Основные принципы построения ЭВМ

Основные принципы построения ЭВМ были сформулированы американским учёным Джоном фон Нейманом в 40-х годах 20 века:

1) Любую ЭВМ образуют три основных компонента:

· процессор

· память

· устройства ввода-вывода (УВВ)

2) Информация, с которой работает ЭВМ делится на два типа:

· набор команд по обработке (программы)

· данные подлежащие обработке

3) Команды, и данные вводятся в память (ОЗУ) – принцип хранимой программы.

4) Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.

5) С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).

· - направление потоков информации

· --- направление Управляющий сигналом.

Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название - системная магистраль).

Шина – канал передачи данных, используемый совместно различными блоками системы. Представляет собой либо набор проводящих линий вытравленных на печатной плате, либо плоский кабель. По одной группе проводников - шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой - шине адреса - адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали - шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др.).

Системная шина – предназначена для обеспечения передачи данных между периферийными устройствами, ЦП и ОЗУ. Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью.
Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.
Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду.

Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом, передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, словами разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем , где n – разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.

Ниже представлена схема устройства компьютера, построенного по магистральному принципу:

В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие.

Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок - контроллер (другие названия - адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъёмы - слоты.

Программное управление работой периферийного устройства производится через программу - драйвер, которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.

Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT - порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.

Минимальная конфигурация компьютера включает в себя: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь.

 

1. Архитектура Джона фон Неймана.

Фон Нейман описал, каким должен быть компьютер, чтобы он был универсальным и удобным средством для обработки информации. Он прежде всего должен иметь следующие устройства:

• Арифметическо-логическое устройство, которое выполняет арифметические и логические операции
• Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ
• Запоминающее устройство для хранения программ и данных
• Внешние устройства для ввода-вывода информации.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фон - неймановских.

 

 

Принципы фон Неймана:

1) Двоичная система счисления - компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления

2) Принцип программного управления и хранимой в памяти программы - компьютер работает под управлением программы, программа должна размещаться в одном из блоков компьютера - в запоминающем устройстве (первоначально программа задавалась путем установки перемычек на коммутационной панели)

3) Принцип однородности - команды, так же как и данные, с которыми оперирует компьютер, хранятся в одном блоке памяти и записываются в двоичном коде, то есть по форме представления команды и данные однотипны и хранятся в одной и той же области памяти

4) Принцип адресности – основная память структурно состоит из нумерованных ячеек, то есть доступ к командам и данным осуществляется по адресу.

 

Компьютеры на архитектуре фон Неймана:

1) Манчестерский Марк. Университет Манчестер, Великобритания, 1948г.

2) EDSAC. Кембриджский университет, Великобритания, 1949.

3) BINAC. США, 1949

4) CSIR Mk1. Австралия, 1949г.

5) SEAC. США, 1950г.

 

 

1. Классификация компьютерных архитектур. Виды, преимущества и недостатки, особенности

 

1) CISC - IBM 360/370

2) RISC - Sparc, MIPS,PA-RISC,PowerPC

3) VLIW - Intel IA-64, AMD-64

4) Milti-core computers - Sun Ultra Sparc-TI(Niagara) и T2(Niagara2)

5) Hybrid processor computers (CPU + GPU): Intel, AMD

 

1. CISC - IBM 360/370

CISC (компьютеры с усложненной системой команд) - в систему команд компьютера включаются сложные по семантике операции, реализующие типовые действия, часто используемые при программировании и при реализации языков.
Например: вызов рекурсивных процедур и автоматическое обновление дисплей-регистров, групповые операции пересылки строк и массивов и др.

 

Особенности:

• сравнительно небольшое число регистров общего назначения (8-16)
• большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам

высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов

• большое количество методов адресации
• большое количество форматов команд различной разрядности
• преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память

 

Недостатки:

• Высокая стоимость аппаратной части

• Вшивание сложных алгоритмов - аппаратура исполняла каждый раз некоторый общий алгоритм команды, требовавший десятков или даже сотен тактов процессора
• Групповые операции на время их выполнения фактически останавливали работу конвейера.

