Реферат: по информатике “Процессор”. Реферат процессор

Реферат по информатике “Процессор”

9

ГБОУ ВПО КемГМА Минздрава России

Реферат по информатике на тему:

“Процессор”

Работу выполнил:

Будников Владимир

Студент группы 211

Кемерово 2013

Содержание

1. Содержание ……………………………………………………………………………1

2. Процессор……………………………………………………………………………...2

3. Тактовая частота, Системная шина, Коэффициент умножения …………………4- 5

4. Тип ядра и технологии производства………………………………………………..6-7

5. Отличия процессоров Pentium и Celeron, Athlon и Duron ………………………… 7

Процессор

Микропроцессор - центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода — вывода, подготовки данных и др.). Первый микропроцессор Intel4004 был создан в 1971 году командой во главе с талантливым изобретателем, доктором Тедом Хопфом. Сегодня его имя стоит в ряду с именами величайших изобретателей всех времен и народов…Изначально процессор 4004 предназначался для… микрокалькуляторов и был изготовлен по заказу одной японской фирмы. К счастью, фирма эта обанкротилась, и в результате разработка перешла в собственностьIntel.Cэтого момента и началась эпоха персональных компьютеров. Сегодняшние процессоры отIntelбыстрее своего прародителя в более чем в десять тысяч раз! А любой домашний компьютер обладает мощностью и «сообразительностью» во много раз большей, чем компьютер, управлявший полётом космического корабля «Аполлон» к Луне. На первый взгляд, процессор – просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния (не зря его ещё называют «камень»). Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Точнее, вычислять, производя определённые математические операции с числами, в которые преображается любая поступающая в компьютер информация. Таких транзисторов в любом микропроцессоре многие миллионы. Сегодняшний процессор – это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств.

Функции процессора:

• Обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

• Программное управление работой устройств компьютера

Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для целочисленных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции (OR, AND, ASL, ROL и др.) обрабатываются при помощи АЛУ. Эти операции составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах - специально отведенных ячейках АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно исполнять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: "Да" и "Нет" ("1" и "0"). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

AGU (Address Generation Unit) - устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Абсолютная адресация в программах используется только в редких исключениях. Как только берутся массивы данных, в программном коде используется косвенная адресация, заставляющая работать AGU.

Математический сопроцессор (FPU). Процессор может содержать несколько математических сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо от того, что делают другие АЛУ. Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высокоточные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, ускоряющих вычисления. Сопроцессор работает параллельно с центральным процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Система выполняет команды сопроцессора в том порядке, в котором они появляются в потоке. Математический сопроцессор персонального компьютера IBM PC позволяет ему выполнять скоростные арифметические и логарифмические операции, а также тригонометрические функции с высокой точностью.

Дешифратор инструкций (команд). Анализирует инструкции в целях выделения операндов и адресов, по которым размещаются результаты. Затем следует сообщение другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств.

Кэш-память. Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить копии этих инструкций в своей локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале. Для хранения этих инструкций необходим совсем небольшой объём памяти. Если инструкции в процессор поступают достаточно быстро, то микропроцессор не будет тратить время на ожидание. Таким образом экономиться время на выполнение инструкций. Но для самых быстродействующих микропроцессоров этого недостаточно. Решение данной проблемы заключается в улучшении организации памяти. Память внутри микропроцессора может работать со скоростью самого процессора Кэш первого уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных циклов.

Кэш второго уровня (L2cache). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня.

Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно менее быстродействующая. Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производительных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной кэш-памяти повыситься только на 10-15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых операций, однако ее увеличение вовсе не обязательно принесет увеличение общей производительности работы процессора. Все зависит от того, насколько приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а также от того, помещаются ли различные сегменты программы в кэш целиком или кусками.

Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора при операции чтения из памяти, но в ней также могут храниться значения, записываемые процессором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.

Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств - получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными (т.е. осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то и другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью.

Типы шин:

1. Шина данных. Служит для пересылки данных между процессором и памятью или процессором и устройствами ввода-вывода. Эти данные могут представлять собой как команды микропроцессора, так и информацию, которую он посылает в порты ввода-вывода или принимает оттуда.

2. Шина адресов. Используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.

3. Шина управления. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

BTB (Branch Target Buffer) - буфер целей ветвления. В этой таблице находятся все адреса, куда будет или может быть сделан переход. Процессоры Athlon еще используют таблицу истории ветвлений (BHT - Branch History Table), которая содержит адреса, по которым уже осуществлялись ветвления.

Регистры - это внутренняя память процессора. Представляют собой ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, а также внутренние носители информации микропроцессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

1. сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции.

2. счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти.

3. регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Тактовая частота.

Скорость работы – конечно же, именно на этот показатель мы обращаем внимание в первую очередь! Говоря о скорости процессора, подразумевается его тактовая частота. Это величина, измеряемая в мегагерцах (МГц), показывает, сколько инструкций способен выполнить процессор в течение секунды. Тактовая частота обознается цифрой в названии процессора (например, Pentium4-2400, то есть процессор поколенияPentium4 с тактовой частотой 2400 МГц или 2.4 ГГц).

Тактовая частота – бесспорно, самый важный показатель скорости работы процессора. Но далеко не единственный. Иначе как объяснить тот странный факт, что процессоры Celeron,AthlonиPentium4 на одной и той же частоте работают… с разной скоростью?

Здесь вступают в силу новые факторы.

Разрядность процессора

Разрядность – максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно.

До недавнего времени все процессоры были 32-битными (32-разрядными) эта разрядность была достигнута уже 10-ток лет назад. Долгое время не могли увеличить разрядность и за того что программы были адоптированы под старую 32-разрядную платформу. А поскольку покупатель смотрит в первую очередь на тактовую чистоту изготовители просто не видели нужды в таком переходе. Компания AMDвыпустила в 2003 г. Первый 64-разрядный процессорAthlon64.

Intelдержался до последнего вплоть до 2005 г. Все процессорыPentium4 были по-прежнему 32-разрядными. Лишь в середине года когда на рынке появился новые модели процессораPentium4 серии 6xxвних в первые была встроена поддержка 64-разрядных инструкций.

Тип ядра и технологии производства

Ядром называют сам процессорный кристалл, ту часть, которая непосредственно является "процессором". Сам кристалл у современных моделей имеет небольшие размеры, а размеры готового процессора увеличиваются очень сильно за счет его корпусировки и разводки. Процессорный кристалл можно увидеть, например, у процессоров Athlon, у них он не закрыт. У P4 вся верхняя часть скрыта под теплорассеивателем (который так же выполняет защитную функцию, сам по себе кристалл не так уж прочен). Процессоры, основанные на разных ядрах, это можно сказать разные процессоры, они могут отличаться по размеру кэш памяти, частоте шины, технологии изготовления и т. п. В большинстве случаев, чем новее ядро, тем лучше процессор. В качестве примера можно привести P4, существуют два ядра - Willamette и Northwood. Первое ядро производилось по 0.18мкм технологии и работало исключительно на 400Mhz шине. Самые младшие модели имели частоту 1.3Ghz, максимальные частоты для ядра находились немного выше 2,2Ghz. Позже был выпущен Northwood. Он уже был выполнен по 0.13мкм технологии и поддерживал шину в 400 и 533Mhz, а также имел увеличенный объём кэш памяти. Переход на новое ядро позволил значительно увеличить производительность и максимальную частоту работы. Младшие процессоры Northwood прекрасно разгоняются, но фактически разгонный потенциал этих процессоров основан на более "тонком" техпроцессе.

