Телекоммуникации и Информатика и вычислительная техника Ульяновск 2007 2
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
8.2. Основные характеристики микропроцессоров, используемых в ПЭВМ Микропроцессор, или Central Processing Unit (CPU) – функционально- законченное программно управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких БИС или СБИС интегральных схем. 158 МП выполняет следующие функции вычисление адресов команд и операндов выборку и дешифрацию команд из ОП выборку данных из ОП прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ; обработку данных и их запись в ОП выработку управляющих сигналов для всех узлов и блоков ПК; переход к следующей команде. В настоящее время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но среди микропроцессоров, используемых в ПЭВМ, наиболее популярными являются микропроцессоры семействах. Конструктивно современный МП представляет собой СБИС, реализованную на одном полупроводниковом кристалле — тонкой пластинке кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров. На ней размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми выводами с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. Внешний вид микропроцессора Intel Pentium 4 Core2 Duo представлен на рис. 8.4. Рис. 8.4. Микропроцессор Intel Pentium 4 Core2 Duo С внешними устройствами, ив первую очередь, с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Адресная шина. У большинства современных процессоров адресная шина разрядная, те. состоит из 32 параллельных линий. В зависимости оттого, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нолей и единиц образует 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, шина данных разрядная, те. состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов. Шина команд. В большинстве процессоров шина команд 32- и разрядная, хотя существуют разрядные процессоры. В процессорах семействах различают реальный, защищенный и виртуальный режимы работы. Реальный режим соответствует возможностям первых процессоров 8086/8088, имеющих разрядную адресную шину, позволяя адресовать не более 1 Мбайт (2 20 ) памяти. Чтобы поддержать совместимость с ранее разработанными программами, все последующие процессоры поддерживают реальный режим, используя при этом свои минимальные возможности. Защищенный режим появился впервые в МП 80286. В этом режиме, если физическая память полностью загружена, непоместившиеся данные МП располагает на винчестере. При этом он работает нес реальными, ас виртуальными адресами, которые управляются через специальные таблицы, стем чтобы информацию можно было найти (или снова записать. Эту память называют еще виртуальной памятью, так как фактически она не существует. Кроме того, в защищенном режиме возможна поддержка мультизадачного режима. При этом CPU может выполнять различные программы в выделенные кванты времени, выпадающие на каждую из программ. Начиная с процессора 80386 его архитектура определяет четыре уровня привилегий для защиты кода и данных системы от случайного или преднамеренного изменения со стороны менее привилегированного кода. Такой метод выполнения кода называют моделью защиты Intel. Уровни привилегий задаются от 0 до 3. Уровень привилегий 0, отведенный под ядро операционной системы, — режим ядра максимальный. Уровень привилегий 3, или режим пользователя, минимальный. Виртуальный режим. Впервые начиная с процессора 386 CPU могут эмулиро- вать работу нескольких процессоров 8086 и тем самым обеспечить многопользовательский режим таким образом, что на одном ПК могут быть записаны одновременно даже различные операционные системы. Естественно, увеличивается и возможное количество выполняемых приложений. Основными параметрами МП являются рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти. Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому различным моделям МП соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно. По мере развития МП происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х 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 В и менее. 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 х были разрядными. Начиная с процессора 80386 они имеют разрядную архитектуру. Современные процессоры семейства Intel Pentium могут быть 32- и разрядными, и работать с разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется разрядностью внутренних регистров. Рабочая тактовая частота и коэффициент ее внутреннего умножения. В процессоре исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. 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 х могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты процессоров уже превосходят несколько миллиардов тактов в секунду (свыше 3 ГГц. Тактовые сигналыпроцессор получает от материнской платы, которая по чисто физическим причинам не может работать со столь высокими частотами, как процессор и составляет сотни МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более. Например, у процессора Pentium 4 частота системной шины х МГц составляет 800 МГц. 