Мікропроцесор

СИСТЕМНА ПЛАТА

ОСНОВНІ БЛОКИ КОМП’ЮТЕРА

IBM PC-сумісні комп’ютери

В 1981 році фірма IBM, одна з найвідоміших комп’ютерних фірм, розробила комп’ютер IBM PC. Більшість сучасних комп’ютерів є IBM PC-сумісними персональними комп’ютерами. Слово “сумісність “ тут означає:

* програмну сумісність - всі програми, розроблені для IBM PC, будуть працювати і на IBM PC-сумісних комп’ютерах;

* в значній мірі апаратну сумісність - більшість пристроїв можуть переноситись на інші комп’ютери (крім пристроїв 5- чи 10-річної давності, які вже морально застаріли).

Слово “персональний” означає, що комп’ютер розрахований на роботу з одним користувачем.

Комп’ютер скаладається з трьох основних частин:

· системного блоку;

· клавіатури, за допомогою якої вводять символи в комп’ютер;

· монітора (чи дисплея) - для зображення текстової та графічної інформації.

До складу сучасних комп’ютерів входять ще ряд зовнішніх пристроїв, які будуть розглянуті

нижче.

СИСТЕМНИЙ БЛОК містить всі основні пристрої комп’ютера: материнську (системну) плату, на якій знаходяться мікропроцесор, пам’ять комп’ютера, контролери пристроїв, шина даних; блок живлення, який перетворює електроживлення мережі в постійний струм низької напруги;

дисководи для гнучких магнітних дисків (дискет); жорсткий магнітний диск (вінчестер) та інші пристрої.

Самим головним елементом комп’ютера є мікропроцесор - невелика електронна схема, яка виконує всі обчислювання та обробку інформації. Мікропроцесор уміє виконувати сотні різних операцій і робить це зі швидкістю десятків і навіть сотень мільйонів операцій за секунду. В комп’ютерах типу IBM PC використовуються мікропроцесори фірми INTEL, а також сумісні з ними мікропроцесори інших фірм. Мікропроцесори фірми INTEL такі: Intel-8086, 80286 (модифікації SX та DX), 80486 (модифікації SX, SX2, DX, DX2, DX4), Pentium Pentium Pro, Pentium II і т. д.. Всі вони приведені в порядку зростання продуктивності і ціни.

Будова процесора багато в чому подібна на будову пам’яті. Процесор також складається із елементарних частинок, бітів, які створюють регістри. У регістрах знаходиться інформація. Але в регістрах процесора інформація не зберігається, а обробляється. В перших процесорах бул 8-розрядні регістри. Сьогодні використовуються 16-ти та 32-хрозрядні процесори. 32-х розрядний регістр може помістити 4 байти (подвійне слово).

Регістри процесора мають різне призначення. Регістри загального призначення використовуються для операцій з даними. Адресні регістри зберігають адресу комірок пам’яті, у яких знаходяться дані (при зчитувані), чи у які треба записати результат обробки даних. Є крім перечислених, флаговий регістр. Його біти представляють собою признаки, які виставляються при деяких умовах, наприклад, при переповненні комірки, при її обнулінні, при від’ємному результаті і таке інше.

До процесора підходить дві шини:

· адресна, вона підключає процесор до оперативної пам’яті. Чим більша ємність адресної шини, тим більший масив пам’яті може обслужити процесор.

• шина даних – по ній в регістри процесора передається зміст комірок оперативної пам’яті. Чим більше розрядів має шина даних, тим більше інформації зчитується за один раз у регістри процесора. Сучасні процесори мають 64-бітову шину даних.

Основними параметрами процесорів є:

· тактова частота

· розрядність

· робоча напруга

· коефіцієнт внутрішнього множення тактової частоти

· розмір кеш пам'яті.

Тактова частота визначає кількість елементарних операцій (тактів), виконувані процесором за одиницю часу. Тактова частота сучасних процесорів вимірюється в Мгц та Ггц(1 Гц відповідає виконанню однієї операції за одну секунду, 1 МГц=106 Гц). Чим більше тактова частота, тим більше команд може виконати процесор, і тим більше його продуктивність. Перші процесори, які використовувалися в ПК працювали на частоті 4,77 Мгц, сьогодні робочі частоти сучасних процесорів досягають відмітки в 2 ГГц (1 ГГц = 103 Мгц).