Отличия процессоров Pentium и Celeron, Athlon и Duron

Процессор Celeron является бюджетной (урезанной) версией соответствующего (более производительного, но и значительно более дорогого) main-stream процессора, на основе ядра которого он был создан. У процессоров Celeron в два или в четыре раза меньше кэш памяти второго уровня. Так же у них по сравнению с соответствующими "родителями" понижена частота системной шины. У процессоров Duron по сравнению с Athlon в 4 раза меньше кэш памяти и заниженная системная шина 200МHz (266MHz для Applebred), хотя существуют и "полноценные" Athlon c FSB 200MHz. В ближайшее время Duron'ы на ядре Morgan совсем пропадут из продажи - их производство уже достаточно давно свернуто. Их должны заменить Duron на ядре Applebred, являющие собой ни что иное, как урезанные по кэшу AthlonXP Thoroughbred. Так же уже появились урезанные по кэшу Barton’ы, ядро которых носит название Thorton. Основные характеристики процессоров можно посмотреть в таблице в конце реферата. Есть задачи, в которых между обычными и урезанными процессорами почти нет разницы, а в некоторых случаях отставание довольно серьёзное. В среднем же, при сравнении с неурезанным процессором той же частоты, отставание это равно 10-30%. Зато урезанные процессоры имеют тенденцию лучше разгоняться из-за меньшего объёма кэш памяти и стоят при этом дешевле. Короче говоря, если разница в цене между нормальным и урезанным процессором значительная, то стоит брать урезанный. Хотя здесь необходимо отметить, что процессоры Celeron работают весьма плохо по сравнению с полноценными P4 - отставание в некоторых ситуациях достигает 50%. Это не касается процессоров CeleronD,в которых кэш второго уровня составляет 256 кбайт (128 кбайт в обычныхCeleron) и отставание уже не такое страшное.

studfiles.net

Реферат - по информатике “Процессор”

Реферат по информатике

“Процессор”

Работу выполнил

Гулаков Филипп

Работу проверила

Куянцева Л.М.

п. Дружба 2007г

Содержание

1. Содержание ___________ 1
2. Введение ____________2
3. Процессор __________3
4. Тактовая частота, Системная шина, Коэффициент умножения _________4 — 5
5. Тип ядра и технологии производства_________6
6. Отличия процессоров Pentium и Celeron, Athlon и Duron __________ 7
7. Процессоры фирмы AMD их недостатки____________8

Введение

Я в этом реферате расскажу о том, что такое микро процессор, историю создания микро процессора, для чего он нужен, чем процессор одной фирмы отличается от другой.

Процессор

Микропроцессор — центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода — вывода, подготовки данных и др.). Первый микропроцессор Intel 4004 был создан в 1971году командой во главе с талантливым изобретателем, доктором Тедом Хопфом. Сегодня его имя стоит в ряду с именами величайших изобретателей всех времен и народов…Изначально процессор 4004 предназначался для… микрокалькуляторов и был изготовлен по заказу одной японской фирмы. К счастью, фирма эта обанкротилась, и в результате разработка перешла в собственность Intel. C этого момента и началась эпоха персональных компьютеров. Сегодняшние процессоры от Intel быстрее своего прародителя в более чем в десять тысяч раз! А любой домашний компьютер обладает мощностью и «сообразительностью» во много раз большей, чем компьютер, управлявший полётом космического корабля «Аполлон» к Луне. На первый взгляд, процессор – просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния (не зря его ещё называют «камень»). Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Точнее, вычислять, производя определённые математические операции с числами, в которые преображается любая поступающая в компьютер информация. Таких транзисторов в любом микропроцессоре многие миллионы. Сегодняшний процессор – это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств. На любом процессорном кристалле находятся:

Функции процессора:

Обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

Программное управление работой устройств компьютера

Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для целочисленных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции (OR, AND, ASL, ROL и др.) обрабатываются при помощи АЛУ. Эти операции составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах — специально отведенных ячейках АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно исполнять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: «Да» и «Нет» («1» и «0»). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

AGU (Address Generation Unit) — устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Абсолютная адресация в программах используется только в редких исключениях. Как только берутся массивы данных, в программном коде используется косвенная адресация, заставляющая работать AGU.

Математический сопроцессор (FPU). Процессор может содержать несколько математических сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо от того, что делают другие АЛУ. Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высокоточные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, ускоряющих вычисления. Сопроцессор работает параллельно с центральным процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Система выполняет команды сопроцессора в том порядке, в котором они появляются в потоке. Математический сопроцессор персонального компьютера IBM PC позволяет ему выполнять скоростные арифметические и логарифмические операции, а также тригонометрические функции с высокой точностью.

Дешифратор инструкций (команд). Анализирует инструкции в целях выделения операндов и адресов, по которым размещаются результаты. Затем следует сообщение другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств.

Кэш-память. Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить копии этих инструкций в своей локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале. Для хранения этих инструкций необходим совсем небольшой объём памяти. Если инструкции в процессор поступают достаточно быстро, то микропроцессор не будет тратить время на ожидание. Таким образом экономиться время на выполнение инструкций. Но для самых быстродействующих микропроцессоров этого недостаточно. Решение данной проблемы заключается в улучшении организации памяти. Память внутри микропроцессора может работать со скоростью самого процессора

Кэш первого уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных циклов.

Кэш второго уровня (L2 cache). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня.

Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно менее быстродействующая. Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производительных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной кэш-памяти повыситься только на 10-15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых операций, однако ее увеличение вовсе не обязательно принесет увеличение общей производительности работы процессора. Все зависит от того, насколько приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а также от того, помещаются ли различные сегменты программы в кэш целиком или кусками.

Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора при операции чтения из памяти, но в ней также могут храниться значения, записываемые процессором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.

• Шина — это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств — получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными (т.е. осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то и другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью.

Типы шин:

1. Шина данных. Служит для пересылки данных между процессором и памятью или процессором и устройствами ввода-вывода. Эти данные могут представлять собой как команды микропроцессора, так и информацию, которую он посылает в порты ввода-вывода или принимает оттуда.
2. Шина адресов. Используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.
3. Шина управления. По ней передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

BTB (Branch Target Buffer) — буфер целей ветвления. В этой таблице находятся все адреса, куда будет или может быть сделан переход. Процессоры Athlon еще используют таблицу истории ветвлений (BHT — Branch History Table), которая содержит адреса, по которым уже осуществлялись ветвления.

Регистры — это внутренняя память процессора. Представляют собой ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, а также внутренние носители информации микропроцессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, «вырезать» отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

1. сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции.

2. счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти.

3. регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Тактовая частота.

Скорость работы – конечно же, именно на этот показатель мы обращаем внимание в первую очередь! Говоря о скорости процессора, подразумевается его тактовая частота. Это величина, измеряемая в мегагерцах (МГц), показывает, сколько инструкций способен выполнить процессор в течение секунды. Тактовая частота обознается цифрой в названии процессора (например, Pentium 4-2400, то есть процессор поколения Pentium 4 с тактовой частотой 2400 МГц или 2.4 ГГц).

Тактовая частота – бесспорно, самый важный показатель скорости работы процессора. Но далеко не единственный. Иначе как объяснить тот странный факт, что процессоры Celeron, Athlon и Pentium 4 на одной и той же частоте работают… с разной скоростью?

Здесь вступают в силу новые факторы.

Разрядность процессора

Разрядность – максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно.

До недавнего времени все процессоры были 32-битными (32-разрядными) эта разрядность была достигнута уже 10-ток лет назад. Долгое время не могли увеличить разрядность и за того что программы были адоптированы под старую 32-разрядную платформу. А поскольку покупатель смотрит в первую очередь на тактовую чистоту изготовители просто не видели нужды в таком переходе. Компания AMD выпустила в 2003 г. Первый 64-разрядный процессор Athlon 64.

Intel держался до последнего вплоть до 2005 г. Все процессоры Pentium 4 были по-прежнему 32-разрядными. Лишь в середине года когда на рынке появился новые модели процессора Pentium 4 серии 6xx вних в первые была встроена поддержка 64-разрядных инструкций.

