Лабораторная работа 6 Процессор Теоретическая часть Процессор
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
Лабораторная работа № 6 Процессор Теоретическая часть Процессор Персональная электронная вычислительная машина (ПЭВМ) — это комплекс различных устройств, каждое из которых выполняет свойственные ему функции под управлением своего контроллера параллельно с процессором и другими такими же активными устройствами. Инициирует, организует и контролирует эту работу процессор. Процессор (микропроцессор) — центральное обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к ОЗУ, внешним накопителям, периферийным устройствам и для управления ходом вычислительного процесса. Центральный процессор выполняет следующие функции: ■ выборка команд из ОЗУ; ■ декодирование команд; ■ выполнение операций, закодированных в командах; ■ управление пересылкой информации между своими регистрами и ОЗУ; ■ обработка прерываний. Основные характеристики процессора: ■ разрядность — количество двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или пересылаться процессором одновременно; ■ тактовая частота — количество тактов, равное количеству элементарных действий, которое совершает процессор в секунду. Характеристики процессоров обусловливаются целым набором параметров: технология производства; архитектура и тактовая частота; количество и разрядность регистров; система команд; размерность шин; объем встроенной кэш-памяти, напряжение питания, рабочая температура и тип корпуса. В центральных процессорах ПЭВМ используются CISC- процессоры (процессоры с полной системой команд и с аппаратной реализацией отдельных операций). В основе всех настоящих и будущих процессоров для ПЭВМ остается система команд (машинный код) первых 32-разрядных процессоров: процессора Intel 80386 (центральный) и сопроцессора Intel 80387 (математический), или, как их еще называют, х86- процессоров, для которых и разрабатывалось все известное программное обеспечение. В качестве дополнительных команд используются SIMD- расширения (Single Instruction Multiple Data — одна инструкция над множеством данных), предназначенные для обработки звуковых сигналов, видеосигналов и телекоммуникационной информации, для ускорения обработки трехмерной графики и других интенсивных вычислений. Процессорное ядро (или просто ядро) — это конкретное аппаратное воплощение архитектуры процессора в кристалле СБИС, являющееся стандартом для целой серии совместимых процессоров и обладающее определенным набором строго обусловленных характеристик: тактовой частотой, объемами кэш первого и второго уровней, количеством регистров, АЛУ и т. д. Термин «архитектура ядра» означает совместимость современных микропроцессоров (МП) с общепринятой системой команд и совокупность аппаратных решений, присущих определенной группе процессоров разных производителей. Повышение производительности МП достигается, в частности, за счет использования многоуровневой кэш-памяти, которая является «составным буфером» ядра процессора, служащим для увеличения скорости обмена с ОЗУ. Кэш первого уровня (К1) разделяется на две равные аппаратные части с независимыми шинами: кэш инструкций (К1И), в которую поступают только команды для последующего декодирования, и кэш данных (К1Д), в которую поступают только данные, предназначенные для внутренних регистров процессора. Кэш второго уровня (К2) содержит в себе весь объем данных, находящихся в К1И и К1Д, и по объему памяти всегда больше, чем К1: у современных процессоров объем К2 достигает 2 Мбайт, а объем К1 не превышает 128 Кбайт. В современных МП уровни кэш-памяти функционируют на той же частоте, что и процессорное ядро, за счет чего скорость обмена информацией по внутренней шине кэш второго уровня может