Розрядність процесора показує, скільки біт даних він може прийняти і обробити в своїх регістрах за один такт. Розрядність процесора визначається розрядністю командної шини, тобто кількістю провідників в шині, по якій передаються команди. Сучасні процесори сімейства Intel є 32-розрядними.

Робоча напруга процесора забезпечується материнською платою, тому різним маркам процесорів відповідають різні материнські плати. Робоча напруга процесорів не перевищує 3 В. Зниження робочі напруги дозволяє зменшити розміри процесорів, а також зменшити тепловиділення в процесорі, що дозволяє збільшити його продуктивність без загрози перегріву.

Коефіцієнт внутрішнього множення тактової частоти - це коефіцієнт, на який слід помножити тактову частоту материнської плати, для досягнення частоти процесора. Тактові сигнали процесор одержує від материнської плати, яка з чисто фізичних причин не може працювати на таких високих частотах, як процесор. На сьогодні тактова частота материнських плат складає 100-133 Мгц. Для отримання більш високих частот в процесорі відбувається внутрішнє множення на коефіцієнт 4, 4.5, 5 і більше.

Кеш-пам'ять. Обмін даними усередині процесора відбувається набагато швидше, ніж обмін даними між процесором і оперативною пам'яттю. Тому, для того, щоб зменшити кількість звернень до оперативної пам'яті, усередині процесора створюють так звану надоперативну або кеш-пам'ять. Коли процесору потрібні дані, він спочатку звертається до кеш-пам'яті, і лише тоді, коли там відсутні потрібні дані, відбувається звернення до оперативної пам'яті. Чим більше розмір кеш-пам'яті, тим більша вірогідність, що необхідні дані знаходяться там. Тому високопродуктивні процесори мають підвищені об'єми кеш-пам'яті.

Розрізняють кеш-пам'ять першого рівня (виконується на одному кристалі з процесором і має об'єм порядку декілька десятків Кбайт), другого рівня (виконується на окремому кристалі, але у межах процесора, з об'ємом в сто і більш Кбайт) і третього рівня (виконується на окремих швидкодійних мікросхемах з розташуванням на материнській платі і має об'єм один і більше Мбайт).

Організація роботи кеш-пам'яті. У всіх процесорах, починаючи з 486-м, є вбудований (першого рівня) кеш-контроллер з кеш-пам'яттю об'ємом 8 Кбайт в процесорах 486ВХ, а також 32, 64 Кбайт і більше в сучасних моделях. Кеш — це швидкодійна пам'ять, призначена для тимчасового зберігання програмного коду і даних. Звернення до вбудованої кеш-пам'яті відбуваються без очікування, оскільки її швидкодія відповідає можливостям процесора, тобто кеш-пам'ять першого рівня (або вбудований кеш) працює на частоті процесора. Завдяки цьому обмін даними з відносно повільною системною пам'яттю значно швидшає. Процесору не потрібно чекати, поки чергова порція програмного коду або даних поступить з основної області пам'яті, і це приводить до відчутного підвищення продуктивності комп'ютера. За відсутності кеш-пам'яті такі паузи виникали б досить часто. В сучасних процесорах вбудований кеш грає ще більш важливу роль, тому що він часто є єдиним типом пам'яті у всій системі, який може працювати синхронно з процесором. В більшості сучасних процесорів використовується множник тактової частоти, отже, вони працюють на частоті, у декілька разів перевищуючої тактову частоту системної плати, до якої вони підключені. Наприклад, тактова частота (1 ГГц), на якій працює процесор Pentium Ш, в сім з половиною разів перевищує тактову частоту системної плати, рівну 133 Мгц. Оскільки оперативна пам'ять підключена до системної плати, вона також може працювати тільки на тактовій частоті, що не перевищує 133 Мгц. В такій системі зі всіх видів пам'яті тільки вбудований кеш може працювати на тактовій частоті 1 ГГц. Розглянутий в даному прикладі процесор Pentium Ш на 1 ГГц має вбудований кеш загальним об'ємом 32 Кбайт (в двох окремих блоках по 16 Кбайт). Якщо необхідні дані у вбудованому кеші відсутні, процесор звертається за ними в кеш-пам'ять другого рівня або безпосередньо до системної шини.