Тип ядра и технологии производства

Ядром называют сам процессорный кристалл, ту часть, которая непосредственно является «процессором». Сам кристалл у современных моделей имеет небольшие размеры, а размеры готового процессора увеличиваются очень сильно за счет его корпусировки и разводки. Процессорный кристалл можно увидеть, например, у процессоров Athlon, у них он не закрыт. У P4 вся верхняя часть скрыта под теплорассеивателем (который так же выполняет защитную функцию, сам по себе кристалл не так уж прочен). Процессоры, основанные на разных ядрах, это можно сказать разные процессоры, они могут отличаться по размеру кэш памяти, частоте шины, технологии изготовления и т. п. В большинстве случаев, чем новее ядро, тем лучше процессор. В качестве примера можно привести P4, существуют два ядра — Willamette и Northwood. Первое ядро производилось по 0.18мкм технологии и работало исключительно на 400Mhz шине. Самые младшие модели имели частоту 1.3Ghz, максимальные частоты для ядра находились немного выше 2,2Ghz. Позже был выпущен Northwood. Он уже был выполнен по 0.13мкм технологии и поддерживал шину в 400 и 533Mhz, а также имел увеличенный объём кэш памяти. Переход на новое ядро позволил значительно увеличить производительность и максимальную частоту работы. Младшие процессоры Northwood прекрасно разгоняются, но фактически разгонный потенциал этих процессоров основан на более «тонком» техпроцессе.

Отличия процессоров Pentium и Celeron, Athlon и Duron

Процессор Celeron является бюджетной (урезанной) версией соответствующего (более производительного, но и значительно более дорогого) main-stream процессора, на основе ядра которого он был создан. У процессоров Celeron в два или в четыре раза меньше кэш памяти второго уровня. Так же у них по сравнению с соответствующими «родителями» понижена частота системной шины. У процессоров Duron по сравнению с Athlon в 4 раза меньше кэш памяти и заниженная системная шина 200МHz (266MHz для Applebred), хотя существуют и «полноценные» Athlon c FSB 200MHz. В ближайшее время Duron'ы на ядре Morgan совсем пропадут из продажи — их производство уже достаточно давно свернуто. Их должны заменить Duron на ядре Applebred, являющие собой ни что иное, как урезанные по кэшу AthlonXP Thoroughbred. Так же уже появились урезанные по кэшу Barton’ы, ядро которых носит название Thorton. Основные характеристики процессоров можно посмотреть в таблице в конце реферата. Есть задачи, в которых между обычными и урезанными процессорами почти нет разницы, а в некоторых случаях отставание довольно серьёзное. В среднем же, при сравнении с неурезанным процессором той же частоты, отставание это равно 10-30%. Зато урезанные процессоры имеют тенденцию лучше разгоняться из-за меньшего объёма кэш памяти и стоят при этом дешевле. Короче говоря, если разница в цене между нормальным и урезанным процессором значительная, то стоит брать урезанный. Хотя здесь необходимо отметить, что процессоры Celeron работают весьма плохо по сравнению с полноценными P4 — отставание в некоторых ситуациях достигает 50%. Это не касается процессоров Celeron D, в которых кэш второго уровня составляет 256 кбайт (128 кбайт в обычных Celeron) и отставание уже не такое страшное.

Процессоры AMD

Во-первых, у AXP (и Athlon 64) вместо частоты пишется рейтинг, т. е. например 2000+ процессор реально работает на частоте 1667Mhz, но по эффективности работы он соответствует Athlon (Thunderbird) 2000Mhz. Основным недостатком недавно считалась температура. Но последние модели (на ядрах Thoroughbred, Barton и т. д.) по тепловыделению сравнимы Pentium 4, ну а самые последние, на момент написания реферата, модели от Intel (P4 Extreme Edition) греются иногда и значительно больше. По надёжности процессоры теперь тоже не сильно уступают P4, они хоть и не могут пропускать такты (работать «вхолостую») при перегреве, но обзавелись встроенным термодатчиком (он хоть и появился ещё в ядре Palomino, но совсем немногие современные материнские платы умеют снимать показания с этого термодатчика). Тут следует заметить, что Athlon XP на ядре Barton обзавелись похожей функцией BusDisconnect — она «отключает» процессор от шины во время холостых тактов (простоя), но она фактически бессильна при перегреве от повышенной нагрузки — тут вся «ответственность» перекладывается на термоконтроль материнской платы. «Крепкость» кристалла (максимально допустимые пределы давления) хоть и повысилась, но из-за уменьшенной площади ядра фактически осталась прежней. Поэтому вероятность сгорания/повреждения кристалла хоть и стала меньше, но существует. А вот у Athlon 64 процессорный кристалл наконец-то был спрятан под теплорассеивателем (heat spreader), поэтому его повредить будет чрезвычайно сложно. Все «глюки» приписываемые AMD часто являются следствием неустановленных или неправильно установленных универсальных драйверов для чипсетов VIA (VIA 4 in 1 Service Pack) или драйверов чипcетов других производителей (AMD, SIS, ALi). Работают процессоры Atholn XP и Pentium 4 в разных приложениях очень по-разному. Например, в сложных математических вычислениях (3D моделирование, специализированные математические пакеты), архивации, кодировании в MPEG4, P4 часто «обыгрывает» AXP. Но есть и ряд программ, лучше работающих с AXP. В основном это — игры. Для обычного пользователя (играющего в игры) стоит ориентироваться именно на них, так как перекодировка в любом случае требует много времени, а играм, наоборот, необходимо провести все вычисления как можно быстрее. Уже выпущены процессоры AXP Barton с 400Mhz шиной и принципиально новые гибридные (32-х и 64-х битный процессор «в одном флаконе») K8.

Насколько хороши процессоры VIA C3?

Единственным их достоинством являются низкое тепловыделение. Рассеиваемая мощность у них 5-20 Ватт против 40-60 (в среднем) у AXP и P4. C3 совместимы с устаревшим (по мнению Intel) Socket 370, хотя не со всеми платами, например для нового ядра Nehemiah требуется поддержка Tualatin'а со стороны платы. По скорости они очень сильно уступают (до 50%, иногда даже больше) аналогичным по частоте процессорам Intel и AMD. Даже некоторые усовершенствования вроде поддержки SSE им ничего особо не дали. В продаже данных процессоров почти нет и я ничуть об этом не сожалею :). В случае если вам нужна тихая машина (такому процессору часто достаточно только радиатора), а скорость не важна, то можно взять. Теоретически они должны бы разгоняться неплохо (технология изготовления достаточно прогрессивная), но на практике этого не наблюдается — сказывается малый «запас прочности» и неэффективная проектировка ядра.

Hyper Threading.

Данная технология предназначена для увеличения эффективности работы процессора. По оценкам Intel, большую часть времени работает всего 30% всех исполнительных устройств в процессоре. Поэтому возникла идея каким-то образом использовать и остальные 70% (как вы уже знаете, Pentium 4, в котором применяют эту технологию, отнюдь не страдает от избыточной производительности на мегагерц). Суть Hyper Threading состоит в том, что во время исполнения одной «нити» программы, простаивающие исполнительные устройства могут перейти на исполнение другой «нити» программы. Т. е. получается нечто вроде разделение одного физического процессора на два виртуальных. Возможны и ситуации, когда попытки одновременного исполнения нескольких «нитей» приведут к ощутимому падению производительности. Например, из-за того, что размер кэша L2 довольно мал, а активные «нити» будут пытаться загрузить кэш. Возможна ситуация, когда борьба за кэш приведет к постоянной очистке и перезагрузке данных в нем (следовательно, будет падать скорость). Для использования данной технологии просто одного процессора с поддержкой Hyper Threading недостаточно, нужна поддержка со стороны материнской платы (чипсета). Очень важно помнить, что пока наблюдается отсутствие нормальной поддержки этой технологии со стороны операционных систем и, самое главное, необходимость перекомпиляции, а в некоторых случаях и смены алгоритма, приложений, чтобы они в полной мере смогли воспользоваться Hyper Threading. Тесты это доказывают, часто прироста в скорости нет, иногда наблюдается даже некоторое падение производительности. Хотя есть уже ряд приложений, в которых благодаря оптимизациям под HT есть сильный прирост в скорости. Посмотрим, что будет дальше.

Недавно появились новые процессоры семейства K8 и «в ответ» вышел P4

Extreme Edition (EE), что о них можно сказать?