Конвейер - аппаратная оптимизация, параллельного выполнения нескольких соседних команд при условии независимости друг от друга по данным.

Область применения: основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с 1964 года и дошло до наших дней. Например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000. Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC – Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium.

1. RISC - Sparc, MIPS, PA-RISC, PowerPC

RISC (компьютеры с упрощенной системой команд) - упрощенный подход к архитектуре компьютеров, предложенный в начале 1980-х гг. профессором Девидом Патерсоном (университет Беркли, США) и его студентом Дэвидом Дитцелом.

 

Принципы:

• Упрощение семантики команд
• Отсутствие сложных групповых операций
• Одинаковая длина команд (32 бита - архитектура была разработана в расчете на 32 битовые процессоры)
• Выполнение арифметических операций только на регистрах и использование специальных команд считывания памяти в регистр и записи из регистра в память
• Операции обработки данных реализуются только в формате “регистр - регистр“ (операнды выбираются из оперативных регистров процессора, и результат операции записывается также в регистр; а обмен между оперативными регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузки записи)

Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен программисту: например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд (англ.), к которому программист обратиться не может.

• Отсутствие специализированных регистров и др.

Первый RISC процессор 31 команд. 20-50 тысяч транзисторов.

 

Основные особенности:

• Сокращенный набор команд (80-150)
• Большинство команд выполняется за 1 такт
• Большое количество регистров общего назначения (32+)

Существуют: 8 регистров общего назначения, регистр состояния процессора (или регистр флагов EFLAGS), регистр указателя команд (EIP), 6 сегментных регистров, управляющие регистры.

• Все команды имеют простой формат
• Наличие вместительной кэш-памяти

Кэш-память ­­– промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше осуществляется быстрее, чем выборка исходных данных из более медленной памяти или удаленного источника, однако её объём существенно ограничен по сравнению с хранилищем исходных данных.

• Применение оптимизирующих компиляторов

Компилятор – транслятор, который осуществляет перевод всей исходной программы в эквивалентную ей результирующую программу на языке машинных команд (микропроцессора или виртуальной машины).

Область применения: в последних разработках компании Intel (имеются в виду Pentium и Pentium Pro), а также ее последователей-конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются. Однако сложность архитектуры и системы команд x86 остается и является главным фактором, ограничивающим производительность процессоров на ее основе.

 

1. VLIW - Intel IA-64, AMD-64

VLIW (компьютеры с широким командным словом) - подход к архитектуре компьютеров, сложившийся в 1980-х - 1990-х гг.

Основная идея данного подхода - статическое планирование параллельных вычислений компилятором на уровне отдельных последовательностей команд и подкоманд. Каждая команда является "широкой" (long) и содержит несколько подкоманд, выполняемых параллельно за один машинный такт на нескольких однотипных устройствах процессора.

Задачей компилятора является оптимальное планирование загрузки всех этих устройств в каждом машинном такте.

Достоинство: возможность распараллеливания вычислений.

Распараллеливание - это распределение вычислений между несколькими процессорами (или несколькими ядрами одного процессора).

Недостаток: сложность (по сравнению с RISC-архитектурой).

 

1. Milti-core computers - Sun Ultra Sparc-TI(Niagara) и T2(Niagara2)

Milti-core computers (многоядерные системы) - которой каждый процессор имеет несколько ядер (cores), объединенных в одном кристалле и параллельно работающих на одной и той же общей памяти, что дает широкие возможности для параллельных вычислений.

 

В настоящее время многоядерные процессоры:

Intel (Core 2 Duo, i3, i5, i7)

Sun / Oracle: Ultra Sparc-T1 - 16-ядерный процессоров, Niagara 2 - 32-ядерный процессор.

