Прерывания

МОУ "Гимназия №7 г. Брянска
имени Героя России С.В. Василёва"
Научная работа по информатике
Тема:
"Процессоры PC"
Выполнил:
Ученик 11 «Б» класса
Трошанин Георгий
Руководитель: Петроченко В.И.
Брянск 2010 г.
Содержание
I.
Основные понятия процессора ………………………….
1) Понятие процессора …………………………………….
2) Принципиальная схема ………………………………..
II. Основные характеристики процессора …………….
III. Прерывания …………………………………………………………
1) События прерываний …………………………………..
a) Аппаратные прерывания …………………….
b) Программные прерывания …………………
c) Исключения ………………………………………….
IV. Архитектура процессора …………………………………….
1) CISC, RISC ……………………………………………………….
2) Кэш-память и ее уровни ……………………………….
3) Конвейеры …………………………………………………….
V. Современные процессоры ………………………………….
1) Семейство Intel ……………………………………………..
2) Семейство AMD …………………………………………….
3) Сравнительное тестирование ………………………
a) Методика тестирования ………………………
b) Процессоры тестирования …………………..
c) Тестовый стенд …………………………………….
d) Тестирование программ ………………………
-2-
3
4
5
8
9
11
12
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Основные понятия процессора
Процессор - центральное устройство или комплекс устройств
ЭВМ, или вычислительной системы, которое выполняет
арифметические и логические операции, заданные программой
преобразования информации, управляет вычислительным
процессом и координирует работу устройств системы
(запоминающих, сортировальных, ввода — вывода, подготовки
данных и др.).
В вычислительной системе
может быть несколько параллельно
работающих процессоров
(многопроцессорные системы).
Наличие нескольких процессоров
ускоряет выполнение одной большой
или нескольких (в том числе
взаимосвязанных) программ.
-3-
Принципиальная схема
Управляющий блок:
Управляет работой всех блоков процессора.
Арифметико-логический блок:
Выполняет арифметические и логические вычисления.
Регистры:
Блок хранения данных и промежуточных результатов вычислений внутренняя оперативная память процессора.
Блок декодировки:
Преобразовывает данные в двоичную
систему.
Блок предварительной выборки:
Получает команду от устройства
(клавиатура и т.д.) и запрашивает
инструкции в системной памяти.
Блок шины:
Служит для ввода и вывода информации.
Кэш-память 1-го уровня:
Хранит часто использующиеся инструкции и данные.
Кэш-память 2-го уровня:
Хранит часто использующиеся данные.
-4-
Характеристики процессора
Основными характеристиками процессора являются:




Быстродействие
Тактовая частота
Разрядность
Объем кэш-памяти 1-го и 2-го уровня
Быстродействие процессора
Количество операций, производимых в 1 секунду, измеряется
в бит/сек. Каждая последующая модель имеет более высокую
производительность по сравнению с предыдущей. Современные
процессоры обладают расширением
ММХ (Mult iMediaeXtention –
расширение мультимедиа).
-5-
Тактовая частота процессора
Количество тактов, производимых процессором за 1 секунду.
Операции, производимые процессором, не являются
непрерывными, они разделены на такты.
Эта характеристика определяет скорость выполнения
операций и непосредственно влияет на производительность
процессора.
-6-
Разрядность процессора
Разрядность процессора определяется разрядностью его
регистров.
Компьютер может оперировать одновременно ограниченным
набором единиц информации. Этот набор зависит от разрядности
внутренних регистров. Разряд — это хранилище единицы
информации.
За один рабочий такт компьютер может обработать
количество информации, которое может поместиться в регистрах.
Если регистры могут хранить 8 единиц информации, то они 8разрядные, и процессор 8-разрядный, если регистры 16разрядные, то и процессор 16-разрядный и т.д. Чем большая
разрядность процессора, тем большее количество информации он
может обработать за один такт, а значит, тем быстрее работает
процессор.
Объем кэш-памяти процессора
Объем кэш-памяти 1-го и 2-го уровня также влияет на
производительность процессора.