P4 EE это по сути дела серверная версия P4 (Xeon на ядре Gallatin, «упакованный» в mPGA478), обладает всеми преимуществами обычных P4 с 800Mhz FSB, плюс к тому 2Mb кэша L3. Athlon 64 поддерживает 32/64-битные вычисления, имеет 1Mb L2 кэша, поддердку SSE2, встроенный контроллер поначалу одноканальной, позднее двухканальной DDR400 и 200MHz реальную частоту FSB. Отметим, что частота FSB в Athlon 64 системах имеет чисто формальное значение: фактически, это просто частота сигнала, относительно которого происходит вычисление рабочей частоты CPU и остальных компонентов системы. Athlon 64 FX произошел от серверного процессора Operton, а от Athlon 64 он отличается тем, что оборудован двухканальным контроллером буферизованной (registred) DDR400. Общая тенденция такая – Athlon 64 3200+ проигрывает P4 3200Mhz порядка 5% по производительности в среднем, хотя здесь следует учесть, что реальная частота процессора составляет порядка 2Ghz, получается, что процессор на 2Ghz с лихвой тягается с процессором на 3.2Ghz! Топовые на данный момент процессоры P4 EE и Athlon 64 FX идут вровень, если усреднить результаты тестов. А если сравнивать Athlon 64 3200+ c обычным Athlon 3200+, то первый почти всегда (за исключением кодирования mp3 :) ) быстрей на 10-40%. А теперь немного по поводу 64-х битности. На данный момент проку от её поддержки у Athlon 64 практически нет, реальных приложений, пригодных для использования обычными пользователями, почти нет. Microsoft вот-вот выпустит 64-х битную ОС, подходящую для обычных пользователей. Существующий 64-х битный Linux в данном случае не подходит. Самое неприятное, что все приложения также потребуют доработки для использования всей «мощи» новых процессоров.

www.ronl.ru

Реферат - Процессоры - Информатика

«Мозгом» компьютера является центральный процессор (CPU — Central Processing Unit). Oн выбирает из памяти команды и выполняет их. Обычный цикл работы центрального процессора выглядит так: он читает первую команду из памяти, деко­дирует ее для определения ее типа и операндов, выполняет команду, затем считы­вает, декодирует и выполняет последующие команды. Таким образом осуществ­ляется выполнение программ.

Для каждого центрального процессора существует набор команд, который он в состоянии выполнить. Например, процессор Pentium не может обработать программы, написанные для SPARC, а процессор SPARC не может выполнить программы, написанные для Pentium. Поскольку доступ к памяти для получения команд или наборов данных занимает намного больше времени, чем выполнение этих команд, все центральные процессоры содержат внутренние регистры для хра­нения ключевых переменных и временных результатов. Поэтому набор инструк­ций обычно содержит команды для загрузки слова из памяти в регистр и сохра­нения слова из регистра в памяти. Другие команды объединяют два операнда из регистров, памяти или и того и другого и получают результат. Например, склады­вают два слова и сохраняют результат в регистре или памяти.

Кроме основных регистров, используемых для хранения переменных и времен­ных результатов, большинство компьютеров имеет несколько специальных регис­тров, видимых для программиста. Один из них называется счетчиком команд (PC, program counter), в нем содержится адрес следующей, стоящей в очереди на вы­полнение команды. После того как команда выбрана из памяти, регистр команд корректируется и указатель переходит к следующей команде.

Еще один регистр процессора называется указателем стека (SP, stack pointer). Он содержит адрес вершины стека в памяти. Стек содержит по одному фрейму (области данных) для каждой процедуры, которая уже начала выполняться, но еще не закончена. В стековом фрейме процедуры хранятся ее входные параметры, а так­же локальные и временные переменные» не хранящиеся в регистрах.

Следующий регистр называется PSW (Processor Status Word — слово состоя­ния процессора). Этот регистр содержит биты кода состояний, которые задаются командами сравнения, приоритетом центрального процессора, режимом (пользова­тельский или режим ядра), и другую служебную информацию. Обычно пользова­тельские программы могут читать весь регистр PSW целиком, но писать могут только в некоторые из его полей. Регистр PSW играет важную роль в системных вызовах и операциях ввода-вывода.

Операционная система должна знать все обо всех регистрах. При временном мультиплексировании центрального процессора операционная система часто ос­танавливает работающую программу для запуска (или перезапуска) другой. Каж­дый раз при таком прерывании операционная система должна сохранять все регистры процессора, чтобы позже, когда программа продолжит свою работу, их можно было восстановить.

В целях улучшения характеристик центральных процессоров их разработчики давно отказались от простой модели, в которой за один такт может быть считана, декодирована и выполнена только одна команда. Многие современные CPU обла­дают возможностями выполнения нескольких команд одновременно. Например, у процессора могут быть раздельные модули, занимающиеся выборкой, декодиро­ванием и выполнением команд, и во время выполнения команды с номером п он может декодировать команду с номером п + 1 и считывать команду с номером п + 2. Подобная организация процесса называется конвейером, три его стадии продемон­стрированы на рис. (а). Часто встречаются и более длинные конвейеры. В боль­шинстве конвейерных конструкций считанная команда должна быть выполнена, даже если в предыдущей команде был принят условный переход. У разработчи­ков компиляторов и операционных систем это свойство конвейеров часто вызы­вает головную боль.

Более передовым по сравнению с конвейерной конструкцией является супер­скалярный центральный процессор, продемонстрированный на рис.(6). В этой структуре присутствует множество выполняющих узлов: один для целочисленных арифметических операций, второй — для операций с плавающей точкой и еще один — для логических операций. За один такт считывается две или более коман­ды, которые декодируются и сбрасываются в буфер хранения, где они ждут своей очереди на выполнение. Когда выполняющее устройство освобождается, оно за­глядывает в буфер хранения, интересуясь, есть ли там команда, которую оно может обработать, и если да, то забирает ее и выполняет. В результате команды часто исполняются не в порядке их следования. В большинстве случаев аппаратура должная гарантировать, что результат совпадет с тем, который выдала бы последовательная конструкция. Однако, как мы увидим в дальнейшем, при этом подходе весьма неприятные усложнения коснулись и операционной системы.

Большинство центральных процессоров, кроме очень простых, используемых во встроенных системах, имеют два режима работы: режим ядра и пользователь­ский режим. Обычно режим задается битом слова состояния процессора (регистра PSW). Если процессор запущен в режиме ядра, он может выполнять все команды из набора инструкций и использовать все возможности аппаратуры. Операцион­ная система работает в режиме ядра, предоставляя доступ ко всему оборудованию.

В противоположность этому программы пользователей работают в пользова­тельском режиме, разрешающем выполнение подмножества команд и делающем доступным лишь часть аппаратных средств. Как правило, все команды, включая ввод-вывод данных и защиту памяти, запрещены и пользовательском режиме. Установка бита режима ядра в регистре PSW, естественно, недоступна.

Для связи с операционной системой пользовательская программа должна сфор­мировать системный вызов, который обеспечивает переход в режим ядра и акти­визирует функции операционной системы. Команда TRAP (эмулированное преры­вание) переключает режим работы процессора из пользовательского в режим ядра и передает управление операционной системе. После завершения работы управле­ние возвращается к пользовательской программе, к команде, следующей за систем­ным вызовом.

Память

В идеале память должна быть максимально быстрой, достаточно большой и чрезвычайно дешевой. На данный момент не существует технологий, удовлетворяющих всем этим требованиям, поэтому используется другой подход. Системы памяти конструируются в виде иерархии слоев, как показано на рисунке 1.

Верхний слой состоит из внутренних регистров центрального процессора. Они сделаны из того же материала, что и процессор, и так же быстры, как и сам процессор. Поэтому при доступе к ним обычно не возникает задержек. Внутренние регистры предоставляют возможность для хранения 32х32 бит на 32-разрядном процессоре и 64х64 бит на 64-разрядном процессоре. Это составляет меньше одного килобайта в обоих случаях. Программы сами могут управлять регистрами (то есть решать, что в них хранить) без вмешательства аппаратуры.

