Процессоры

МАТЕРИНСКАЯ ПЛАТА

Материнская плата - основная плата компьютера, связываю­щая все его электронные компоненты и обеспечивающая их взаи­модействие; на ней размещаются различные микросхемы.

Набор микросхем логики платы, обеспечивающих работу про­цессора, памяти и большинства интерфейсов ввода-вывода, на­зывается чипсет (chipset). От модели чипсета зависят все основ­ные характеристики платы: поддерживаемые процессоры и виды микросхем памяти, тип системной шины, порты для подключе­ния внешних устройств. Современные чипсеты имеют множество встроенных контроллеров (дисков, портов ввода-вывода, шин USB и ШЕЕ 1394).

Разъемы для установки процессора (одного или нескольких) различны для процессоров Pentium III, Celeron (Socket-370), Pentium IV (Socket-423, Socket-478), AMD (Socket-462).

Микросхема BIOS (Basic Input Output System - базовая систе­ма ввода-вывода) содержит программное обеспечение платы -драйверы низкого уровня для обслуживания основных устройств ввода-вывода, программу начального загрузчика, выполняющую функцию загрузки операционной системы с диска, и программу POST (Power on Self Test), осуществляющую тестирование уст­ройств ПК при включении питания. Раньше для микросхем BIOS использовалась нестираемая память, а теперь используется пере­записываемая память.

Также на материнской плате имеются:

• разъемы для модулей памяти;

• разъемы для установки дочерних плат. Обычно имеется не­сколько (4-6) слотов для плат с интерфейсом PCI и один слот для платы видеоадаптера с интерфейсом AGP. В современных платах редко встречаются слоты для подключения плат с интерфейсом ISA (EISA);

• разъем для подключения питания;

• разъемы подключения дисководов и внешних устройств;

• вспомогательные микросхемы и устройства (преобразователь напряжения, тактовый генератор, таймер, контроллер прерыва­ний и т. п.).

Существуют материнские платы самых разных форматов (AT, ATX, LPX, NLX, Mini-, Micro-ATX, Micro-NLX, Flex-ATX). Основные характеристики материнских плат:

• модель чипсета;

• тип используемого процессора (зависит от разъема для уста­новки процессора);

• формат;

• число и тип разъемов для установки дочерних плат;

• возможность обновления BIOS.

В настоящее время для ПК существует множество видов про­цессоров. Наиболее распространенными являются Intel-совмести­мые процессоры, которые используются в IBM-совместимых ПК. Самыми производительными из них являются процессоры Intel Pentium IV и AMD Athlon.

Самыми высокопроизводительными процессорами (из массо­во производимых) являются процессоры Alpha фирмы Digital. На сегодняшний момент они остаются более производительными, чем Intel-совместимые. Процессоры Alpha используются во многих мини-ЭВМ и суперкомпьютерах.

Довольно распространенными также являются различные раз­новидности процессоров PowerPC, которые используются в ПК фирмы Apple, а также во многих встроенных ЭВМ.

Часто различают процессоры CISC (Common Instruction Set Computer - процессоры с полным набором команд) и RISC (Reduced Instruction Set Computer - процессоры с сокращенным набором команд).

В CISC-процессорах для выполнения каждой команды исполь­зуется своя микропрограмма, состоящая из набора микрокоманд.

Каждая микрокоманда реализована на аппаратном уровне и вы­полняет какое-либо элементарное действие, необходимое для ре­ализации различных команд. Конкретная команда процессора кодируется набором микрокоманд, образующих микропрограм­му. Таким образом, программы формируются из команд процес­сора, а сами команды, в свою очередь, являются микропрограм­мами.

В RISC-процессорах каждая команда процессора реализова­на в виде отдельной схемы. Поэтому здесь каждая отдельная ко­манда выполняется быстрее, но самих команд меньше, и для реа­лизации некоторых действий, которые в CISC-процессорах вы­полняются одной командой, требуется несколько команд.

Традиционно в мэйнфреймах используются CISC-процессо­ры, а в мини-ЭВМ - RISC-процессоры. Например, процессоры Alpha - это RISC-процессоры. Процессоры Intel и совместимые с ними являются CISC-процессорами, а процессоры PowerPC -RISC-процессорами. С середины 90-х годов грань между CISC и RISC-процессорами стирается, и на сегодняшний момент в про­цессорах Pentium IV используется много конструктивных решений, ранее характерных только для RISC-процессоров. В карманных компьютерах используются главным образом RISC-процессоры, поскольку они компактнее, значительно меньше нагреваются при работе и потому не требуют отдельной системы охлаждения.

Основные характеристики процессора

• Разрядность процессора.