Создатели операционных систем для таких компьютеров разрабатывают базовые библиотеки программ, позволяющие в полной мере использовать возможности параллельного выполнения на многоядерных процессорах.

1. Hybrid processor computers (CPU + GPU): Intel, AMD

Hybrid (компьютеры с гибридными процессорами) – архитектура, при которой процессор имеет гибридную структуру. Состоит из (многоядерного) центрального процессора (CPU) и (также многоядерного) графического процесса (GPU – Graphical Processor Unit).

Разработан в связи с необходимостью параллельной обработки графической и мультимедийной информации.

 

 

1. Современные архитектуры ЦП. Виды и отличия.

	Westmere	32nm
	Sandy Bridge	32nm
	Ivy Dridge	22 nm
	Haswell	22 nm
	Broadwell-Y	14nm
	Skylake	14nm

1. Westmere.

Решения на основе микроархитектуры Westmere производятся с соблюдением норм 32-нм техпроцесса. Это должно снизить как стоимость изготовления процессоров, так и потребляемую мощность. Осуществлена доработка решений, впервые применённых в микроархитектуре Nehalem. Благодаря более тонкому техпроцессу площадь кристаллов будет меньше, что позволит увеличить количество ядер.

 

1. Sandy Bridge

Первый дизайн ядер на основе этой архитектуры представляет сочетание CPU с частотой до 3,5 ГГц, обладающего 2-4 ядрами и высокопроизводительного GPU с частотой до 1,35 ГГц, также в чип интегрирован северный мост набора системной логики (контроллер PCI Express 2.0 и двухканальный контроллер памяти стандарта DDR3 SDRAM с частотой до 1333 МГц). Каждое ядро имеет по 256 КБ кэша второго уровня и до 8 МБ объединенного кэша третьего уровня. Процессор, графика, кэш-память и контроллеры выполнены на единой кремниевой подложке площадью 216 мм². Энергопотребление данного дизайна не выходит за пределы 130 Вт для топовых моделей. Первая архитектура, в которую Intel встроил технологию Quick Sync, предназначенную для ускорения кодирования и декодирования видеоконтента.

 

1. Ivy Bridge
   Особенности:

§ переход на 22-нм техпроцесс (улучшение производительности и снижение энергопотребления)

§ 16 графических исполнительных блоков (EU, Execution Units)

§ увеличение IPC (количества инструкций выполняемых за такт), дополнение системы команд (Instruction Set Architecture) четырьмя инструкциями ускоренного доступа к базовым регистрам FS (Front Side) и GS (Graphics Side), ускорение строковых инструкций REP MOVSB/STOSB, ускорение преобразования чисел с плавающей точкой из 16-битного формата в 32-битный формат

§ кольцевая шина Ring Interconnect (более производительная чем QPI) объединяющая процессорные ядра, графическое ядро и системный агент (System Agent) через общий кэш последнего уровня (LLC, L3)

§ обратная совместимость с сокетом второго поколения процессоров Sandy Bridge

§ новый 2- или 4-канальный контроллер DDR3, поддерживающий память до DDR3-2800 MT/s, и DDR3L (низковольтная)

§ встроенный контроллер PCI Express 3.0 (кроме процессоров i-3)

§ встроенная поддержка USB 3.0 (4 порта) в чипсетах 7 серии

§ встроенная поддержка интерфейса Thunderbolt

§ чипсет Panther Point с новым интерфейсом FDI, рассчитанным на одновременное подключение до трех дисплеев

§ улучшенные технологии энергосбережения (конфигурируемое TDP, режим пониженного энергопотребления)

§ добавлен высокоскоростной и высококачественный аппаратный генератор случайных чисел с поддержкой стандартов ANSI X9.82, NIST SP 800-90 и NIST FIPS 140-2/3 сертификации уровня 2

§ добавлена новая инструкция RDRAND для работы с генератором случайных чисел, возвращающая случайное число в 16-, 32- или 64-битный регистр

§ добавлен новый режим защиты в режиме супервизора (SMEP, Supervisor Mode Execution Prevention) предотвращающий исполнение кода из пользовательских страниц