быть более чем на порядок выше скорости обмена процессора с ОЗУ по внешней шине FSB. Использование двух независимых шин (внутренней шины кэш второго уровня и внешней шины FSB) позволяет ядру получить одновременный доступ к их данным и повысить пропускную способность процессора в несколько раз. Для преобразования машинных команд во внутреннюю систему элементарных микрокоманд, исполняемых ядром, используется декодирующий блок—-декодер. Команды считываются из К2, при необходимости подвергаются декодированию и в виде последовательности микрокоманд помещаются в К1И. Если команда исполняется повторно, то ее не приходится снова декодировать. Для повышения производительности процессора служат блок предсказания переходов и блок предвыборки данных. Первый определяет, есть ли в обрабатываемом декодером блоке команды перехода, будут ли эти переходы совершены и по каким адресам, а второй компенсирует задержки при обращении к ОЗУ за счет опережающей загрузки ранее востребованных данных в кэш второго уровня. Реализацию параллельного и внеочередного выполнения команд, поступающих из декодера, осуществляет блок конвейера микрокоманд, представляющий собой буфер, в котором хранятся микрокоманды, упорядоченные по времени исполнения. Для параллельного выполнения нескольких команд в процессорах используют разное количество однотипных функциональных (исполняющих) устройств: арифметико-логические устройства и блоки вычислений с плавающей запятой. 64-разрядные АЛУ оперируют с целыми числами, выполняя арифметические действия (сложение, вычитание, умножение и деление) и логические операции (ИЛИ, И, НЕ и их комбинации). Как правило, АЛУ функционирует на тактовой частоте, вдвое превышающей тактовую частоту ядра. 128-разрядные блоки вычислений работают с числами с плавающей запятой и выполняют дополнительные наборы команд SIMD. Разрядность ядра определяют внутренние физические регистры, которые используются в процессе вычислений. В регистрах хранятся промежуточные результаты выполнения микроопераций, через них проходят все данные и микрокоманды, поступающие на исполнение, осуществляется передача адресов доступа к внутренней и системной памяти ПЭВМ. Внешнюю производительность процессора определяет частота шины данных. Частота ядра Ея, т. е. внутренняя тактовая частота процессора, задается произведением частоты шины FSB F„, подаваемой с системной платы на формирователь xF (встроенный множитель тактовой частоты), на его внутренний коэффициент умножения, который может составлять 3,5; 4; 4,5; 5 и более. Дальнейшее наращивание тактовой частоты с обеспечением нормального теплового режима СБИС становится практически невозможным. Проблема повышения производительности МП в настоящее время решается за счет перехода на многоядерные структуры; при этом уменьшается или сохраняется тактовая частота на достигнутом уровне и поддерживается стабильное энергопотребление. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. (для всех) 1. Дайте определение процессора. 2. Назовите основные функции центрального процессора. 3. Назовите характеристики центрального процессора. 4. Чем обусловливаются характеристики процессоров? 5.Что лежит в основе процессоров для ПЭВМ? 6. Для чего разработаны SIMD-расширения? 7. Объясните понятие «процессорное ядро». 8. Что означает термин «архитектура ядра»? 9. Каково назначение кэш-памяти? Задание. 1. С помощью программы MS Word создайте документ под именем «Процессор». 2. В верхнем углу документа укажите свою фамилию и имя, в нижнем — «Процессор». 3. Выполните в этом документе последующие пункты 3, 4, 6, 7. 