В следующем слое находится кэш-память, в основном контролируемая оборудованием. Оперативная память разделена на кэш-строки, обычно по 64 байт, с адресацией от 0 до 63 в нулевой строке, от 64 до 127 в первой строке и т. д. Наиболее часто используемые строки кэша хранятся в высокоскоростной кэш-памяти, расположенной внутри центрального процессора или очень близко к нему. Когда программа должна прочитать слово из памяти, кэш-микросхема проверяет, есть ли нужная строка в кэше. Если это так, то происходит результативное обращение к кэш-памяти, запрос удовлетворяется целиком из кэша и запрос к памяти на шину не выставляется. Удачное обращение к кэшу, как правило, по времени занимает около двух тактов, а неудачное приводит к обращению к памяти с существенной потерей времени.

Типичная иерархическая структура памяти. Числа приблизительные.

Далее следует оперативная память. Это главная рабочая область запоминающего устройства машины. Оперативную память часто называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, в англоязычной литературе RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом). Все запросы центрального процессора, которые не могут быть выполнены кэш-памятью, поступают для обработки в основную память.

Следующим в продемонстрированной на рисунке структуре идет магнитный диск (жесткий диск). Дисковая память на два порядка дешевле ОЗУ в пересчете на бит и зачастую на два порядка больше по величине. У диска есть только одна проблема: случайный доступ к данным на нем занимает примерно на три порядка больше времени. Причиной низкой скорости жесткого диска является тот факт, что диск представляет собой механическую конструкцию, устройство которой пропродемонстрировано на рисунке 2.

устройство жесткого диска.

Каждая дорожка разделена на некоторое количество секторов, обычно по 512 байт на сектор. Перемещение головки от одного цилиндра к другому занимает около 1 мс, а перемещение к произвольному цилиндру требует от 5 до 10 мс. Когда головка располагается над правильной дорожкой, нужно ждать, пока двигатель повернет диск так, чтобы под головкой встал требуемый сектор. Это занимает дополнительно от 5 до 10 мс, в зависимости от скорости вращения диска. Дальше, когда сектор уже находится под головкой, процесс чтения или записи происходит со скоростью от 5 Мбайт/с до 160 Мбайт/с.

Последний слой в пирамиде памяти занимает магнитная лента. Этот носитель часто используется для создания резервных копий пространства жесткого диска или для хранения очень больших наборов данных. Для доступа к информации на ленте ее сначала нужно поместить в устройство для чтения магнитных лент — это может делать человек или робот (автоматическое управление лентами обычно используется при работе с огромными базами). Затем лента перематывается до запрашиваемого блока с информацией. Весь процесс может длиться минуты.

Кроме описанных выше видов во многих компьютерах есть небольшое количество постоянной памяти с произвольным доступом — в отличие от оперативной памяти, она не теряет свое содержимое при выключении энергии машины. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, ROM, Read Only Memory — память только для чтения) программируется в процессе производства и после этого его содержимое нельзя изменить. Такая память достаточно быстра и дешева. На некоторых компьютерах программы начальной загрузки, используемые при запуске компьютера, находятся в ПЗУ. Кроме того, некоторые карты ввода-вывода содержат ПЗУ для управления низкоуровневыми устройствами.

Электрически стираемое ПЗУ (EEPROM, Electrically Erasable ROM) и флэш-ОЗУ (flash RAM) также энергонезависимы, но в отличие от ПЗУ их содержимое можно стереть и переписать. Однако запись данных на них требует намного больше времени, чем запись в оперативную память. Поэтому они используются точно так же, как и ПЗУ. Дополнительное преимущество электрически стираемого ПЗУ и флэш-ОЗУ состоит в том, что с их помощью теперь можно исправить ошибки, содержащиеся в программах.

Существует еще один вид памяти, называемый CMOS и являющийся энергозависимым. Во многих компьютерах CMOS-память используется для хранения текущих даты и времени. CMOS-память и часовая микросхема, отвечающая за отсчет времени, получают питание от маленького аккумулятора, поэтому компьютер всегда показывает правильное время, даже если он был выключен. CMOS также может содержать конфигурационные параметры, например указание, с какого жесткого диска производить загрузку. CMOS-память используется для этих целей, так как она потребляет настолько мало энергии, что установленный на фабрике аккумулятор часто работает в течение нескольких лет.

Теперь более внимательно рассмотрим основную часть оперативной памяти. Зачастую крайне желательно держать сложные программы в памяти целиком. Но при одновременном нахождении в памяти нескольких программ возникает необходимость решения двух следующих проблем:

1. Как защитить программы друг от друга, а ядро системы от всех них?

2. Как управлять перемещением программ в памяти?

Первая проблема достаточно очевидна, но второй вопрос требует пояснения. В процессе компилирования и компоновки программы компилятор и компоновщик не знают, в какую область физической памяти будет загружена программа после завершения процесса. По этой причине они обычно предполагают, что программа начнется с адреса 0, и помещают туда первую инструкцию. Предположим, что первая инструкция считывает из памяти слово, имеющее адрес 10 000, а вся программа и данные к ней были загружены, начиная с адреса 50 000. Тогда при выполнении первой команды появится сообщение об ошибке, поскольку она будет ссылаться на слово по адресу 10 000 вместо 60 000. Для решения этой проблемы нам нужно или «релоцировать» программу во время загрузки, то есть настроить ее, находя все адреса и изменяя их в соответствии с реальной адресацией (это выполнимо, но дорого), или оперативно изменять адресацию во время работы программы.

Простейшее решение показано на рисунке а. На рисунке видно, что компьютер оборудован двумя специальными регистрами: базовым и предельным. Когда программа начинает работать, в базовый регистр загружается адрес начала исполняемого модуля программы, а предельный регистр говорит, о том, сколько занимает исполняемый модуль программы вместе с данными. При выборке команды из памяти аппаратура проверяет счетчик команд, и если он меньше, чем предельный регистр, то добавляет к нему значение базового регистра, а сумму передает памяти. Когда программа хочет прочитать слово данных, аппаратура автоматически добавляет к этому адресу содержимое базового регистра, и передает сумму памяти. Базовый регистр дает возможность программе ссылаться на любую часть памяти, следующую за хранящимся в нем адресом. Кроме того, предельный регистр запрещает программе обращение к любой части памяти после программы. Таким образом, с помощью этой схемы решаются обе задачи: защиты и перемещения программ. Стоимость решения равна двум новым регистрам и незначительному увеличению времени, затрачиваемого на операцию (уходящего на проверку предела и суммирование).

рис. Используется одна пара база-предел. Программа имеет доступ к части памяти, находящейся между базой и пределом (а) используются две пары база-предел. Код программы находится между базой 1 и пределом 1, а данные к ней — между базой 2 и пределом 2(б).

В результате проверки и преобразования, данных адрес, сформированный программой и называемый виртуальным, переводится в адрес, используемый памятью и называемый физическим. Устройство, которое выполняет проверку и преобразование, называется устройством управления памятью или диспетчером памяти (MMU, Memory Management Unit). Диспетчер памяти располагается или в схеме процессора, или близко к ней, но логически находится между процессором и памятью.

Более сложный диспетчер памяти показан на рисунке б. Здесь диспетчер памяти состоит из двух пар базового и предельных регистров: одна пара для текста программы, другая — для данных. Командный регистр и все другие ссылки на текст программы работают с парой 1, а ссылки на данные используют пару 2. Появляется возможность делить одну и ту же программу между несколькими пользователями и при этом хранить в памяти только одну копию программы, что было невозможно в первой схеме. Когда работает программа 1, четыре регистра расположены так, как показано стрелками на рисунке 3, б слева. При работе программы 2 они располагаются так, как показано стрелками на рисунке справа. На характеристики памяти в основном влияют два аспекта.

Во-первых, кэш скрывает относительно низкую скорость памяти. После того как программа работала некоторое время, кэш заполняется строками программы, увеличивая скорость. Однако когда операционная система переключается от одной программы к другой, кэш остается заполненным данными первой программы, а необходимые строки новой программы должны загружаться уже из физической памяти. Такая операция может стать главной причиной снижения производительности, если она происходит слишком часто.