 

1. Haswell

В основе процессоров Core i5 и Core i7 лежат четрехъядерные полупроводниковые кристаллы Haswell. Использование тонкого 22-нм литографического техпроцесса позволило уместить 1400 млн. полупроводниковых устройств на площади в 177 кв. мм. Сами транзисторы имеют трехмерную конструкцию (Tri-Gate), что обеспечивает их малые физические размеры и минимизирует токи утечки. Полупроводниковый кристалл процессора Haswell включает в себя четыре вычислительных ядра, графический ускоритель, массив кэш-памяти третьего уровня, и «системный агент», в который входят двухканальный контроллер ОЗУ стандарта DDR3, контроллеры шин DMI и PCI Express, а также трансмиттеры цифрового изображения. Процессорные ядра, и встроенная видеокарта используют общую разделяемую кеш-память, а для связи между внутренними блоками используется высокоскоростная кольцевая шина данных, которая впервые появилась в процессорах Intel Sandy Bridge. Но самой неожиданной инновацией в архитектуре Intel Haswell стало размещение на полупроводниковом кристалле интегрального регулятора напряжения!

 

1. Broadwell-Y

Особенности:

§ Увеличение числа записей планировщика внеочередного исполнения команд, что позволяет переупорядочивать большее количество инструкций

§ Увеличение числа записей буфера ассоциативной трансляции (TLB) второго уровня с 1 тысячи до 1,5 тысяч записей

§ режим работы со страницами по 1 Гбайт, дающий Broadwell способность обрабатывать эти очень большие страницы поверх существующих страниц на 2 Мбайт

§ Доработан предсказатель ветвлений для сокращения потерянных ветвей и, соответственно, ненужных операций с памятью.

Чип с BGA-корпусом (не использует сокет, а распаивается непосредственно на материнской плате). Тепловыделение не более 4.5 W и 3.5 Вт, для планшетных компьютеров и некоторых ноутбуков. В качестве графического решения используют GT2; поддерживают до 8 ГБ оперативной памяти LPDDR3-1600. Процессоры получили обозначение Core M.

 

 

1. Skylake

Особенности архитектуры:

§ 14-нм технологический процесс;

§ Конструктивное исполнение LGA 1151;

§ Поддержка памяти DDR4 SDRAM;

§ Поддержка интерфейса PCI Express 4.0;

§ Поддержка технологии Thunderbolt 3.0 (Alpine Ridge);

§ IGP и PCH девятого поколения;

§ Поддержка инструкций AVX 3.2, MPX (Memory Protection Extensions) и ADX (Multi-Precision Add-Carry Instruction Extensions);

§ Поддержка SATA Express

 

 

1. Центральный процессор. Состав центрального процессора.

Центральный процессор – это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера.
В состав центрального процессора входят:

· устройство управления (УУ)

· арифметико-логическое устройство (АЛУ)

· запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора

· генератор тактовой частоты (ГТЧ)

Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.
Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.
Запоминающее устройство - это внутренняя память процессора. Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.
Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.

 

 

1. Центральный процессор. Характеристики современного процессора

 

Основные характеристики:

• Быстродействие (вычислительная мощность) / внутренняя тактовая частота (измеряется в гигагерцах) – это количество элементарных операций процессора в секунду.
• Тактовая частота (частота шины процессора) / внешняя частота в Мг. Частота шины процессора, по которой производится обмен данными между процессором и другими устройствами.

Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего.

• Разрядность процессора – это макс количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно.
• Объем кэш-памяти - объем буферной памяти между процессором и оперативной памятью.
• Топологический размер ядра – минимальное расстояние между элементами процессора. Характеризует уровень развития технологии.

Литография указывает на полупроводниковую технологию, используемую для производства интегрированных наборов микросхем и отчет показывается на нанометре (нм), что указывает на размер функций, встроенных в полупроводник.

