ПК более высокую производительность. Часть этих новшеств может быть объединена понятием «динамическое исполнение» (dynamic execution), что, в первую очередь, означает наличие многоступенчатой суперконвейерной структуры (superpipelining) предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (multiple branch prediction) и исполнение команд по предполагаемому пути ветвления (speculative execution).

В программах решения многих задач, особенно экономических, содержится большое число условных передач управления. Если процессор может заранее предсказывать направление перехода (ветвления), то производительность его работы значительно повысится за счет оптимизации загрузки вычислительных конвейеров. Если путь ветвления предсказан неверно, процессор должен сбросить полученные результаты, очистить конвейеры и загрузить нужные команды заново, что требует достаточно большого числа тактов. В процессоре Pentium Pro вероятность правильного предсказания 90%, против 80% у МП Pentium.

Кэш-память емкостью 256–1024 Кбайт — обязательный атрибут высокопроизводительных систем на процессорах Pentium. Однако у них встроенная кэш-память имеет небольшую емкость, а основная ее часть находится вне процессора на материнской плате. Поэтому обмен данными с ней часто происходит не на внутренней частоте МП, а на частоте тактового генератора, которая обычно в 2–5 раз ниже, что снижает общее быстродействие компьютера. В МП Pentium Pro есть и кэш- память 1-го уровня (по 8 Кбайт для команд и данных) и кристалл кэш-памяти 2-го уровня емкостью 256 или 512 Кбайт, расположенный на плате самого микропроцессора и работающий на внутренней частоте МП.