Во-вторых, при переключении от одной программы к другой регистры управления памятью должны меняться. На рисунок 3, б требуется перезагрузка только четырех регистров, что не является серьезной проблемой, но в реальных диспетчерах памяти должно перезагружаться, явно или динамически, намного большее количество регистров.

www.ronl.ru

Реферат - Процессор - Информатика, программирование

Комсомольск-на-Амуре

KOST

&

AKRED

[email protected]

Процессор

Все началось с того, что был изобретен мощный микропроцессор

«Терминатор-2. Судный день»

...1949 год был, в общем-то, не слишком примечательным годом в истории человечества. Не считая разве что того примечательного фак­та, что именно в этом году над американской пустыней сошла со своих небесных трасс знаменитая «летающая тарелка из Нью-Мексико». Та самая, над загадкой которой до сих пор безуспешно ломает голову все прогрессивное человечество.

Сегодня выжившие свидетели тех далеких дней утверждают, что при тщательном потрошении сего неопознанного объекта из него были из­влечены не только трупы инопланетян, но и некие управляющие уст­ройства, на основе которых и были созданы микропроцессоры...

Допустим, так оно и было. И инопланетяне были (вскрытие оных да­же было вроде бы запечатлено на кинопленку и сегодня соответствую­щий фильм продается едва ли не в каждом киоске), и инопланетные же процессоры. Правда, трудно представить себе НЛО, чьим управлением заведуют устройства, аналогичные первым процессорам Intel-4004.

Но может быть, поэтому и грохнулась тарелочка?

Как бы то ни было, для «копирования» инопланетной техники уче­ные избрали весьма долгий и извилистый путь. Сначала (для отвода глаз) были изобретены отдельные элементы — транзисторы, заменив­шие традиционные электронные лампы в первых компьютерах. Затем через десяток лет хитроумные инженеры, посмеиваясь (Еще бы! Ко­нечный-то результат всех их трудов уже давно лежал в сейфе!), «изобре­ли» интегральные микросхемы, позволяющие уместить на одном крис­талле большое количество транзисторов. И еще только через десяток лет миру явился сам микропроцессор, содержащий уже тысячи и мил­лионы этих самых транзисторов.

Отдадим должное выдержке и упорству хитрых плагиаторов… и примитивности инопланетной техники.

А теперь серьезно.

Первый микропроцессор Intel 4004 был создан в 1971 году командой во главе с талантливым изобретателем, доктором Тедом Хоффом. Сегодня его имя стоит в ряду с именами величайших изобретателей всех времен и народов… Но вряд ли мудрый доктор знал в то вре­мя, во что выльется созданный им «ком­пьютер на одном кристалле». Изначаль­но процессор 4004 предназначался для… микрокалькуляторов и был изго­товлен по заказу одной японской фир­мы. К счастью для всех нас, фирма эта обанкротилась, так и не дождавшись процессор гипа.сокет» обещанного микропроцессора — и в ре­зультате разработка перешла в собственность не ожидавшей такого сча­стья Intel. С этого момента и началась эпоха персональных компьюте­ров, «звездный час» которых настал в начале 80-х. Именно тогда фир­мой IBM был выпущен уже ставший легендарным компьютер IBM PC на основе нового микропроцессора все той же фирмы Intel...

Сегодняшние процессоры от Intel быстрее своего прародителя более чем в десять тысяч раз! А любой домашний компьютер обладает мощно­стью и «сообразительностью» во много раз большей, чем компьютер, управлявший полетом космического корабля «Аполлон» к Луне.

Факт, который автор не постеснялся привести строкой выше, уже давно стал штампом, обязательным в любой рекламе фирмы Intel. Хо­тя и не стал от этого менее правдивым и красноречивым.

И теперь, в эпоху гигагерцовых скоростей и сверхъестественной «сообразительности» компьютеров, из тени пдить весьма сакраментальный вопрос: а сможет ли человек правильно распорядиться этой внезапно свалившейся на него мощностью?

Процессоров в компьютере много. Помимо центрального процес­сора, который во всем мире принято обозначать аббревиатурой CPU (Central Processor Unit), схожими микросхемами оборудовано практи­чески каждая компьютерная «железяка».

Главный, центральный процессор с легкой руки журналистов назы­вают «королем» системного блока, единовластно повелевающим всеми его ресурсами. Но уследить абсолютно за всем, что происходит в его «королевстве», даже шустрый процессор не в состоянии — королевская занятость разбрасываться не позволяет. И тогда на помощь «королю» приходят «наместники» — специализированные микропроцессоры-чи­пы по обработке, например, обычной и трехмерной графики, 3D звука, компрессии и декомпрессии… Таких «наместников» в компьютере много и размещаются они на специализированных, дополнительных платах (о них — речь впереди). И называются они уже не «процессора­ми», а просто «чипами». С этим термином нам еще частенько придется встретиться на страницах этой книги...

На первый взгляд, процессор — просто выращенный по специ­альной технологии кристалл кремния (не зря на жаргоне процессор, именуется «камнем»). Однако камешек этот содержит в себе множе­ство отдельных элементов — транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Точнее, вычислять, производя определенные математические операции с числами, в ко­торые преображается любая поступающая в компьютер информация. Таких транзисторов в любом микропроцессоре многие миллионы. А в допроцессорную эпоху роль «вычислителей» несли на себе в мил­лионы раз более громоздкие устройства… Началось все еще в 30-х го­дах нашего столетия с механических переключателей — реле, в соро­ковые им на смену пришли электронные лампы. Только представьте себе — сотни тысяч электронных ламп, громадное количество аппа­ратуры размером с хороший дом! Работали такие компьютеры не только медленно, но и крайне недолго — одна перегоревшая лампа немедленно выводила из строя весь компьютер. Бесперебойная рабо­та в течение 10—15 минут — вот и все, на что были способны «лампо­вые» компьютеры.

В 50-х годах на смену капризным лампам пришли компактные «эле­ктронные переключатели» — транзисторы, затем — интегральные схе­мы, в которых впервые удалось объединить на одном кристалле крем­ния сотни крохотных транзисторов. Но все-таки отсчет летоисчисле­ния компьютерной эры ведут с 1971 года, с момента появления первого микропроцессора...

За три десятка лет, прошедших с этого знаменательного дня, про­цессоры сильно изменились. Сегодняшний процессор — это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств. На любом процессорном кристалле находятся:

1. Собственно процессор, главное вычислительное устройство, со­стоящее из миллионов логических элементов — транзисторов.

2… Сопроцессор — специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется для особо точных и слож­ных расчетов, а также для работы с рядом графических программотихоньку начинает выхо-3. Кэш-память первого уровня— небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.

4. Кэш-память второго уровня— эта память чуть помедленнее, зато больше — от 128 до 512 кбайт.

Трудно поверить, что все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 4—6 квадратных сантиметров! Только под микро­скопом мы можем разглядеть крохотные элементы, из которых состоит микропроцессор, и соединяющие их металлические «дорожки» (для их изготовления сегодня используется алюминий, однако уже через год на смену ему должна прийти медь). Их размер поражает воображение — десятые доли микрона! Например, в 1999 году большая часть процессо­ров производилась по 0,25-микронной технологии, в 2000 году ей на смену пришла 0,18- и даже 0,13-микронная. При этом ожидается, что в течение ближайших двух лет плотность расположения элементов на кристалле увеличится еще в 2 раза.

Впрочем, при выборе микропроцессора мы руководствуемся от­нюдь не «микронностью» технологии, по которой этот процессор сде­лан. Существуют другие, гораздо более важные для нас характеристики процессора, которые прямо связаны с его возможностями и скоростью работы.

Тактовая частота. Скорость работы — конечно же, именно на этот показатель мы обращаем внимание в первую очередь! Хотя лишь не­многие пользователи понимают, что, собственно, он означает. Ведь для нас, неспециалистов, важно лишь то, насколько быстро новый процес­сор может работать с нужными нам программами — а как, спрашивает­ся, оценить эту скорость?

