Устройства хранения

Сопроцессор

Процессор

Основным элементом, размещаемым на материнской плпте является процессор, точнее главный процессор (Central Processing Unit, CPU).

CPU регулирует, управляет и контролирует рабочий процесс. Однако материнскую плату составляет, естественно, не только процессор. Он находится в постоянном взаимодействии с другими элементами материнской платы до тех пор, пока PC включен.

Конечно же, процессоры отличаются друг от друга. В области PC имеется признанный лидер на рынке - фирма Intel, которая является (и была) "домашним" поставщиком CPU в IBM -совместимых PC. Известны еще две фирмы: это AMD и Cyrix.

Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:

· Степень интеграции (показывает количество транзисторов на единицу площади)

Технически процессор реализуется на большой интегральной схеме, структура которой постоянно усложняется, и количество функциональных элементов (типа диод или транзистор) на ней постоянно возрастает (от 30 тысяч в процессоре 8086 до 5 миллионов в процессоре Pentium II).

· Внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных (количество одновременно обрабатываемых бит)

Тип процессора	Частота (МГц)	Разрядность шины данных	Разрядность шины адреса	Адресное пространство
	4 - 12			1 Мб
	8 - 20			16 Мб
	25 - 40			4 Гб
	33 - 100			4 Гб
Pentium	75 - 200			4 Гб
Pentium II	200 - 300			4 Гб
Pentium III	500 - 1000			4 Гб
Pentium IV	1300-1500			4 Гб

· Тактовая частота (частота, с которой процессор выполняет определенные операции) (периодический сигнал, используемый для временного согласования всех синхронных операций в устройствах вычислительной машины)

Характеристики

Возможные значения

Тактовая частота - указывает скорость выполнения элементарных операций внутри микропроцессора, измеряется в мегагерцах (МГц, ГГц).

80486DX4	100 МГц
Intel Pentium (80586)	100-166 МГц
Intel Pentium pro (80686)	166-600 МГц
Intel Pentium III	до 1200 МГц
Intel Pentium 4	до 2800 МГц
Intel Celeron	до 1800 МГц
AMD Duron	до 1200 МГц
AMD Athlon XP	до 2800 МГц

Борьба за повышение тактовой частоты процессоров без их перенагревания становится все более трудным и дорогостоящим занятием. Разработчики микросхем используют множество различных методов с тем, чтобы максимально увеличить пропускную способность процессоров, не повышая при этом их тактовой частоты.

Одним из перспективных направлений является широкое распространение мультиядерных технологий

В 2001 году корпорация IBM разработала свой первый универсальный «двухъядерный» (dual-core) процессор Power4, предназначенный для серверов IBM eServer линеек pSeries и iSeries. В начале 2004-го Sun Microsystems выпустила оснащенный двумя ядрами процессор UltraSparc IV для серверов Sun Fire V, а компания Hewlett-Packard представила построенный на базе двух ядер процессор PA-RISC 8800. Ответ со стороны Advanced Micro Devices последовал летом: общественности был продемонстрирован оснащенный двумя ядрами Opteron (64-разрядный процессор от AMD с поддержкой системы команд x86).

Мультиядерные технологии позволяют организовать многопоточную обработку. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков коман д. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

Производительность двухъядерного процессора может быть почти в два раза выше, чем у одноядерного, а его стоимость будет намного ниже, нежели у двух процессоров, имеющих по одному ядру.

Например, двухядерный чип – это фактически два процессора в одном чипе. Основные преимущества многоядерного процессора:

1). Особенно эффективен при работе с многопоточными приложениями за счет параллельной обработки задач.

2). Высокая скорость обмена информацией и эффективность обработки данных.

3). Занимает меньше пространства, потребляет меньше энергии и рассеивает меньше тепла, нежели отдельные процессоры.

Преимущество такого процессора над одноядерным проявляется, прежде всего, при работе с многопоточными приложениями. Многопоточные задачи работают быстрее на двухядерных процессорах, потому что операционная система может распределять программные потоки отдельно по каждому ядру, в то время как на одноядерных процессорах задачи меняются по мере выполнения, то есть по очереди. Применение этой технологии позволит увеличить производительность процессоров нового поколения и одновременно избежать роста потребления энергии, которое накладывает ограничения на развитие одноядерных процессоров.