Вся кеш-пам'ять розбивається на чотири блоки, в кожному з яких зберігаються копії різних фрагментів основної пам'яті.

Вміст кеша завжди повинен відповідати вмісту основної пам'яті, щоб процесор працював з найсвіжішими даними. В процесорах Pentium використовується двонаправлений кеш який працює при виконанні, як операцій прочитування, так і операцій запису. Це дозволяє ще більше підвищити продуктивність процесора.

Однією з функцій вбудованого кеш-контроллера є відстежування стану системної шини при передачі управління шиною іншому пристрою. Якщо пристрій, що управляє шиною, записує що-небудь в область пам'яті, копія якої зберігається у вбудованому кеші, вміст кеша перестає відповідати вмісту основної пам'яті. В цьому випадку кеш-контроллер відзначає ці дані як помилкові і при наступному зверненні процесора до пам'яті обновляє вміст кеша, підтримуючи цілісність системи.

Зовнішній кеш (другого рівня) є швидкодійною статичною пам'яттю, яка також дозволяє скоротити час простою процесора при зверненнях до системної пам'яті. Зовнішній кеш працює так само, як і вбудований: він береже інформацію, що передається в процесор, скорочуючи втрати на очікування. Час вибірки даних з мікросхем зовнішнього кеша звичайно не перевищує 15 нс, що значно менше ніж у основної пам'яті. Вторинний кеш для процесорів Pentium знаходиться на системній платі, а для процесорів починаючи з Pentium Рго і Pentium II— усередині корпусу процесора. Перемістивши вторинний кеш в процесор, можна примусити його працювати з тактовою частотою, більш високою, ніж у системної плати, — такій же, як і у самого процесора. При збільшенні тактової частоти час циклу зменшується.

Отже, два рівня кеша між швидким центральним процесором і значно більш повільною оперативною пам'яттю допомагають скоротити час очікування, яке було потрібно б процесору для прочитування і запису даних в оперативну пам'ять, що істотно підвищило продуктивність процесорів.

Архітектура процесора. В процесі роботи процесор обробляє дані, що знаходяться в його регістрах, оперативній пам'яті і зовнішніх портах процесора. Частина даних інтерпретується як власне дані, частина даних - як адресні дані, а частина - як команди. Сукупність різноманітних команд, які може виконати процесор над даними, утворюють систему команд процесора. Чим більше набір команд процесора, тим складніше його архітектура, тим довше запис команд в байтах і тим довше середня тривалість виконання команд.

Процесори Intel, що використовуються в IBM-сумісних ПК, налічують більше тисячі команд і відносяться до процесорів з розширеною системою команд - CISC-процесорів (CISC - Complex Instruction Set Computing). В протилежність CISC-процесорам розроблені процесори архітектури RISC з скороченою системою команд (RISC - Reduced Instruction Set Computing). При такій архітектурі кількість команд набагато менше, і кожна команда виконується швидше. Таким чином, програми, що складаються з простих команд виконуються набагато швидше на RISC-процесорах. Зворотна сторона скороченої системи команд полягає в тому, що складні операції доводиться емулювати далеко не завжди ефективною послідовністю більш простих команд. Тому CISC-процесори використовуються в універсальних комп'ютерних системах, а RISC-процесори - в спеціалізованих. Для ПК платформи IBM PC домінуючими є CISC-процесори фірми Intel, хоча останнім часом компанія AMD виготовляє процесори сімейства AMD-K6, які мають гібридну архітектуру (внутрішнє ядро цих процесорів виконане по RISC-архітектурі, а зовнішня структура - по архітектурі CISC).

В комп'ютерах IBM PC використовують процесори, розроблені фірмою Intel, або сумісні з ними процесори інших фірм, що відносяться до сімейства x86. Родоначальником цього сімейства був 16-розрядний процесор Intel 8086. Надалі випускалися процесори Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486 з модифікаціями, різні моделі Intel Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro, Pentium II, Celeron, Pentium III, Pentium IV. Серед інших фірм-виробників процесорів слід зазначити AMD з моделями AMD-K6, Athlon, Duron і Cyrix.

Дата добавления: 2014-01-06