У специалистов существует своя система измерения скорости про­цессора. Причем таких скоростей (измеряемых в миллионах операций в секунду — MIPS) может быть несколько — скорость работы с трехмер­ной графикой, скорость работы в офисных приложениях и так далее...

Не слишком удобно. Поэтому большинство пользователей, го­воря о скорости процессора, подразумевает совсем другой показа­тель. А называется он тактовой частотой. Эта величина, измеряемая в мегагерцах (МГц), показывает, сколько инструкций способен вы­полнить процессор в течение секунды) Тактовая частота обознача­ется цифрой в названии процессора (например, Pentium 4-1200, то есть процессор поколения Pentium 4 с тактовой частотой 1200 МГц или 1,2 ГГц).

Сегодня наибольшей популярностью на рынке пользуются процес­соры с частотой от 800 до 1200 МГц. Однако тем, кто будет читать эту книжку в конце 2001 года, автору придется посоветовать приобретать процессор с частотой не менее 1,5 ГГц. Ведь согласно так называемому «закону Мура», названного в честь одного из изобретателей микропро­цессора и нынешнего руководителя корпорации Intel, каждые полтора года частота микропроцессоров увеличивается не менее, чем в два раза...

Тактовая частота — бесспорно, самый важный показатель скорости работы процессора. Но далеко не единственный. Иначе как объяснить тот странный факт, что процессоры Celeron, Pentium III и Pentium 4 на одной и той же частоте работаюЗдесь вступают в силу новые факторы — поколение и модификация данного процессора.

Поколения процессоров

отличаются друг от друга скоростью рабо­ты, архитектурой, исполнением и внешним видом… словом, буквально всем. Причем отличаются не только количественно, но и качественно. Так, при переходе от Pentium к Pentium II и затем — к Pentium III была значительно расширена система команд (инструкций) процессора.

Бели брать за точку отсчета изделия «королевы» процессорного рынка, корпорации Intel, то за всю 27-летнюю историю процессоров этой фирмы сменилось восемь их поколений: 8088, 286, 386, 486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium 4.

Модификация.

В каждом поколении имеются модификации, отли­чающиеся друг от друга назначением и ценой. Например, в славном се­мействе Pentium II I числятся три «брата» — старший, Хеоn, работает на мощных серверах серьезных учреждений. Средний братец, собственно Pentium III, трудится на производительных настольных компьютерах, ну а симпатяга-демократ Celeron верно служит простому люду на до­машних компьютерах. Схожая ситуация — и в конкурирующем с Intel семействе процессоров AMD, Для дорогих настольных компьютеров и графических станций фирма предлагает процессоры Athlon, а для недо­рогих домашних ПК предназначен другой процессор — Duron.

В пределах одного поколения все ясно: чем больше тактовая часто­та, тем быстрее процессор. А как же быть, если на рынке имеются два процессора разных поколений, но с одинаковой тактовой частотой? Например, Celeron-800 и Pentium III-800… Конечно, второй процессор поколения будет работать быстрее — на 10—15 %, в зависимости от за­дачи. Связано это с тем, что в новых процессорах часто бывают встрое­ны новые системы команд-инструкций, оптимизирующих обработку некоторых видов информации. Например, в процессорах Intel начиная с Pentium появилась новая система команд для обработки мультиме­диа-информации ММХ, a Pentium III дополнительно оснащен новой системой инструкций SSL.

В случае же с разными модификациями процессоров на арену выхо­дят еще некоторые дополнительные параметры, которыми, собствен­но, модификации и отличаются друг от друга.

Разбору этих параметров можно было бы в принципе посвятить це­лый том, но вряд ли большинство из вас интересуют чисто технические подробности. Кроме, пожалуй, одной — размера кэш-памяти. В эту па­мять компьютер помещает все часто используемые данные, чтобы не «ходить» каждый раз «за семь верст киселя хлебать» — к более медлен­ной оперативной памяти и жесткому диску.

Кэш-памяти в процессоре имеется двух видов .

Самая быстрая — кэш-память первого уровня (32 кбайт у процессоров Intel и до 64 кбайт — в последних моделях AMD). Существует еще чуть менее быстрая, но зато — более объемная кэш-память второго уровня — и именно ее объ­емом различаются различные модификации процессоров. Так, в се­мействе Intel самый «богатый» кэш-памятью — мощный Хеоп (2 Мбайт). У Pentium III размер кэша второго уровня почти в 10 раз меньше — 256 кбайт, ну a Celeron вынужден обходиться всего 128 кбайт! А значит, при работе с программами, требовательными к объему кэш-т… с разной скоростью?

памяти, «домашний» процессор будет работать чуть медленнее. Зато и стоимость его в два-три раза ниже: кэш-память — самый дорогой эле­мент в процессоре, и с увеличением ее объема стоимость кристалла воз­растает в геометрической прогрессии!

Тип ядра и технология производства.

Думаю, уже хорошо подготов­ленным ко всяким шокирующим известиям нет нужды объяснять, что хитрые производители процессоров ухитряются периодически произ­водить революции не только в пределах одного поколения, но и одной модификации! И чаше всего это связано с переходом на новую техно­логию производства процессоров и, вслед за этим, за сменой процес­сорного «ядра».

О технологии мы с вами уже говорили: как мы помним, она опреде­ляется размером минимальных элементов процессора. Так, в 1999 году, вслед за переходом на новую, 0,13-микронную технологию, произошла смена «ядер» у процессоров Intel. Торговые марки остались прежними (Pentium III и Celeron), однако на смену ядрам под кодовым названием Katmai (Pentium III) и Mendocino (Celeron) пришло новое, под названи­ем Coppermine. Смена ядра, конечно же, привела к серьезным измене­ниям в производительности процессоров, хотя их рабочая частота оста­лась прежней. Именно поэтому продавцы обычно указывают в прайс-листах, наряду с поколением, модификацией и частотой процессора, тип использованного в нем ядра. Например

Pentium III (Coppermine)-667,

Athlon (Thunderbird)-800.

Очередную смену ядра оба производителя совершили в начале 2001 года. Так, базовым ядром для процессоров AMD в 2001 году стали Palomino (Athlon) и Morgan (Duron) (0,13-микронная технология).

Частота системной шины.

Последний технологический параметр процессора, с которым нам придется столкнуться в рамках этой главы. Связан он уже с совершенно другим устройством — материнской пла­той. Шиной называется та аппаратная магистраль, по которой бегут от устройства к устройству данные. Чем выше частота шины — тем боль­ше данных поступает за единицу времени к процессору

Частота системной шины прямо связана и с частотой самого про­цессора через так называемый «коэффициент умножения». Процессор­ная частота — это и есть частота системной шины, умноженная процес­сором на некую заложенную в нем величину. Например, частота про­цессора 500 МГц — это частота системной шины в 100 МГц умноженная на коэффициент 5.

Большинство дорогих моделей процессором Intel как раз и работает на частотах системной шины 100 и 133 МГц. А частота для «пасынков», ста­рых моделей Celeron, была искусственно снижена до 66 МГц. На такой ча­стоте медленнее работает не только процессор, но и вся система. Правда, в конце 2000 года на рынке появились новые модели Celeron (от 800 МГц), поддерживающие частоту системной шины в 100 МГц. Но и Pentium 4 к этому времени перешел на новую частоту системной шины — 133 МГц, так что отставание дешевых процессоров от дорогих сохранилось.

Схожая ситуация наблюдается и у процессоров AMD — правда, по­следние за счет умения Вот так и объясняется парадокс — частоты процессоров одинаковы, ну а скорости работы компьютеров отличаются на десятки процентов. Правда, частенько отчаянные умельцы принудительно заставляют про­цессор работать на более высокой частоте системной шины, чем та, что предназначила для них сама природа вкупе с инженерами Intel. Это из­девательство называется в компьютерных кругах «разгоном» и, в случае удачи, резко повышает производительность компьютера. Так, поднятие частоты системной шины для процессора Celeron-600 (коэффициент умножения 9) с 66 до 100 МГц не только «взбадривает» скорость обме­на данными по системной шине, на и повышает скорость работы само­го процессора до 900 МГц! Конечно, далеко не все процессоры выдер­живают «разгон» — большинство в лучшем случае откажется работать, ну а в худшем — выйдет из строя...