• Графическое ядро – встроенная процессор графика (интеграция в Sandy Bridge 2011).

Базовая частота графической системы – это номинальная гарантированная тактовая частота рендеринга графики (МГц). Вывод графической системы определяет интерфейсы, доступные для взаимодействия с отображениями устройства.

• Тип подключения к процессорному гнезду (разъем) – компонент, который обеспечивает механические и электрические соединения между процессором и материнской платой.

 

Доп. характеристики:

• Максимальный объем памяти означает максимальный объем памяти (ГБ), поддерживаемый процессором.
• Максимальная пропускная способность памяти означает максимальную скорость, с которой данные могут быть считаны из памяти или сохранены в памяти процессором (в ГБ/с).
• Поддерживаемые типы памяти - одноканальная, двухканальная, трехканальная и Flex.

FLEX была операционной системой с памятью на дисках.

• Wireless Display - технология, которая обеспечивает передачу по беспроводной связи фильмов, фотографий, веб-сайтов и много другого с устройств Ultrabook или ПК на HDTV – мониторы.
• Hyper-Threading Technology обеспечивает два потока обработки для каждого физического ядра.

Процессор, поддерживающий технологию hyper-threading:

ü может хранить состояние сразу двух потоков;

ü содержит по одному набору регистров и по одному контроллеру прерываний (APIC) на каждый логический процессор.

 

 

1. Системы RISC и CISC. Основные черты. Области применения.

 

Основоположник	CISC	RISC
Модель	IBM, IBM/360	CDC6600 (Крэй)
Лидер	x86	Alpha, PowerPC, SPARC
Рынок	Персональные ЭВМ (благодаря совместимости с программным обеспечением младших моделей, общая стоимость которого - в начале 90-х годов - составила несколько миллиардов долларов США)	Высокопроизводительные компьютеры (стоимость ПО не настолько существенна)
Реализация	Микропрограммная (интерпретация)	Аппаратная
Число регистров общего назначения	Небольшое	Большое
Формат команд	Большое количество форматов команд различной разрядности	Команды фиксированной длины и фиксированного формата
Адресация	Большое количество методов адресации, преобладание двухадресного формата команд	Простые методы адресации, трехадресный формат команд

 

• CISC - IBM 360/370

CISC (компьютеры с усложненной системой команд) - в систему команд компьютера включаются сложные по семантике операции, реализующие типовые действия, часто используемые при программировании и при реализации языков.
Например: вызов рекурсивных процедур и автоматическое обновление дисплей-регистров, групповые операции пересылки строк и массивов и др.

Особенности:

• сравнительно небольшое число регистров общего назначения (8-16)
• большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам

высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов

• большое количество методов адресации
• большое количество форматов команд различной разрядности
• преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память

Недостатки:

• Высокая стоимость аппаратной части

• Вшивание сложных алгоритмов - аппаратура исполняла каждый раз некоторый общий алгоритм команды, требовавший десятков или даже сотен тактов процессора
• Групповые операции на время их выполнения фактически останавливали работу конвейера.

Конвейер - аппаратная оптимизация, параллельного выполнения нескольких соседних команд при условии независимости друг от друга по данным.

Область применения: основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с 1964 года и дошло до наших дней. Например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000. Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC – Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium.

1. RISC - Sparc, MIPS, PA-RISC, PowerPC

RISC (компьютеры с упрощенной системой команд) - упрощенный подход к архитектуре компьютеров, предложенный в начале 1980-х гг. профессором Девидом Патерсоном (университет Беркли, США) и его студентом Дэвидом Дитцелом.

Принципы:

• Упрощение семантики команд
• Отсутствие сложных групповых операций
• Одинаковая длина команд (32 бита - архитектура была разработана в расчете на 32 битовые процессоры)
• Выполнение арифметических операций только на регистрах и использование специальных команд считывания памяти в регистр и записи из регистра в память

Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен программисту: например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд (англ.), к которому программист обратиться не может.

• Отсутствие специализированных регистров и др.