Кроме того, чем выше частота процессора, тем больше он теряет производительность при обращении к памяти. Два ядра получаются предпочтительней, чем одно, так как в этом случае легче обеспечить процессор данными для обработки. Поскольку производительность памяти увеличивается медленнее, чем скорость процессоров, увеличение производительности путем использования нескольких ядер выглядит более предпочтительным, чем наращивание частоты.

При размещении двух процессоров на одном кристалле скорость обмена информацией между ними возрастает, а совместное использование кэш-памяти может еще более повысить эффективность обработки данных. Кроме того, двухъядерные процессоры занимают меньше пространства, потребляют меньше энергии и рассеивают меньше тепла, нежели отдельные процессоры.

Число ядер определяется размерами полупроводниковых цепей. С переходом на более совершенную нанометровую технологию микросхем кристаллы с четырьмя или даже с большим числом блоков обработки данных получат широкое распространение,

В настоящее время почти все микропроцессоры, устанавливаемые в настольных ПК и в более сложных системах, оснащаются двумя или даже большим числом ядер.

Микропроцессор-это полупроводниковое устройство, состоящее из одной или нескольких программно-управляемых БИС, включающих все средства, необходимые для обработки информации и управления, и рассчитанное на совместную работу с устройствами памяти и ввода-вывода информации.

Микропроцессор состоит из трех основных блоков:

· арифметически-логического

· блока регистров

· устройства управления

Арифметически-логическое устройство (АЛУ) - выполняет все арифметические и логические преобразования данных.

Устройство управления - электронный блок компьютера, включающий в работу устройства, блоки, электронные элементы и цепи в зависимости от содержания текущей команды.

В современных процессорах используется архитектура RISC (Reduced Instraction Set Computer). Основная идея состоит в том, чтобы перераспределить рабочее пространство микросхемы в пользу «арифметики» за счет сокращенного числа команд, за счет управления. Это оказывается возможным в результате перехода от микропрограммного управления к аппаратному

Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Архитектура многопроцессорного компьютера

Регистр - ячейка памяти в виде совокупности триггеров, предназначенных для хранения одного данного в двоичном коде.

Количество разрядов в регистре определяется разрядностью микропроцессора

Регистры общего назначения - образуют сверхоперативную память и служат для хранения операндов участвующих в вычислениях, а также результатов вычислений.

Регистр команд - служит для хранения команды, выполняемой в текущий момент времени.

Счетчик команд - регистр, указывающий адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда.

Стек (стековая память) - совокупность связанных между собой регистров для хранения упорядоченных данных. Первый выбирается из стека данное попавшее туда последним, и наоборот.

Между шиной адреса и шиной данных процессора есть эмпирическое соотношение: чем больше процессор должен адресовать памяти (т.е. чем больше разрядность шины адреса), тем быстрее они должны поступать в процессор. Следовательно, тем шире шина данных. Однако на разрядность шин накладывается технологическое ограничение: чем шире шина, тем сложнее сделать его компоненты (как со "стороны" процессора, так и периферии.) Поэтому в современных универсальных микропроцессорах ШАШ ~ 0.5 – 2.0 ШШД.

Примечание: ШАШ – ширина адресной шины, ШШД – ширина шины данных).

Критерий

Разрядность

Функциональный

обработки

хранения

обмена

Реализационный

физическая

архитектурная

физическая

архитектурная

физическая

архитектурная

Типовой (D: данных; A: адресов)

D

A

D

A

D

A

D

A

D

A

D

A

i8080/85, Z80

8-16

8-16

8-16

Z8000

8-64

8-64

8-16

8-64

MC68000/010 (MC68008)

8-32

8-32

8-16 (8)

24 (20)

8-32

MC68020/030

8-32

8-32

8-32

8-32

i8086/186* (i8088/188*)

8-16

8-16

8-16 (8)

8-16

i80286

8-16

8-16

8-16

8-16

i80386DX

8-32

8-32

8-32

8-32

i80386SX (EX/CX)

8-32

8-32

8-16

24 (26)

8-32

i860

32/64|64

8-64/64|64

32/64/32

8-64/64/64

8-64

i80486

32/80

8-32/80

32/80

8-32/80

8-80

Pentium, K5 (Pentium Pro)

32/80

8-32/80

32/80

8-32/80

32 (36)

8-80

32 (51)

Pentium MMX (Pentium II)

32/80|64

8-32/80|64

32/80|64

8-32/80|64

32 (36)

8-80

32 (51)