4. С помощью сети Интернет выберите три процессора разных производителей для настольной ПЭВМ с заданными в одном из вариантов техническими характеристиками. Вариант 1 (Акилов, Васенин, Квасов, Митрофанов Рыженко, Степанов, Черников). Тактовая частота — не меньше 2,5 ГГц; частота шины — не меньше 600 МПд; объем кэш-памяти 1-го уровня — 32 Кбайт; объем кэш-памяти 2-го уровня — не меньше 500 Мбайт. Вариант 2 (Андреев, Войтов, Кононко, Плаксин, Садовнич, Тихонов). Тактовая частота — не меньше 3,0 ГТц; частота шины — не меньше 800 МГц; объем кэш-памяти 1-го уровня — 32 Кбайт; объем кэш-памяти 2-го уровня — не меньше 2 Мбайт. Вариант 3 (Бондаренко, Гаврилов, Костин, Помыткин, Санников, Травников). Двухъядерный процессор; тактовая частота— не меньше 2,0 ГГц; частота шины — не меньше 1 000 МГц; объем кэш- памяти 1-го уровня — 64 Кбайт; объем кэш-памяти 2-го уровня — не меньше 4 Мбайт. Вариант 4 (Брижак, Земсков, Маланий, Прияцелюк, Стась, Федяков). Четырехъядерный процессор; тактовая частота — не меньше 3,0 ГТц; частота шины — больше 1 000 МГц; объем кэш- памяти 1-го уровня — 64 Кбайт; объем кэш-памяти 2-го уровня — не меньше 4 Мбайт. Вариант 5. Двухъядерный процессор; тактовая частота — не меньше 1,5 ГГц; частота шины — не меньше 700 МГц; объем кэш- памяти 1-го уровня — 64 Кбайт; объем кэш-памяти 2-го уровня — не меньше 2 Мбайт. 5. В документе «Процессор» введите заголовок «Модели современных процессоров», под которым приведите отчет о выполнении пункта 4 по приведенному далее образцу. Примерный вид отчета о выполнении задания 4 (вариант 5)   КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1 вариант (Акилов, Васенин, Квасов, Митрофанов Рыженко, Степанов, Черников) 1. Дайте определение процессора. 2. Назовите основные функции центрального процессора. 3. Каково назначение многоуровневой кэш-памяти? 4. Какую функцию выполняет конвейер микрокоманд? 5.Как задается тактовая частота ядра? 6. По наименованию процессора в прайс-листе выпишите его характеристики: а) процессор CPU Intel Celeton D 326 2,53 GHZ (533 MHZ, 256 KB, S775) OEM; б) процессор CPU Intel Core 2 Duo E6420 2,13 GHZ (1066 MHZ, 4 MB, 65 nm, EM64T, VT) BOX. 2 вариант (Андреев, Войтов, Кононко, Плаксин, Садовнич, Тихонов) 1. Перечислите параметры, определяющие характеристики про- цессоров. 2. Объясните понятие «процессорное ядро». 3. Почему скорость обмена информацией по внутренней шине процессора значительно выше скорости обмена по шине FSB? 4. Для чего предназначен декодер? 5. Что представляют собой функциональные устройства? 6. По наименованию процессора в прайс-листе выпишите его характеристики: а) процессор CPU Intel Celeton D 331 2,66 GHZ (533 MHZ, 256 KB, S775) OEM; б) процессор CPU Intel Core 2 Duo E2160 1,8 GHZ (800 MHZ, 1 MB, Conroe) BOX. 3 вариант (Бондаренко, Гаврилов, Костин, Помыткин, Санников, Травников) 1. Назовите характеристики центрального процессора. 2. Что означает термин «архитектура ядра»? 3. Что позволило повысить пропускную способность процессора в несколько раз? 4. Какую функцию выполняет предсказатель переходов? 5. Для чего предназначены регистры? 6. По наименованию процессора в прайс-листе выпишите его характеристики: а) процессор CPU Intel Pentium 651 (3,4 GHZ) 2 MB 800 MHZ LGA775BOX; б) процессор CPU Intel Core 2 Duo Quad 0X6850 Extreme 3,0 GHZ (1333 MHZ, 8 MB, Kents field, S775) BOX. 4 вариант (Брижак, Земсков, Маланий, Прияцелюк, Стась, Федяков) 1. Какие процессоры используются в ПЭВМ? 2. Для чего разработаны SIMD-расширения? 3. Что служит для увеличения скорости обмена процессора с ОЗУ? 4. Для чего служит блок предвыборки данных? 5. Что определяет внешнюю производительность процессора? 6. По наименованию процессора в прайс-листе выпишите его характеристики: а) процессор CPU Intel Pentium 641 (3,2 GHZ) 1 MB, 800 MHZ, LGA775 BOX; б) процессор CPU Intel Core 2 Duo E4300 1,8 GHZ (800 MHZ, 2 MB, Allendale) OEM. |