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 ив кэш-память. Высокопроизводительные процессоры всегда имеют повышенный объем кэш-памяти. Основные характеристики микропроцессоров Pentium приведены в таблице 8.1. Эволюция развития МП Intel Pentium и их характеристики Pentium. Начал выпускаться фирмой Intel в марте 1993 г. Имеет разрядную адресную и разрядную внешнюю шины данных. Микропроцессор выполнен по 0,8-микрометровой технологии, имеет более 3 млн транзисторов и работает на тактовых частотах 60 и 66 МГц. Через год появилась следующая модель микропроцессора, выполненная по 0,5-, позднее по 0,35-микрометровой технологии. Впервые был применен раздельный 16-килобайтный кэш: 8 Кбайт для инструкций и 8 Кбайт для данных. Тактовая частота была в пределах 75—200 МГц, а тактовая частота системной шины — 50—66 МГц. 162 Таблица 8.1 Тип процессора Год начала выпуска Тактовая частота первого процессора Количество транзисторов на кристалле Размерность внутренних регистров Размерность внешней шины данных Максимальная адресуемая физическая память Размер внутреннего кэша 8086 1978 8 МГц 29 тыс. 16GP 16 1 Мбайт Нет Intel 286 1982 12,5 МГц 134 тыс. 16 GP 16 16 Мбайт Нет Intel 386 DX 1985 20 МГц 275 тыс. 32 GP 32 4 Гбайт Нет Intel 486 DX 1989 25 МГц 1,2 млн 32 GP 80FPU 32 4 Гбайт L1: 8 Кбайт Pentium 1993 60 МГц 3,1 млн 32 GP 80FPU 64 4 Гбайт L1: 16 Кбайт Pentium Pro 1995 200 МГц 5,5 млн 32 GP 80FPU 64 64 Гбайт L1: 16 Кбайт L2: 256 Кбайт или 512 Кбайт Pentium II 1997 266 МГц 7 млн 32 GP 80FPU 64 ММХ 64 64 Гбайт L1: 32 Кбайт L2: 256 Кбайт или 512 Кбайт Pentium III 1999 500–1000 МГц млн 32 GP 80FPU 64 ММХ 128 ХММ 64 64 Гбайт L1: 32 Кбайт L2: 512 Кбайт Pentium IV 2000 1–4 ГГц 42 млн 32 GP 80FPU 64 ММХ 128 ХММ 64 64 Гбайт L1: 16 Кбайт L2: 256, 512 Кбайт, до 8 Мбайт * GP — регистры общего назначения, FPU — регистры математического сопроцессора 162 163 Pentium MMX – это версия Pentium с дополнительными мультимедиа- инструкциями (добавлено 57 новых инструкций. Основа ММХ — технология обработки множественных данных одной инструкцией (Single Instruction Multiple Data, SIMD). Кэш-память увеличена до 32 Кбайт. Тактовая частота 166–233 МГц. Частота системной шины 66 МГц. Pentium Pro. Промышленный выпуск начался в ноябре 1995 г. Это процессор, разработанный для разрядных операционных систем. Впервые в микропроцессоре вместе с кэш-памятью L1 (здесь объемом 16 Кбайт) стали применять кэш-память второго уровня (L2), объединенную водном корпусе и оперирующую на частоте микропроцессора. Выпускался сначала по 0,5-, позднее по 0,35-микрометровой технологии и имел в своем составе более 5 млн транзисторов кэш-уровня L1 объемом 16 Кбайт. Кэш уровня L2 имел объем 256, 512, 1024 и 2048 Кбайт. Тактовая частота от 150 до 200 МГц. Четырехканальная параллельная обработка данных Частота системной шины 60—66 МГц. Pentium Pro поддерживал все инструкции процессора Pentium, кроме ММХ, а также ряд новых инструкций. Pentium II. Первая модель микропроцессора Pentium II впервые появилась в мае 1997 г. Процессоры линейки Pentium II изготавливались пои 0,25-микрометровой технологии. Диапазон тактовых частот от 233 до 533 МГц, дополнены ММХ-блоком. Pentium III. Изготавливались пои 0,13-микрометровой технологии, имеют расширенный набор ММХ (ММХ2), в основе которого лежит технология SSE (Streaming SIMD Extentions), где технология SIMD расширена на числа с плавающей запятой. Добавлены новые разрядные регистры. Каждый регистр может обрабатывать четыре числа с плавающей запятой. Усовершенствована технология поточного доступа к памяти, улучшающая взаимодействие между кэш-памятью L2 и оперативной памятью. Дополнительные инструкции называются инструкциями KNI (Katmai New Instruction). Внедрение KNI предназначено для ускорения работы графических приложений и игр. Тактовая частота от 450 до 1000 МГц и выше. 164 Pentium IV. Отличительной особенностью этих процессоров является наличие новой системы команд-инструкций, значительно ускоряющих обработку мультимедийной информации (видео, звука, графики, — SSE2, SSE3. Тактовые частоты достигают ГГц и выше. Двухядерные процессоры Intel Pentium С 2 имеют частоту системной шины 1066 МГц. 8.3. Память ПЭВМ Персональные компьютеры имеют четыре уровня памяти регистровая память (микропроцессорная память процессора (МПП)); кэш-память; основная память (ОЗУ и ПЗУ внешняя память (ВЗУ). Регистровая память процессора — самая быстродействующая регистровая память центрального процессора. Обеспечивает кратковременное хранение данных выполняемых команд. Кэш-память — высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОЗУ и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название кэш (cache), что в переводе с английского означает тайник. Кэш-память (Cache Memory) или сверхоперативная память (СОЗУ) для которой используются микросхемы статической памяти. Основное назначение кэш-памяти в компьютере — служить местом временного хранения обрабатываемых в текущий момент времени кодов программ и данных. В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы — быстрый доступ к этим данными позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из оперативной памяти с небольшим опережением, записываются в кэш-память. В кэш-память записываются и результаты операций, выполненных в МП. Кэш-память делится на уровни и, соответственно, для каждого уровня кэш- памяти используются свои, весьма различные по конструкции и быстродействию микросхемы. 