Закон Мура
 Скачать 467.18 Kb.
|
|
Аппаратные средства Процессоры 1 Процессор Опр. Процессор (processor) – аппаратный компонент, выполняющий команды на машинном языке. 2 Центральный процессор Опр. Центральный процессор (Central Processing Unit, CPU) – процессор, ответственный за общие вычисления в компьютере. 3 Сопроцессор Опр. Сопроцессор (coprocessor) – специализированный процессор, разработанный для выполнения ограниченного набора команд специального назначения. 4 Сопроцессоры • Графический сопроцессор (graphics coprocessor) – для трехмерной обработки изображений • Цифровой процессор сигналов (Digital Signal Processor, DSP) – для преобразования цифрового сигнала в аналоговый аудисигнал 5 Такт Опр. Такт (cycle) – один полный период электрического сигнала. 6 Тактовая частота Опр. Тактовая частота (clock frequency) – количество тактов, генерируемых в секунду. Определяет частоту работы устройства (напр., процессора, памяти и шины). Эта величина может быть использована системой для измерения времени. Измеряется в герцах, 1 Гц = 1 такт / сек, 1 ГГц = 10 9 Гц 7 Число транзисторов в процессорах Intel 8 Закон Мура • Закон Мура (Moor’s law) – число транзисторов в процессоре с каждым годом удваивается – “Cramming More Components onto Integrated Circuits”, 1965 год – Гордон Мур, почетный председатель совета директоров, соучредитель корпорации Intel • В 2000-х годах рост тактовой частоты отстает от экспоненциального роста числа транзисторов в процессорах 9 Компоненты процессора 10 Арифметико-логическое устройство (Arithmetic and Logic Unit, ALU) – компонент процессора, который выполняет основные арифметические и логические операции. 11 Регистры (registers) – быстрая память, расположенная в процессоре, в которой хранятся данные, непосредственно обрабатываемые процессором. 12 Операционный блок (execution unit) – компонент процессора, объединяющий арифметико- логическое устройство и регистры. 13 Блок выборки команд (instruction fetch unit) – компонент процессора, который загружает команды из кэша команд, чтобы они могли быть дешифрованы и выполнены. 14 Дешифратор команд (instruction decode unit) – интерпретирует команды, осуществляет ввод необходимых данных в операционный блок и генерирует управляющие сигналы, заставляя процессор выполнять команды. 15 Ядро (kernel) – компонент процессора, объединяющий операционный блок, дешифратор команд и блок выборки команд. 16 Кэш-память (cache memory) – быстродействующая, дорогая и малая по объему память, в которой хранятся копии данных и команд для ускорения доступа к ним. 17 Кэш-память первого уровня (L1) – самые быстрые дорогие и наименьшие по объему блоки кэш- памяти, расположенные в процессоре. 18 Кэш-память второго уровня (L2) – менее быстрые и дорогие, большие по объему блоки кэш-памяти, расположенные либо в процессоре, либо на материнской плате. 19 Регистры процессора • Регистры общего назначения • Управляющие регистры – Счетчик команд – Указатель стека – Слово состояния процессора – … 20 Регистры общего назначения Опр. Регистры общего назначения (general-purpose registers) – регистры, которые могут быть использованы процессором для хранения данных и значений указателей пользовательских процессов. 21 Регистры общего назначения • К регистрам общего назначения имеют доступ процессы пользователя • Intel Pentium имеет 16 регистров общего назначения по 32 бита в каждом регистре • К управляющим регистрам имеют доступ только компоненты операционной системы 22 Счетчик команд Опр. Счетчик команд (Program Counter, PC) – управляющий регистр, содержащий адрес следующей, стоящей в очереди на выполнение команды. После того, как команда выбрана из памяти, регистр команд корректируется и указатель переходит к следующей команде. 23 Указатель стека Опр. Указатель стека (Stack Pointer) – управляющий регистр, содержащий адрес вершины стека в памяти. 24 Стек Опр. Стек (stack) – область памяти, содержащая по одной области данных для каждой процедуры, которая уже начала выполняться, но еще не закончена. В стековой области данных процедуры хранятся ее входные параметры, локальные и временные переменные, не хранящиеся в регистрах. 