Первый RISC процессор 31 команд. 20-50 тысяч транзисторов.

Основные особенности:

• Сокращенный набор команд (80-150)
• Большинство команд выполняется за 1 такт
• Большое количество регистров общего назначения (32+)

Существуют: 8 регистров общего назначения, регистр состояния процессора (или регистр флагов EFLAGS), регистр указателя команд (EIP), 6 сегментных регистров, управляющие регистры.

• Все команды имеют простой формат
• Наличие вместительной кэш-памяти

Кэш-память ­­– промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше осуществляется быстрее, чем выборка исходных данных из более медленной памяти или удаленного источника, однако её объём существенно ограничен по сравнению с хранилищем исходных данных.

• Применение оптимизирующих компиляторов

Компилятор – транслятор, который осуществляет перевод всей исходной программы в эквивалентную ей результирующую программу на языке машинных команд (микропроцессора или виртуальной машины).

Область применения: в последних разработках компании Intel (имеются в виду Pentium и Pentium Pro), а также ее последователей-конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются. Однако сложность архитектуры и системы команд x86 остается и является главным фактором, ограничивающим производительность процессоров на ее основе.

 

 

 

1. Виды памяти. Отличия и особенности.

 

RЗAM (Random Access Memory) –память с произвольным доступом

1) яSRAM – статическая память

2) DRAM - динамическая память

 

В SRAM ячейки (элементы) построены на различных вариантах триггеров.

Триггер – схема с двумя устойчивыми состояниями.

После записи бита в такую ячейку, она может пребывать в таком состоянии довольно долго (при наличии питания).

Ячейки статической памяти имеют малое время срабатывания (наносекунды), но имеют высокое электропотребление.

Используется в качестве буферной памяти (кэш-память).

 

В DRAM ячейки построены на основе областей с накоплением зарядов, занимающих гораздо меньшую область (чем триггеры) и практически не потребляющих электроэнергии при хранении.

При записи бита в такую ячейку в ней формируется электрический заряд, сохраняющийся в течении нескольких миллисекунд. Для постоянного сохранения заряда, ячейки необходимо регенерировать (перезапись содержимого для восстановления зарядов).

Динамическая память используется в качестве основной.

 

SRAM и DRAM (асинхронная динамическая память) - установка адреса, подача управляющих сигналов и чтение/запись данных выполняются в произвольные моменты времени.

Типы памяти (FPM, EDO, Rambus) являются асинхронными. При асинхронной передаче данных гарантируется, что определенная операция будет закончена за фиксированный промежуток времени, например за 60 нс. Работа асинхронной памяти не синхронизирована с тактовой частотой системной шины, то есть данные появляются на этой шине в произвольные моменты времени.

Асинхронные виды памяти:

1) FPM DRAM (Fast Page Mode) – динамическая память с быстрым страничным доступом

2) EDO (Extended Data Out) – расширенное время удержание данных на выходе

3) BEDO (Burst) – расширенное время удержание данных на выходе с блочным доступом

 

SDRAM (синхронная динамическая память) – память с синхронным доступом, работает быстрее асинхронной (FPM, EDO, BEDO).

 

 

1. Типы модулей оперативной памяти

 

SIMM – модуль памяти с одним рядом контактов. Имеет контакты с 2 сторон, но они соединены между собой.

SIMM – 30 контактов. Применялись в персональных компьютерах с процессорами от 286 до 486.

SIMM – 72 контакта. Память такого типа была двух типов FPM и EDO.

Тип FPM использовался на компьютерах с процессорами 486 и в первых пентиум до 1995 года

EDO начинает выборку следующего блока памяти в то же время, когда отправляет предыдущий блок центральному процессору.

Конструктивно они одинаковы, отличить можно только по маркировке.

 

DIMM – модуль памяти с двумя рядами контактов. Имеет контакты с 2 сторон (2*84), за счет этого увеличивается разрядность или число банков памяти в модуле.