165 Кэш первого уровня (L1) выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков килобайт. Кэш второго уровня (L2) находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровней работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора. Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких мегабайт, но работает она на частоте материнской платы. Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность системы. Кэш память использует элементы статической памяти. В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров схем с двумя устойчивыми состояниями «0» или «1». После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии при наличии питания неограниченно долго. Основная память в ПЭВМ подразделяется на ОЗУ и ПЗУ. ОЗУ (RAM – Random Access Memory) предназначено для хранения информации (программ и данных, непосредственно участвующей в вычислительном процессе в текущий интервал времени. ОЗУ — энергозависимая память при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется. Основу ОЗУ составляют микросхемы динамической памяти DRAM. Это большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов — полупроводниковых конденсаторов. Наличие заряда в конденсаторе обычно означает «1», отсутствие заряда — «0». Основной составной частью микросхемы ОЗУ (рис. 8.5) является массив элементов памяти (ЭП), объединенных в матрицу накопителя. Каждый ЭП может хранить бит информации и имеет свой адрес. ЗУ, позволяющие обращаться по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называются запоминающими устройствами с произвольным доступом. При матричной организации памяти реализуется координатный принцип адресации элементов памяти, в связи с чем адрес делится на две части (две координаты X и Y. На пересечении этих координат находится элемент памяти, чья информация должна быть прочитана или изменена. ОЗУ связано с остальным микропроцессорным комплектом ЭВМ через системную магистраль (СМ. По ШУ передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить. По ШД передается информация, записываемая в память или считываемая из нее. Регистр данных Регистр управления Регистр адреса Регистр Дешифратор Блок элементов памяти Дешифратор Х Регистр Х ... ОЗУ Шина данных СМ Шина управления СМ Шина адреса СМ Рис. 8.5. Структурная схема ОЗУ Отличие оперативной памяти от ВЗУ в том, что информация хранится в ней непостоянно, а временно. При выключении компьютера все содержимое оперативной памяти будет потеряно. Доступ к оперативной памяти осуществляется намного быстрее, чем к дисковой, время доступа жесткого диска составляет 8–10 миллисекунд мс, оперативная память обладает временем доступа 3–7 наносекунд. Оперативная память используется в самых разных устройствах ПК: от видеоплаты до лазерного принтера. Микросхемы оперативной памяти в этом случае могут принадлежать к совершенно разным модификациям, однако, все они относятся к типу динамической оперативной памяти (DRAM). Различают следующие типы оперативной памяти FPM DRAM; RAM EDO; BEDO DRAM; SDRAM; DDR SDRAM; DRDRAM. Основные характеристика типов памяти представлены в таблице 8.2. Таблица 8.2 Тип памяти Тактовая частота, МГц Разрядность шины, бит Пиковая пропускная способность, Мбайт/с FPM DRAM 33 32 132 EDO DRAM 50 32 200 SDRAM 66 64 528 SDRAM 100 64 800 SDRAM 133 64 1064 DRDRAM, 1 канал 600 16 1200 DRDRAM, 1 канал 800 16 1600 DRDRAM, 2 канала 600 16 2400 DRDRAM, 2 канала 800 16 3200 DRDRAM, 2 канала 1066 16 4300 DDR SDRAM 100 64 1600 DDR SDRAM 150 64 2400 DDR SDRAM II 100 64 3200 DDR SDRAM II 200 64 6400 На модули памяти наносится маркировка, в которой указывается пропускная способность канала модуль-процессор, например Р, Р, Р, которая рассчитывается как Пропускная способность (Мбайт/с) синхронизации (МГц) Разрядность шины (Бит) 8 Эта формула показывает, что производительность системы процессор-память можно увеличить, повысив тактовую частоту и увеличив разрядность шины данных. В настоящеевремя оперативная память выпускается в виде микросхем, собранных в специальные модули памяти. В настоящее время применяются модули оперативной памяти емкостью 256, 512 и 1024 Мб. На большинстве материнских плат сегодня установлено три или четыре разъема для установки модулей памяти. Желательно, чтобы модули при этом обладали одной и той же скоростью доступа и были выпущены одними тем же производителем. ПЗУ (ROM – Read Only Memory, память только для чтения) предназначено для хранения загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS). К ПЗУ относятся энергонезависимые постоянные запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ выполняется при наличии специального программатора. По технологии записи информации можно выделить ПЗУ следующих типов микросхемы, программируемые только при изготовлении (классические или масочные ПЗУ или ROM); микросхемы, программируемые однократно – программируемые ПЗУ (ППЗУ микросхемы, программируемые многократно – перепрограммируемые ПЗУ (РПЗУ). Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода- вывода (BIOS — Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера. Энергонезависимая память CMOS На материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, потех- нологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается вовремя выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии стем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой аккумуляторной батарейки, расположенной на материнской плате. В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Компьютер хранит реальное время и календарь (даже ив выключенном состоянии, это связано стем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS. Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны. Логическая структура основной памяти Структурно память ПЭВМ состоит из миллионов отдельных однобайтовых ячеек памяти. Общая емкость основной памяти современных ПК обычно лежит в пределах от нескольких килобайт до 1 Гбайта и более. Емкость ОЗУ превышает емкость ПЗУ ПЗУ занимает сотни Кбайт, остальной объем — это ОЗУ. Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес. Для ОЗУ и ПЗУ отводится единое адресное пространство. Адресное пространство определяет максимально возможное количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти, логически делится натри области рис. 8.6): область стандартной памяти (CMA); область верхней памяти (UMA); область расширенной памяти (HMA). Непосредственно адресуемая память Расширенная память (HMA) Стандартная память (СМА) Верхняя память (UMA) Высокая память 0–640 Кбайт 640–1024 Кбайт 1024–1088 Кбайт 1088–512 Мбайт Область служебных программ и данных ОС Служебная память область ПЗУ – BIOS Программы пользователей Рис. 8.6. Логическая структура основной памяти Прежде всего, основная память компьютера делится на две логические области непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024 Кбайт ячеек с адресами от 0 до 1024 Кбайт, и расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов или в защищенном режиме работы микропроцессора. Драйвер — специальная программа, управляющая работой памяти или внешними устройствами компьютера и организующая обмен информацией между МП, ОП и ВУ компьютера. Стандартная память (СМА, Conventional Memory Area,0–640 Кбайт) предназначена для хранения адресов программ обработки прерываний (векторов прерываний, 0–256 байт переменных базовой системы ввода-вывода; ядра операционной системы. Верхняя память (UMA, Upper Memory Area, от 640 К до 1 Мбайт, ее размер может быть равен 384 Кбайт ) – эта память зарезервирована для системных целей, участки UMA имеют различное назначение, они могут быть заполнены данными из буферной памяти адаптеров данными из постоянной памяти остаться незанятыми. В этой области содержатся видеопамять и постоянная память BIOS, а также могут размещаться дополнительные модули постоянной и оперативной памяти, конструктивно находящиеся в адаптерах ВУ. Расширенная память — память с адресами 1024 Кбайт и выше. В реальном режиме имеются два основных способа доступа к этой памяти по спецификации память ХМА — Х Memory Area); по спецификации EMS (память EMA — Expanded Memory Area). Доступ к расширенной памяти согласно спецификации XMS организуется при помощи специального драйвера (например, Х — eXtended Memory Manager) путем пересылки по мере необходимости отдельных полей ХМА в свободные области верхней памяти (UMA). Спецификация EMS (Expanded Memory Specification) является более ранней, согласно этой спецификации доступ реализуется непутем пересылки, а лишь путем отображения по мере необходимости отдельных полей Expanded Memory в свободные области верхней памяти. Отображение организуется путем динамического замещения адресов полей ЕМА в окнах UMA размером 64 Кбайт, разбитых на 16-килобайтовые страницы. В окне UMA хранится не обрабатываемая информация, а лишь адреса, обеспечивающие доступ к этой информации.Память, организуемая по спецификации EMS, носит название отображаемой. Поэтому сочетание слов Expanded Memory (ЕМ) иногда переносят как отображаемая память (хотя термин Expanded почти идентичен термину Extended и более точно переводится как расширенный, увеличенный. Для организации отображаемой памяти при работе в реальном режиме процессора необходим драйвер ЕММ.ЕХЕ (Expanded Memory Manager). Отображаемая память медленная и поэтому она постепенно уступает место Extended Memory. В реальном режиме расширенная память может быть использована главным образом для хранения данных и некоторых программ ОС. Часто расширенную память используют для организации виртуальных (электронных) дисков. Исключение составляет НМА, которая может адресоваться и непосредственно при использовании драйвера HIMEM.SYS (High Memory Manager). Область НМА может использоваться для хранения любой информации, в том числе и программ пользователя. |