В процессоре Pentium III кэш-память 1-го уровня составляет16 Кб,
кэш-память 2-го уровня 256 Кб.
В процессорах Pentium 4 кэш-память 1-го уровня для данных имеет
объем 8 Кб, кэш-память 1-го уровня для команд рассчитан на 12000
инструкций в порядке их исполнения, а объем кэш-памяти 2-го
уровня составляет 512 Кб.
-7-
Прерывания
Прерывание (от англ. interrupt) - это прекращение
выполнения текущей команды или текущей последовательности
команд для обработки некоторого события специальной
программой – обработчиком прерывания, с последующим
возвратом к выполнению прерванной программы.
Прерывание используется для быстрой реакции процессора
на особые ситуации, возникающие при выполнении программы и
взаимодействии с внешними устройствами.
События прерываний
-8-
Аппаратные прерывания
Аппаратные прерывания (англ. hardware interrput) – это сигнал
от любого устройства системы для процессора, который по этому
сигналу должен обслужить данное устройство.
-9-
Маскируемые аппаратные прерывания
Прерывания, генерируемые сигналом NMI#, называют
немаскируемыми аппаратными прерываниями. Немаскируемые
прерывания не блокируются флагом IF. Пока выполняется
обработчик немаскируемого прерывания, процессор блокирует
получение немаскируемых прерываний до выполнения инструкции
IRET, чтобы исключить одновременную обработку нескольких
немаскируемых прерываний.
Немаскируемые аппаратные прерывания
Прерывания, генерируемые сигналом NMI#, называют
немаскируемыми аппаратными прерываниями. Немаскируемые
прерывания не блокируются флагом IF. Пока выполняется
обработчик немаскируемого прерывания, процессор блокирует
получение немаскируемых прерываний до выполнения инструкции
IRET, чтобы исключить одновременную обработку нескольких
немаскируемых прерываний.
- 10 -
Программные прерывания
Программные прерывания (англ. software interrput) создаются
программами BIOS или DOS для вызова необходимых сервисных
подпрограмм для проведения операций ввода/вывода. Они
вызываются командой int с числовым аргументом, который
рассматривается процессором, как номер вектора прерывания.
Уровни программных прерываний
 BIOS-прерывания. Одно из главных назначений BIOSпрерываний - обеспечение корректного (с точки зрения
совместимости) доступа к аппаратуре со стороны
операционной системы и пользовательской программы.
 DOS-прерывания. Роль DOS-прерывания заключается в
обеспечении доступа пользовательских программ к
системным ресурсам.
 Пользовательские прерывания - это такие прерывания,
которые нужны пользователю для создания собственных
обработчиков прерываний и не используют никакие из
существующих векторов прерываний DOS за исключением
официально разрешенных: с INT 60 по INT 67.
- 11 -
Исключения прерываний
Исключения являются для процессора внутренними
событиями и сигнализируют о каких-либо ошибочных условиях при
выполнении той или иной инструкции.
Исключения процессора, в зависимости от способа генерации
и возможности рестарта вызвавшей исключение, команды
подразделяются на:
o Ошибки
o Ловушки
o Аварии
- 12 -
Ошибки
Ошибка (отказ, нарушение) - это исключение, которое
обнаруживается либо перед исполнением, либо во время
исполнения команды. При этом процессор переходит в состояние,
позволяющее осуществить рестарт команды. В качестве адреса
возврата в стек обработчика заносится адрес вызвавшей
исключение команды
Ловушки
Ловушка возникает на границе команд сразу же после
команды, вызвавшей это исключение. Значения регистров CS и EIP,
заносимые в стек обработчика, указывают на очередную команду.
Например, если ловушка сработала на команде JMP, то в стеке
запоминаются значения регистров CS и EIP, указывающие на ссылку
команды JMP.
В некоторых случаях для ловушек и нарушений невозможен
рестарт команды, например, если один из операндов расположен
ниже текущего указателя стека, т.е. по адресу памяти меньшему,
чем вершина стека.