SDRAM

с 1996 года большинство чипсетов Intel стали поддерживать этот вид модулей памяти, сделав его популярным вплоть до 2001 года.

DDR

Стал развитием SDRAM. Появился на рынке в 2001 году. Основное отличие между DDR и SDRAM заключается в том, что вместо удвоения тактовой частоты для ускорения работы, эти модули передают данные дважды за один такт.

 

RIMM

Появился на рынке в 1999 году. Он основан на традиционной DRAM, но с кардинально измененной архитектурой.

Такие модули применялись в игровых приставках Sony Playstation 2 и Nintendo 64.

 

 

 

1. Оперативная память. Задачи и виды модулей оперативной памяти

 

Оперативная память - это временная память компьютера, которая работает при включенном состоянии компьютера и которая нужна для нормальной работы программ и процессов. Как только вы выключаете компьютер или перезагружаете, оперативка стирается (грамотно говорить - обнуляется).

Типы памяти

FPM DRAM (SIMM)

FPM (Fast Page Mode) — вид динамической памяти.
Его название соответствует принципу работы, так как модуль позволяет быстрее получать доступ к данным, которые находятся на той же странице, что и данные, переданные во время предыдущего цикла.
Эти модули использовались на большинстве компьютеров с процессорами 486 и в ранних системах с процессорами Pentium, ориентировочно в 1995 году.

EDO DRAM (SIMM)

Модули EDO (Extended Data Out) появились в 1995 году как новый тип памяти для компьютеров с процессорами Pentium.
Это модифицированный вариант FPM.
В отличие от своих предшественников, EDO начинает выборку следующего блока памяти в то же время, когда отправляет предыдущий блок центральному процессору.
BEDO (Burst) – расширенное время удержание данных на выходе с блочным доступом

SDR SDRAM (DIMM)

SDRAM (Synchronous DRAM) — вид памяти со случайным доступом, работающий на столько быстро, чтобы его можно было синхронизировать с частотой работы процессора, исключая режимы ожидания.
Микросхемы разделены на два блока ячеек так, чтобы во время обращения к биту в одном блоке шла подготовка к обращению к биту в другом блоке.
Если время обращения к первой порции информации составляло 60 нс, все последующие интервалы удалось сократить до 10 нс.
Начиная с 1996 года большинство чипсетов Intel стали поддерживать этот вид модулей памяти, сделав его очень популярным вплоть до 2001 года.

SDRAM может работать на частоте 133 МГц, что почти в три раза быстрее, чем FPM и в два раза быстрее EDO.
Большинство компьютеров с процессорами Pentium и Celeron, выпущенных в 1999 году использовали именно этот вид памяти.

RAMBUS DRAM (RIMM)

RAMBUS (RIMM) — это вид памяти, который появился на рынке в 1999 году.
Он основан на традиционной DRAM но с кардинально измененной архитектурой.
Дизайн RAMBUS делает обращение к памяти более «разумным», позволяя получать предварительный доступ к данным, немного разгружая центральный процессор.
Основная идея, использованная в этих модулях памяти, заключается в получении данных небольшими пакетами но на очень высокой тактовой частоте.
Например, SDRAM может передавать 64 бит информации при частоте 100 МГц, а RAMBUS — 16 бит при частоте 800 МГц.
Эти модули не стали успешными, так как у Intel было много проблем с их внедрением.
Модули RDRAM появились в игровых консолях Sony Playstation 2 и Nintendo 64.

DDR SDRAM (DIMM)

DDR (Double Data Rate) стал развитием SDRAM.
Этот вид модулей памяти впервые появился на рынке в 2001 году.
Основное отличие между DDR и SDRAM заключается в том, что вместо удвоения тактовой частоты для ускорения работы, эти модули передают данные дважды за один такт.
Сейчас это основной стандарт памяти, но он уже начинает уступать свои позиции DDR2.
Напряжение питания ячеек – 2,5 В.

DDR2 SDRAM (DIMM)