Это число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. Первые микропроцессоры были 4-разрядными, т.е. одной командой могли обрабатывать не более 4 двоичных разрядов. Для обработки более длинных чисел нужно было применять несколько команд. Первые массово производи­мые ПК в конце 70-х годов использовали 8-разрядные микропро­цессоры. Первые ПК фирмы IBM использовали 16-разрядные микропроцессоры. Начиная с микропроцессора Intel 80386, они стали полностью 32-разрядными, но для совместимости с програм­мами, разработанными для младших моделей, микропроцессоры содержали набор 16-разрядных команд. До сих пор процессоры Intel обеспечивают поддержку выполнения старых 16-разрядных программ. Для работы с такими программами микропроцессор переключается в специальный режим, в котором он работает

значительно медленнее. Процессоры Pentium уже поддерживали 64-разрядный обмен данными. Нынешние процессоры фирмы Intel уже частично 64-разрядные, т.е. имеют команды, рассчитанные на работу с 64-разрядными данными. В настоящее время активно выпускаются полностью 64-разрядные процессоры Intel (Itanium, Itanium-2). Однако они дорогие и пока используются только в высокопроизводительных серверах. Для использования их воз­можностей в обычных ПК пока нет соответствующих программ. Однако уже существует 64-разрядная версия Windows.

• Производительность, тактовая частота.

Производительность процессора определяется скоростью вы­полнения команд программы. Поскольку время исполнения раз­ных команд существенно варьируется, то для характеристики про­изводительности процессора используют следующие показатели:

МИПС (MIPS - Mega Instruction Per Second) - миллион опера­ций в секунду над целыми числами (числами с фиксированной запятой);

МФЛОПС (MFLOPS - Mega Floating Operations Per Second) -миллион операций в секунду над дробными числами (числами с плавающей запятой).

Тактовая частота - количество циклов работы устройства за единицу времени. Измеряется в мегагерцах (Мгц). Чем выше так­товая частота работы устройства, тем обычно выше производи­тельность, но строгой зависимости нет.

Для оценки производительности процессоров и компьютер­ной системы в целом эффективным можно считать подход, при котором производительность измеряется как некоторая средне­взвешенная величина, вычисленная на основе данных о скорости решения набора типовых задач обработки данных.

• Система команд.

В составе команд современного процессора, как правило, при­сутствуют арифметические и логические команды над числами с фиксированной и плавающей запятой, а также дополнительные команды, реализующие обработку графических, видео- и аудио­данных. В предшествующих моделях для реализации таких команд нужно было создавать программу, включающую несколько десят­ков или сотен машинных команд. За счет этого соответствующие действия выполняются намного быстрее. Общее количество ко­манд, реализуемых современным процессором, достигает несколь­ких сотен.

• Наличие и характеристики кэш-памяти.

Кэш-память в процессорах используется для ускорения досту­па к данным, размещенным в ОЗУ. Обычно используется кэш-па­мять первого и второго уровня. Кэш-память первого уровня име­ет меньший объем, чем кэш-память второго уровня, но она разме­щается непосредственно в процессоре и потому намного быстрее. Различия между процессорами Pentium II-III-IV и Celeron состоят главным образом в том, что у первых размеры кэш-памяти суще­ственно больше. С каждым новым поколением процессоров кэш-память увеличивается.

• Параллельное исполнение команд.

Оно основано на том, что каждая команда исполняется про­цессором за несколько внутренних циклов работы. Поэтому ког­да исполнение одной команды переходит к следующем циклу, процессор одновременно может начать обрабатывать другую ко­манду. За счет организации конвейера команд скорость работы процессора намного возрастает. Но конвейер не всегда возможен. Поэтому активно развиваются научные исследования, связанные с оптимизацией построения конвейеров обработки команд.

• Технология изготовления процессоров.

Чем меньше размеры процессора, тем он быстрее, потому что меньше расстояние между элементами и электроны проходят его быстрее. Поэтому все время идут работы по разработке технологий более плотного размещения элементов в процессорах. Одним из ос­новных путей уменьшения размеров и соответственно увеличения плотности расположения элементов в микросхеме процессора явля­ется уменьшение толщины проводников. В современных процессо­рах нормы толщины проводников снижены до 0,18 - 0,13 мкм.

В настоящий момент в экспериментальных разработках фир­мы IBM элементарные микросхемы формируются в виде одной молекулы. Предполагается, что к 2005 г. изготовление процессо­ров, основанных на молекулярных микросхемах, будет поставле­но на индустриальную основу, и это произведет переворот в мик­роэлектронике.

Процессоры развиваются в соответствии с законом Мура, со­гласно которому производительность процессоров удваивается каждые полтора-два года. Закон соблюдается с 1965 г., но в пос­леднее время все чаще утверждают, что производительность про­цессоров стала возрастать быстрее.

Основные направления совершенствования процессоров:

• уменьшение размеров и увеличение плотности элементов;

• увеличение разрядности;

• параллельное исполнение команд;

• развитие системы команд;

• оптимизация кэш-памяти.

Производительность массово выпускаемых в настоящее вре­мя процессоров для IBM PC примерно соответствует следующей схеме:

Celeron < AMD Duron < Pentium III < AMD Athlon || Pentium IV

Следует иметь в виду, что процессоры AMD и Intel требуют использования разных материнских плат, поскольку устанавли­ваются на нее через разъемы разного типа.

Дата добавления: 2014-01-20