25 Слово состояния процессора Опр. Слово состояния процессора (Processor Status Word, PSW) – управляющий регистр, содержащий бит режима работы процессора: пользовательский режим, или режим ядра. 26 Пользовательский режим Опр. Пользовательский режим (user mode) – режим работы процессора, в котором доступно лишь ограниченное число из системы команд. В этом режиме процессам не позволяется обращаться непосредственно к системным ресурсам. Опр. Система команд (instruction set) – набор машинных команд, которые процессор способен выполнить. 27 Режим ядра Опр. Режим ядра (kernel mode) – режим работы процессора, в котором доступны все команды, в том числе привилегированные. Они выполняют операции, обладающие доступом к защищенным системным ресурсам (напр., переключение процессора с процесса на процесс, или обращение к дисковому накопителю). 28 Вопрос для самопроверки • Может ли процессор выполнить одну команду за один такт? (Да/Нет) 29 Вопрос для самопроверки • Может ли процессор выполнить одну команду за один такт? (Да/Нет) • Нет. Это обусловлено архитектурой процессора. Кроме того, команды после дешифрования часто представляют собой последовательность инструкций. 30 Вопрос для самопроверки • Верно ли, что кэш-память первого уровня имеет меньший объем, чем кэш- память второго уровня? (Да/Нет) 31 Вопрос для самопроверки • Верно ли, что кэш-память первого уровня имеет меньший объем, чем кэш- память второго уровня? (Да/Нет) • Да. Кэш-память первого уровня расположена ближе к ядру, более быстрая и дорогая, но меньшая по объему, чем кэш-память второго уровня. 32 Методы повышения производительности процессоров Аппаратные средства 33 Основные методы повышения производительности процессоров • Конвейерная обработка данных • Суперскалярная архитектура • Многоядерная архитектура 34 Конвейерная обработка данных Узел выбора команды Узел декодирования команды Узел выборки операндов Узел выполнения команды Команда n+3 Команда n+2 Команда n+1 Команда n • IBM 7030, начало 1960-х годов • Одновременно выполняются инструкции нескольких команд • В течение одного такта на каждом узле выполняется одна инструкция • С началом каждого такта инструкции передвигаются к следующему узлу 35 Суперскалярная архитектура Узел выбора команды Узел декодирования команды и выборки операндов Узел выбора команды Узел декодирования команды и выборки операндов Узел выполнения команд Real Узел выполнения команд Integer Узел выполнения команд Boolean Буфер хранения команд • Intel Pentium • За один такт считывается несколько команд • Специализированные выполняющие узлы для различных операций • Когда узел выполнения освобождается, он считывает из буфера команду, которую он может выполнить и выполняет ее 36 Многоядерная архитектура • Intel Core • Множество вычислительных ядер на одном процессорном кристалле • Параллельно может выполнятся несколько потоков команд Одноядерный процессор L2 Ядро L1 L1 Интерфейс шины Многоядерный процессор Ядро 1 L1 L1 Ядро N L1 L1 … L2 Интерфейс шины 37 Вопрос для самопроверки • Конвейерная обработка данных впервые была реализована в процессорах Intel Pentium? (Да/Нет) 38 Вопрос для самопроверки • Конвейерная обработка данных впервые была реализована в процессорах Intel Pentium? (Да/Нет) • Нет. Конвейерная обработка данных впервые была реализована в начале 1960- х в ЭВМ IBM 7030. 39 Вопрос для самопроверки • Должна ли быть выполнена считанная команда процессором с конвейерной обработкой данных, если в предыдущей команде был принят условный переход? (Да/Нет) 40 Вопрос для самопроверки • Должна ли быть выполнена считанная команда процессором с конвейерной обработкой данных, если в предыдущей команде был принят условный переход? (Да/Нет) • Да. Это основная проблема, которую должна устранять операционная система для компьютера с конвейерной обработкой данных. 41 Вопрос для самопроверки • Гарантирует ли многоядерная архитектура процессора увеличение производительности? (Да/Нет) 42 Вопрос для самопроверки • Гарантирует ли многоядерная архитектура процессора увеличение производительности? (Да/Нет) • Нет. Многоядерная архитектура процессора обеспечивает увеличение производительности системы, только в случае, если программное обеспечение реализует параллельное выполнение вычислительных потоков. 