K6 (K6-2)

32/80|64(/64)

8-32/80|64(/64)

32/80|64(/64)

8-32/80|64(/64)

8-80

Athlon

32/80|64/64

8-32/80|64/64

32/80|64/64

8-32/80|64/64

8-80

Athlon XP

32/80|64/64

8-32/80|64/32-128

32/80|64/128

8-32/80|64/128

8-128

Pentium III (Pentium 4/M, Core)

32/80|64/64

8-32/80|64(+128)/32-128

32/80|64(+128)/128

8-32/80|64(+128)/128

8-128

Pentium 4 D/EE (Athlon 64*)

64/80|64/64

8-64/80|64+128/32-128

64/80|64+128/128

8-64/80|64+128/128

64(+16)

8-128

Atom

32-64/80|64/64-128

8-64/80|64+128/32-128

64/80|64+128/128

8-64/80|64+128/128

8-128

Core 2 (i7*)

64/80|128/128

8-64/80|64+128/32-128

64/80|64+128/128

8-64/80|64+128/128

64 (192+16)

8-128

Athlon II*, Phenom (II)*

64/80|128/128

8-64/80|64+128/32-128

64/80|64+128/128

8-64/80|64+128/128

128+16

40 (48)

8-128

* — Мультиплексированная шина данных и адреса (для ЦП с интегрированным контроллёром памяти — только межпроцессорная)
«A/B|C/D» — для данных указана разрядность скалярного целого / вещественного | векторного целого / вещественного доменов
«X+Y» — имеет домены этого вида двух разрядностей
«X-Y» — в зависимости от команды или ФУ принимает все промежуточные значения с целой степенью двойки

Наиболее часто 32/64/80/128 разрядов данных, 32/64 разряда адреса.

Для выполнения арифметических операций с плавающей точкой имеется специальный арифметический процессор, называемый сопроцессором. В отличие от CPU он не управляет системой, а ждет команду CPU на выполнение арифметических вычислений и формирование результатов. Согласно заявлениям фирмы Intel по сравнению с CPU арифметический сопроцессор может уменьшить время выполнения арифметических операций, таких как умножение и возведение в степень, на 80% и более. Скорость выполнения сложения и вычитания, как правило, остается без изменения.

Сопроцессор является только обиходным названием для этого чипа. Полностью он называется математическим сопроцессором или Numeric Processing Unit (NPU) или Floating Point Processing Unit (FPU).

Классификация устройств памяти

Память компьютера делится на внешнюю и внутреннюю.

К внутренней памяти относятся:

1). Оперативная память

2). Регистры

3). Кэш-память

4). Постоянная память

1. Оперативная память (RAM Random Access Memory, - память с произвольным доступом, ОЗУ)) - это устройства, где размещены данные, который процессор обрабатывает в определенный промежуток времени. При этом выполняется следующее условие: в любой момент существует условие работы с любой ячейкой оперативной памяти. В оперативной памяти сохраняется временная информация, которая изменяется по мере выполнения процессором различных операций, таких как запись, считывание, сохранение.

· Полупроводниковая статическая (англ. Static Random Access Memory, SRAM) — ячейки представляют собой полупроводниковые триггеры. Достоинства — небольшое энергопотребление, высокое быстродействие. Отсутствие необходимости производить «регенерацию». Недостатки — малый объём, высокая стоимость. Благодаря принципиальным достоинствам широко используется в качестве кеш-памяти процессоров в компьютерах.

· Полупроводниковая динамическая (англ. Dynamic Random Access Memory, DRAM) — каждая ячейка представляет собой конденсатор на основе перехода КМОП-транзистора. Достоинства — низкая стоимость, большой объём. Недостатки — необходимость периодического считывания и перезаписи каждой ячейки — т. н. «регенерации», и, как следствие, понижение быстродействия, большое энергопотребление. Процесс регенерации реализуется специальным контроллером, установленным на материнской плате или в центральном процессоре. DRAM обычно используется в качестве оперативной памяти (ОЗУ) компьютеров.