Форм-фактор.

То есть — тип исполнения процессора, его «внешно­сти» и способа подключения к материнской платы.

Как правило, все элементы процессора расположены на одном и том же кристалле кремния — и лишь в редких случаях кэш-память вто­рого уровня выносится за пределы процессора. Обычно процессоры первого типа — «все в одном» — квадратной формы (тип разъема «сокет»). Эдакий прямоугольный корпус с торчащими из него ножками-контактами. Процессоры второго типа куда более громоздки — обе ми­кросхемы размещены на небольшой плате и надежно упрятаны в ме­таллический кожух.

Обычно в формате «слот» выпускаются первые, пробные модели каждого нового поколения процессоров — позднее, по мере «обкатки» технологии производства, их производители переходят на более ком­пактный и дешевый формат «сокет».

Еще не так давно — каких-нибудь пять лет назад — рынок не был избалован обилием форм-факторов: разные процессоры от разных фирм-производителей походили друг на друга, как две капли воды, и могли работать на одних и тех же материнских платах. Ситуация нача­ла меняться в 1995 г., а сегодня мы наблюдаем уже настоящий «беспре­дел» многообразия несовместимых друг с другом форм-факторов: «удваивать» частоту шины работают, соответст­венно, на частоте 200 (старые модели Duron и Athlon) и 266 МГц.

Старые модели процессоров (1998—1999)

• Процессоры для разъема SuperSocket? — процессоры фирм AMD (Кб, К6-2), Cyrix (M2), Centaur Technology (IDT).

•Процессоры для разъема Sloti — процессоры фирмы Intel:

Pentium II (233-450 МГц), Pentium III и Celeron (300-450 МГц).

• Процессоры дляразъема Slot А — процессоры фирмы AMD (Athlon).

• Процессоры для разъема Socket-370 (PGA) — процессоры фирмы Intel: Celeron (от 450 МГц) и Pentium III (от 450 МГц).

Новые модели процессоров (2000—2002)

•Процессоры для разъема Socket A — процессоры фирмы AMD (Athlon Thunderbird, Duron).

•Процессоры для разъема FC-PGA — процессоры фирмы Intel:

Pentium III Coppermine (от 500 МГц), Celeron Coppermine (от 533 МГц).

• Процессоры для разъема Socket-423 — Pentium 4.

Самое досадное, что большинство процессоров не совместимы друг с другом по способу подключения к материнской плате — каждый требует для себя специального «ложа». Отчасти ситуацию удается ис­править с помощью специальных плат-переходников, благодаря кото­рым можно установить, например, процессор для Socket-370 в гнездо FC-PGA или в разъем Slot 1.

Фирма-производитель.

Вы уже поняли, что не Intel'ом единым жив процессорный мир. Спору нет, Intel — флагман современного процес-соростроения, бесспорный лидер, Источник Вечного Наслаждения и так далее. Но...

Природа капитализма не терпит пустоты. Но еще более не терпит, когда эта пустота заполняется кем-нибудь одним. Конкуренция — вот главный двигатель прогресса!

Рынок процессоров — не исключение. И потому рядом с большой акулой — Intel — мы неизменно встречаем названия двух акулок по­мельче, но не менее хищных.

AMD — большая головная боль Intel, ее вечный антагонист и кон­курент. Еще недавно процессоры этой фирмы занимали не более 20 % рынка — однако в 1999 году, после выхода процессора Athlon, AMD стремительно стала «набирать очки» в глазах пользователя и сегодня конкурирует с Intel на равных.

Изюминка AMD — не только более низкая цена (на 10-20 % ниже, чем у сравнимого по скорости Pentium). Именно в процессорах AMD была впервые реализована уникальная система инструкций для под­держки обработки мультимедиа-данных и трехмерной графики 3DNow!, которая, в отличие от интеловской технологии SSI, охотно поддерживается ныне большинством производителей игр.

Именно процессоры AMD выбирают сегодня самые отчаянные экс­периментаторы и фэны компьютерных игр. Осторожные консерваторы, как правило, делают выбор в пользу проверенной временем марки Intel.

… А тем временем на горизонте возникают новые игроки. Свой соб­ственный процессор доводит до ума известный производитель набором микросхем для материнских плат (чипсетов) VIA, доблестно пытается вновь завоевать рынок дешевых компьютеров некогда популярная Cyrix. Процессорные битвы продолжаются — но пользователи от этого отнюдь не в проигрыше.

Что благородней духом — покоряться рекламным «пращам и стре­лам», щедро рассыпаемым «пляшущими человечками» от Intel, иль ополчась на «большого брата» назло ему (и на радость своим играм) вы­брать альтернативный процессор от AMD? — этот вопрос каждый пользователь решает для себя, руководствуясь лишь собственными вку­сами и пристрастиями. Как правило, новички останавливают свой вы­бор на проверенных процессорах от Intel, в то время как опытные лю­бители экспериментов все чаще выбирают AMD.

Напоследок — еще один совет. Как известно, процессоры фирм-конкурентов обычно сравниваются с процессорами Intel в соответст­вии с так называемым «рейтингом производительности».

Мы тоже введем свой рейтинг — ценовой. Цены на процессоры ме­няются каждый день, однако неизменным остается следующее:

• Процессор начального уровня «для домашних нужд» — от 70 до 150 долл.

• Процессор «для привередливых» и просто продвинутых пользова­телей — от 150 до 200 долл.

• Процессор высшего класса (для рабочих станций) — от 250 до 450 долл.

При выборе нового компьютера ориентируйтесь на процессор вто­рой ценовой категории. В этом случае вы получите даже несколько из­быточную на сегодняшний день мощность,… которая обязательно по­надобится вам с выходом, скажем, новой операционной системы или компьютерной игры. Первому процессору примерно через полгода придется искать замену, ну а покупка третьего — согласитесь, просто расточительство...

Список литературы

1. ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР 2002 В.П. ЛЕОНТЬЕВ Москва «Олма – пресс»2002 г.

www.ronl.ru

Реферат - Процессор - Информатика

Процессор (микропроцессор, центральный процессор, CPU)– основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Он представляет из себя большую микросхему (например, размеры микропроцессора Pentium примерно 5*5*0,5 см), которую можно легко найти на материнской плате. На процессоре установлен большой медный ребристый радиатор, охлаждаемый вентилятором. Конструктивно процессор состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная тина и командная шина.

Адресная шина. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Система команд процессора. В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных – как адресные данные, а часть – как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и невзаимозаменяемыми.

Совместимость процессоров. Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60,66,75,90,100,133; несколько моделей процессоров Intel Pentium MMX, модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III (см. рис. 2.3, а), Intel Pentium IV и другие. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компаний AMD (см. рис. 2.3, б) и Cyrix относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз».

Рис. 2.3. Микропроцессоры, разработанные фирмами Intel и AMD: а) CPU Intel Pentium 4 2.8 ГГц; б) CPU Intel Pentium III 550 МГц ; в) CPU AMD K6-3-450 МГц

Принцип совместимости «сверху вниз» – это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников, но не наоборот. Это естественно, поскольку двадцать лет назад разработчики процессоров не могли предусмотреть систему команд, нужную для современных программ. Благодаря такой совместимости на современном компьютере можно выполнять любые программы, созданные в последние десятилетия для любого из предшествующих компьютеров, принадлежащего той же аппаратной платформе.

Основные параметры процессоров. Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В. Причем ядро процессора питается пониженным напряжением 2,2 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядную архитектуру. Современные процессоры семейства Intel Pentium остаются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты, некоторых процессоров уже превосходят 500 миллионов тактов в секунду (500 МГц).

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Жиры реферат
• 
  Реферат крылов
• 
  Краткий реферат
• 
  Ароматерапия реферат
• 
  Реферат гмо
• 
  Реферат демокрит
• 
  Бихевиоризм реферат
• 
  Литье реферат
• 
  Эратосфен реферат
• 
  Реферат эратосфен
• 
  Бетховен реферат