43 Память Аппаратные средства 44 Иерархия памяти 45 Основная память Опр. Основная память (main memory) – энергозависимая память, в которой хранятся команды и данные; это самая медленная память в системной иерархии, к которой процессор может обращаться непосредственно. 46 Память с произвольной выборкой Опр. Память с произвольной выборкой (Random Access Memory, RAM) – память, доступ к содержимому которой может осуществляться в произвольном порядке. Пр. Кэш память первого и второго уровня, основная память. 47 Вторичное запоминающее устройство Опр. Вторичное запоминающее устройство (secondary storage) – память, которая, как правило, используется для долговременного хранения больших объемов данных и программ. Пр. Дисковый накопитель, CD, DVD. 48 Устройство блочного ввода/вывода Опр. Устройство блочного ввода/вывода (block device) – устройство, которое передает данные группами байтов (как правило, от сотни байт до десятков килобайт). Пр. Дисковый накопитель, CD, DVD. 49 Третичное запоминающее устройство Опр. Третичное запоминающее устройство (tertiary storage) – память, которая, как правило, используется для архивирования данных и программ. Пр. Накопитель на магнитной ленте. 50 Защита памяти Опр. Защита памяти (memory protection) – механизм, препятствующий процессам в получении доступа к основной памяти, используемой другими процессами, или операционной системой. 51 Ограничительный регистр Опр. Ограничительный регистр (bounds register) – управляющий регистр центрального процессора, который хранит информацию о диапазоне адресов, доступных активному процессу. 52 Виртуальная память Опр. Виртуальная память (virtual memory) – концепция, позволяющая решить проблему ограниченной емкости основной памяти за счет предоставления каждому процессу виртуального адресного пространства (большего, чем основная память) для хранения данных и исполняемых инструкций. Пр. Файл обмена (swap file) на дисковом накопителе. 53 Физический адрес Опр. Физический адрес (real address) – адрес ячейки в оперативной памяти. 54 Виртуальный адрес Опр. Виртуальный адрес (virtual address) – адрес, по которому процесс обращается к системе виртуальной памяти; виртуальные адреса динамически преобразуются в физические в ходе выполнения программ. 55 Устройство управления памятью Опр. Устройство управления памятью (Memory Management Unit, MMU) – специализированное аппаратное устройство, выполняющее, в частности, трансляцию виртуальных адресов в физические. 56 Вопрос для самопроверки • Верно ли, что схема иерархии памяти имеет вид пирамиды? (Да/Нет) 57 Вопрос для самопроверки • Верно ли, что схема иерархии памяти имеет вид пирамиды? (Да/Нет) • Да. Если запоминающее устройство дешевле, пользователь может позволить себе купить такое устройство большей емкости, следовательно емкость памяти увеличивается. 58 Вопрос для самопроверки • Используют ли процессы пользователя физические адреса? (Да/Нет) 59 Вопрос для самопроверки • Используют ли процессы пользователя физические адреса? (Да/Нет) • Нет. Процессы используют виртуальные адреса. Трансляцию виртуальных адресов в физические осуществляет устройство управления памятью (MMU). 60 Прямой доступ к памяти Аппаратные средства 61 Прерывание Опр. Прерывание (interrupt) – аппаратный сигнал, сообщающий о наступлении определенного события. 62 Программируемый ввод/вывод Опр. Программируемый ввод/вывод (Programmed I/O, PIO) – реализация ввода/вывода для устройств, которые не поддерживают прерывания и в которых передача каждого слова в память (или обратно) должна контролироваться процессором. PIO применялся в ранних системах. 63 Прямой доступ к памяти Опр. Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, DMA) – механизм передачи данных с внешнего устройства в основную память (или обратно) посредством контроллера ввода/вывода, требующий только прерывания процессора по окончании передачи данных. 64 1. Процессор посылает запрос ввода/вывода контроллеру ввода/вывода, который в свою очередь посылает запрос диску. Процессор продолжает выполнять инструкции. 65 2. Диск передает данные контроллеру ввода/вывода; данные размещаются в ячейке памяти с адресом, указанным командой прямого доступа к памяти. 66 3. Диск посылает процессору прерывание для уведомления его о завершении выполнения операции ввода/вывода. 