Аварии
Авария не позволяет осуществить рестарт программы, и
зачастую нельзя точно локализовать команду, вызвавшую это
исключение. Исключения типа "авария" генерируются при
обнаружении серьезных ошибок, таких как неразрешенные или
несовместимые значения в системных таблицах или аппаратные
сбои.
- 13 -
Архитектура процессора
Архитектура процессора – с точки зрения программистов, это
способность процессора выполнять набор машинных кодов. Но
разработчики компьютерных составляющих придерживаются
другой трактовки понятия «архитектура процессора». По их
мнению, архитектура процессора – это отражение основных
принципов внутренней организации определенных типов
процессоров. Допустим, архитектура Intel Pentium обозначается Р5,
Pentium II и Pentium III - Р6, а не так давно популярных Pentium 4 –
NetBurst.
Когда компания Intel закрыла Р5 для конкурирующих
производителей, компания AMD разработала свою архитектуру К7
для Athlon и Athlon XP, а для Athlon 64 – К8.
- 14 -
Архитектура CISC
CISC (Complex Instruction Set Computing). Эта конфигурация для
повышения гибкости и расширения возможностей
предусматривает:
Увеличение числа различных по
формату и длине команд;
Введение большого числа различных
режимов адресации;
Сложную кодировку инструкции.
Архитектура RISC
RISC (Reduced Instruction Set Computing). Процессор с
сокращенным набором команд. Система команд имеет
упрощенный вид. Все команды одинакового формата с простой
кодировкой. Обращение к памяти
происходит посредством команд
загрузки и записи, остальные команды
типа регистр-регистр. Команда,
поступающая в CPU, уже разделена по
полям и не требует дополнительной
дешифрации.
- 15 -
Кэш-память и ее уровни
Кэш-память — это высокоскоростная память произвольного
доступа, используемая процессором компьютера для временного
хранения информации. Она увеличивает производительность,
поскольку хранит наиболее часто используемые данные и команды
«ближе» к процессору, откуда их можно быстрее получить.
Кэш память первого уровня (L1) - самый быстрый, но по
объему меньший, чем у остальных. С ним напрямую работает ядро
процессора. Кэш память 1-го уровня имеет наименьшую
латентность (время доступа).
Кэш память второго уровня (L2) – объем этой памяти
значительно больше, чем кэш память первого уровня.
Кэш память третьего уровня (L3) – кэш память с большим
объемом и более медленный чем L2.
В классическом варианте существовало 2 уровня кэш-памяти –
1-ий и второй уровень. 3-ий уровень по организации отличается от
кэш памяти 2-ого уровня. Если данные не обрабатывались или
процессор должен обработать срочные данные, то для
освобождения кэш память 2-ого уровня данные перемещаются в
кэш память 3-го уровня.
- 16 -
Конвейеры
Конве́йер — это способ организации вычислений,
используемый в современных процессорах и контроллерах с целью
повышения их производительности (увеличения числа инструкций,
выполняемых в единицу времени), технология, используемая при
разработке компьютеров и других цифровых электронных
устройств.
- 17 -
Современные процессоры
Видимо, все знают, что любой современный компьютер
характеризуется прежде всего процессором и набором микросхем
(чипсетом) материнской платы. Современные процессоры для ПК
выпускают сегодня две компании: Intel и AMD. У компании Intel
современные процессоры ПК — это Intel Pentium 4 и Intel Celeron, а
у компании AMD — Athlon XP.
- 18 -
Процессоры семейства Intel
Процессоры Intel – одни из
лучших процессоров в мире. Для
высокопроизводительных рабочих
станций на базе платформы Nehalem
применяют Intel Core i7 LGA1366.
Для компьютеров Premium класса созданы умные процессоры
Intel Core i7(Lynnfield) LGA1156.
Для домашнего компьютера можно выбрать как Intel Core i5
(Lynnfield).
Быстрые Intel Core i3 с низким энергопотреблением процессоры для медиацентров и офисных PC.
Также доступны простые и надежные Intel Pentium
процессоры – LGA1156, GMA. Intel Core 2 Quad, Core 2 Duo, Pentium
Dual Core - LGA775, техпроцесс 65 нм, применяются все реже.