Оперативная память имеет свои достоинства и недостатки:

1). Благодаря малому времени доступа к памяти скорость обработки данных существенно возрастает. Если бы информация считывалась только с внешних носителей, то пользователь проводил бы в ожидании завершения выполнения той или иной операции много времени

2). Недостатком оперативной памяти является то, что она является временной памятью. При отключении питания оперативная память полностью "очищается", и все данные, не записанные на внешний носитель, будут навсегда потеряны

Оперативная память представляет собой плату длинной около 8-и см., на которой размещены микросхемы DRAM (Dynamic RAM). Такая плата называется модулем и устанавливается в соответствующие слоты материнской платы. Наибольшее распространение в последнее время получили DIMM[1]-модули. Также имели место SIP и SIMM[2]-модули. Модули вставляются в специально предназначенные для них слоты на материнской плате, называемые банками (Banks).

Важной характеристикой оперативной памяти является объем памяти. Стандартный объем микросхем ОЗУ составляет: 128, 256, 512 Мб, 1 Гб. Объем ОЗУ можно наращивать, используя соответствующие модули памяти.

Другой важной характеристикой основной памяти является время доступа, которое характеризует интервал времени, в течение которого информация записывается в память или считывается из нее. Время доступа для внешних носителей, таких как гибкий или жесткий диски, выражается в миллисекундах, а для элементов памяти оно измеряется наносекундами.

2. Регистры - это сверхскоростная память процессора. Они сохраняют адрес команды, саму команду, данные для её выполнения и результат.

3. Кэш-память (буферная память) - это промежуточное запоминающее устройство, используемое для ускорения обмена между процессором и RAM. В современных процессорах используется несколько уровней кэш-памяти.

Название кэш происходит от английского слова "cache", которое обозначает тайник или замаскированный склад

Располагается между микропроцессором и ОЗУ и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. Это т.н. внешняя кэш 2-го уровня. Представляет собой небольшой блок быстродействующего, но дорогого статического ОЗУ (SRAM). При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.

Процессоры 80486-DX4, Pentium	256Кб
Процессоры Pentium III, Pentium 4, Celeron, Duron Athlon XP	128-512Кб

Кэш 1-го уровня или встроенный кэш размещается в микропроцессоре (до 32 Кб).

Наконец, кэш-память в виде динамического ОЗУ может использоваться для ускорения работы (обмена между ОЗУ и ВЗУ) с жестким диском.

4. Постоянная память - это электронная память, предназначенная для длительного сохранения программы и данных. Используется она для чтения данных. Называется также ROM (Read Only Memory - память только для чтения, ПЗУ).

Элемент ROM BIOS (Basic Input Output System базовая система ввода/вывода) часто называют просто BIOS. Аппаратно он представляет собой элемент памяти емкостью 64 Кб, установленный 28 ножками в разъем на материнский плате. Ведущими изготовителями ROM BIOS являются фирмы AMI, Award и Phoenix.

Функции, выполняемые системами BIOS одинаковы:

- Предоставляет операционной системе аппаратные драйверы и осуществляет сопряжение между материнской платой и остальными средствами PC; ROM BIOS должен соответствовать конкретной материнской плате

- Содержит тест проверки системы, так называемый POST (Power On Self Test), который при включении PC проверяет все важнейшие компоненты

- Содержит программу установки параметров BIOS и аппаратной конфигурации PC CMOS Setup (или просто Setup, служит для изменения опций конфигурации PC), а также некоторые возможные установки Chipset

Функции ROM BIOS:

1. Хранение программ для проверки оборудования

2. Загрузка операционной системы (ОС)

3. Выполнение базовых функций по обслуживанию устройств компьютера

4. Хранение программы настройки конфигурации ПК.

Очевидно, что помимо оперативной памяти необходимо оснащать компьютер еще и другими устройствами памяти, рассчитанными на долговременное хранение данных. Внешняя память рассчитана на длительное хранение программ и данных. Она реализуется с помощью специальных устройств, которые в зависимости от способов записи и считывания делятся на:

1). магнитные,

2). оптические и магнитооптические.

3). полупроводниковые

Основными характеристиками внешней памяти являются

1). объем,

2). скорость обмена информацией,

3). способ и время доступа к данным.

К внешней памяти относятся дискеты, винчестеры, CD-ROM и др. Укажем важнейшие достоинства и недостатки таких запоминающих устройств.

Время доступа к информации для этих запоминающих устройств составляет миллисекунды, а для элементов оперативной памяти — наносекунды.

При правильной эксплуатации накопителей данные, которые на них размещены, будут доступны в течение длительного времени и возможен обмен данными между компьютерами.

Управление обменом данных между приводом ВЗУ и PC осуществляют специальные контроллеры.

Дата добавления: 2017-02-01