67 Вопрос для самопроверки • Обладает ли прямой доступ к памяти преимуществом перед программируемым вводом/выводом? (Да/Нет) 68 Вопрос для самопроверки • Обладает ли прямой доступ к памяти преимуществом перед программируемым вводом/выводом? (Да/Нет) • Да. В системах, использующих PIO, процессор ожидает в состоянии простоя завершения каждой операции обмена данными внешних устройств с памятью. DMA позволяет процессору выполнять программные инструкции во время операции ввода/вывода. 69 Вопрос для самопроверки • Используются ли прерывания для реализации программируемого ввода/вывода? (Да/Нет) 70 Вопрос для самопроверки • Используются ли прерывания для реализации программируемого ввода/вывода? (Да/Нет) • Нет. Прерывания используются для реализации прямого доступа к памяти. Диск посылает процессору прерывание для уведомления его о завершении выполнения операции ввода/вывода. 71 Начальная загрузка Аппаратные средства 72 Базовая система ввода/вывода Опр. Базовая система ввода/вывода, БИОС (Basic Input/Output System, BIOS) – программные средства низкого уровня, которые контролируют инициализацию операционной системы и управление основными аппаратными средствами. 73 Загрузочный сектор Опр. Загрузочный сектор (boot sector) – определенное место на диске, где хранятся начальные команды (загрузчик) операционной системы; БИОС выдает указания аппаратным средствам загружать эти начальные команды при включении компьютера. 74 1. БИОС собирает информацию об аппаратных средствах и приводит систему в исходное состояние. 75 2. БИОС загружает загрузчик операционной системы (bootstrapped code) из загрузочного сектора в основную память. 76 3. Процессор выполняет код начальной загрузки (bootstrapped code). 77 4. Загрузчик операционной системы загружает операционную систему с диска в основную память. 78 Технология Plug-and-Play • Упрощает установку драйверов и настройку аппаратных средств при наличии PnP BIOS • PnP устройства могут определять необходимый драйвер и позволять ОС использовать его для настройки устройства • PnP устройство можно подключать к работающему компьютеру и немедленно использовать 79 Вопрос для самопроверки • Должна ли ОС препятствовать процессам пользователя в получении доступа к загрузочному сектору? (Да/Нет) 80 Вопрос для самопроверки • Должна ли ОС препятствовать процессам пользователя в получении доступа к загрузочному сектору? (Да/Нет) • Да. Если бы пользователь был наделен возможностью доступа к загрузочному сектору, то он мог бы изменить код операционной системы, что привело бы систему в негодность. 81 Вопрос для самопроверки • Является ли BIOS частью операционной системы? (Да/Нет) 82 Вопрос для самопроверки • Является ли BIOS частью операционной системы? (Да/Нет) • Нет. BIOS записывается в постоянное запоминающее устройство до инсталляции на компьютер операционной системы и может обеспечивать работу различных операционных систем. 83 Шины Аппаратные средства 84 Шина Опр. Шина (bus) – совокупность проводников, образующих высокоскоростной канал связи для обмена данными между различными устройствами на материнской плате. 85 Контроллер Опр. Контроллер (controller) – аппаратный компонент, который управляет доступом устройства к шине. 86 Некоторые компоненты персонального компьютера 87 Структура системы Pentium 88 Вопрос для самопроверки • Влияет ли разрядность шины на производительность системы? (Да/Нет) 89 Вопрос для самопроверки • Влияет ли разрядность шины на производительность системы? (Да/Нет) • Да. Разрядность шины определяет объем данных, которым могут обмениваться основная память и процессор за один такт. Если процессор генерирует запросы на большее количество данных, чем можно передать за один такт, то это приводит к задержке работы процессора. 90 Вопрос для самопроверки • Способствовало ли использование шины и контроллеров реализации принципа открытой архитектуры IBM PC? (Да/Нет) 91 Вопрос для самопроверки • Способствовало ли использование шины и контроллеров реализации принципа открытой архитектуры IBM PC? (Да/Нет) • Да. Открытая архитектура обеспечивает легкую замену и установку новых устройств IBM PC, в том числе, благодаря использованию шины и контроллеров. 92 |