- 19 -
Процессоры семейства AMD
Процессоры AMD стали первыми
процессорами x86 с поддержкой 64битных инструкций. Именно в
процессорах AMD впервые появился
встроенный контроллер оперативной
памяти. Среди серверных процессоров AMD лидирует Six-Core AMD
Opteron – шестиядерный CPU для многопроцессорных систем.
В мощные игровые и рабочие станции рекомендуется
устанавливать процессоры: AMD Phenom II или AMD Athlon II X4.
Для универсальных системных блоков выбирают 3-х ядерный
AMD Phenom II X3 или выгодный AMD Athlon II X3.
Компьютер для дома, бизнеса или HTPC – производительный
и доступный, с энергоэффективным процессором AMD Athlon II.
- 20 -
Сравнительное тестирование
К нам на тест попали 12 разных процессоров от
конкурирующих производителей – Intel и AMD. Нашей главной
задачей является выявить среди них лучшего, чем мы сейчас и
займёмся. Но сначала пару слов о платформах.
Представлены процессоры на сокетах 1366 и 1156 от Intel, и на
AM2+/AM3 от AMD.
На данный момент выпущено уже достаточно много
материнских плат под эти процессоры, так что выбрать «мамку» не
составит большого труда.
Методика тестирования
Тестирование проводилось в двух профилях настроек:
1. Дефолтный – оценка производительность проводилась на
номинальных частотах и напряжении;
2. Разгон – процессоры были разогнаны до частоты 3600 МГц.
Это частоты была выбрана не случайно. Именно на ней все
процессоры могут работать круглосуточно у обычного
пользователя. Многие процессоры могут показать и большую
частоту, но для чистоты эксперимента мы остановились именно на
этой отметке.
- 21 -
 Для начала мы выбрали, пожалуй, один их самых
известных процессорных тестов – Super Pi, и посчитали
миллион знаков после запятой. Этот бенчмарк даёт
хорошо представление о вычислительной мощи
«камня».
 Следом за Super Pi идёт wPrime, который является
многопоточным тестом, что актуально для многоядерных
процессоров. Оценка производительность в этом тесте
производилась в режимах 32M и 1024M.
 Вот очередь дошла и до PiFast. Главной его особенность
является проверка быстродействия работы связки
процессор-память, а так же самого ЦП.
Процессоры тестирования
Intel Core i5 750
Intel Core i7 860
Intel Core i7 870
Intel Core i7 920
Intel Core i7 950
Intel Core i7 965
Intel Core i7 975
AMD Phenom X4 9850 BE
AMD Athlon II X4 620
AMD Phenom II X4 940 BE
AMD Phenon II X4 955 BE
AMD Phenon II X4 965 BE
- 22 -
Тестовый стенд
Нами было собрано 3 тестовых стенда.
1. Для платформы Intel socket 1366:
 Материнская плата: Asus P6T6 WS Revolution
 Оперативная память: DDR3 3x1Gb Kingston 1333Мгц
 Видеокарта: AMD Radeon 5870
 Блок питания: Enermax Revolution 1050W
 Жесткий диск: OCZ Vertex 250Gb
2. Для платформы Intel socket 1156:
 Материнская плата: Gigabyte P55M-UD4
 Оперативная память: DDR3 2x1Gb Kingston 1333Мгц
 Видеокарта: AMD Radeon 5870
 Блок питания: Enermax Revolution 1050W
 Жесткий диск: OCZ Vertex 250Gb
3. Для платформы AMD socket AM2+/AM3:
 Материнская плата: Asus M4A79 Deluxe
 Оперативная память: DDR2 2x1Gb Kingston HyperX
 Видеокарта: AMD Radeon 5870
 Блок питания: Enermax Revolution 1050W
 Жесткий диск: OCZ Vertex 250Gb
- 23 -
Тестирование программ
PIFAST (Секунды, чем меньше тем лучше)
Super Pi 1M (Секунды, чем меньше тем лучше)
- 24 -
wPrime 1024M (Секунды, чем меньше тем лучше)
wPrime 32M (Секунды, чем меньше тем лучше)
- 25 -