Аппаратное обеспечение и Архитектура ЭВМ

Департамент образования города Москвы
Государственное бюджетное образовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа № 1056
Учитель: Маркова А.И.
1. Определение и предназначение
2.
Схема иллюстрирующая многоуровневую структуру
3. Платформы – анклавы
4. Несовместимость аппаратной платформы
Несовместимость кода, выполняемых процессором
Несовместимость устройств и материнской платы
5. Архитектура набора команд
6. Микроархитектура
7. Набор команд на базе архитектуры Intel (IA)
8. Микропроцессор
9. Многоядерный процессор
10. Архитектура многоядерных систем
11. Наращивание количества ядер
12. История массовых многоядерных процессоров
13. История экспериментальных многоядерных процессоров
14. Многоядерные кнтроллеры
15. КЭШ – память
16. Производительность
17. Магистрально-модульный принцип
18. Центральный процессор
Основные характеристики ЦП
19. АЛЛУ, УУ, регистры
20. ОЗУ, ПЗУ, КЭШ
21. Основная память
с произвольным доступом
с последовательным доступом
22. Принцип работы оперативной памяти
23. Шина данных
24. Шина адреса
25. Шина управления
26. Контроллеры
27. Справка
Тема «Архитектура ЭВМ» рассматривается в курсе предмета
Информатика и ИКТ в разделе «Аппаратное и Программное
обеспечение компьютера».
Архитектура вычислительной машины (Архитектура ЭВМ1, англ. Computer
architecture) — концептуальная структура вычислительной машины, определяющая
проведение обработки информации и включающая методы информации в данные и
принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.
Архитектура персонального компьютера — компоновка его
основных частей, таких как процессор, ОЗУ, видеоподсистема,
дисковая система, периферийные устройства и устройства
ввода-вывода.
1. Согласно ГОСТ 15971-90, вычислительная машина (ВМ, Computer) — совокупность технических средств,
создающая возможность проведения обработки информации и получение результата в необходимой
форме. Примечание. Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспечение
Аппаратная платформа компьютера (архитектура компьютера) —
уровень, образованный микроархитектурой, микропрограммой
управления ядром микропроцессора и архитектурой набора команд на
аппаратной базе конкретных микросхем процессора, чипсета, других
физических компонентов, которые в совокупности составляют аппаратную
модель вычислительной системы.
Предназначен для запуска определенных семейств программных продуктов
(операционная система, прикладное программное обеспечение), которые, в
свою очередь, разработаны исходя из возможностей и для запуска на данной
аппаратуре.
Конкретно, аппаратные платформы отличаются друг от друга совокупностью
аппаратуры (процессором, чипсетом), а также разработанными (и
запускаемыми) программными компонентами.
Иногда ветвь CPU прекращает развитие, и может возникнуть компьютерный анклав, то есть
пользователи по-прежнему любят свои компьютеры или не могут от них отказаться. Технический
прогресс в анклаве замедлен или полностью остановлен. Железо компьютерного анклава на уровне
машинных кодов не совместимо с мейнстрим платформами и постепенно морально стареет. Это
значит, что у пользователей есть большой соблазн сменить платформу. Программисты если и пишут
новый софт, то, как правило, на свободных, нежели коммерческих, началах.
Анклав Commodore 64 во многом обязан своему существованию возможности писать музыку на этом
компьютере 1982 года выпуска. Немецкая группа Welle:Erdball, играющая в стиле Synthpop, пишет
пять своих участников — пятым, всегда и везде указываемым в списке музыкантом, является
компьютер Commodore 64.
8-битные процессоры Intel, такие как 8080 и 8085, несовместимы с 8086 и другими 16битными процессорами Intel. Сегодня 8080 и 8085 являются анклавом. Примером из анклава может
быть компьютер MFA с процессором 8085. Он по-прежнему применяется студентами для изучения
функционирования ЭВМ. Несовместимые с архитектурой IA-32 процессоры/платформы линий iAPX
432, i960 и i860, тоже ушедшие в прошлое, по разным причинам анклавов не образуют.
ZX Spectrum, будучи созданным в 1982, применяется любителями до сих пор. Процессоров Z80 произведено более миллиарда. В мире огромное число клонов ZX Spectrum, многие из которых
сделаны в СССР и России. Современный спектрум имеет CD привод, модем и существует во многом
благодаря участию в Демосцене, которая в РФ получила огромную популярность именно на ZX
Spectrum. Таким образом, хотя ZX Spectrum не слишком активно совершенствуется технически, но
остаётся полотном для компьютерного искусства.
Аппаратные платформы несовместимы в случае различия программной модели
процессора, а также различия системных шин и устройств на материнской плате.
Несовместимость кода, выполняемого процессором
Корпорация Intel, развивая свои семейства процессоров, наполняет процессоры
дополнительными командами: команды математического сопроцессора (FPU); команды
оптимизированные для обработки мультимедийного контента (MMX); серии команд SSE
(SSE, SSE2, SSE3, SSE4 и SSE5); поддерживаемые только AMD команды 3DNow!, а
также 64-битный набор команд AMD64. Новые команды серьёзно влияют на
совместимость процессоров, поэтому разработчикам программного обеспечения
приходится ориентироваться на две платформы, более старую и «многочисленную» IA32 и новую, перспективную x86-64. Проблема совместимости кода — ситуация, когда
процессоры различных семейств не могут выполнять один и тот же машинный код.
Например, между двумя 32-битными процессорами одного и того же производителя,
Intel — Pentium и Pentium 2, может возникнуть несовместимость по причине присущего
ограничения (аппаратного отсутствия MMX команд), если на первом будет запущена
программа, откомпилированная с учётом имеющихся на Pentium 2 аппаратных
возможностей.
Конкретно взятая материнская плата, особенно персонального компьютера,
также вносит свой вклад в несовместимость платформ. На современной
материнской плате расположено множество встроенных (англ. integrated,
интегрированных в плату) устройств, для которых, в отличие от
определённых в дистрибутиве семейства операционных систем Windows NT
восьми альтернативных (англ. Hardware abstraction layer, HAL) и
мультиплатформенных драйверов для целых классов устройств, нужны
специфические драйверы. Поэтому, при установке операционной системы
Windows 9x или NT, она посредством установки драйверов специфического
оборудования, «привязывается» к конкретной материнской плате.
Последующий перенос операционной системы на другую материнскую
плату сопряжен со сложностью обеспечения аппаратной совместимости
новой аппаратной платформы.
Для решения этой проблемы в корпоративном сегменте, новая техника
(материнская плата, периферийные устройства) проходит тщательную
подгонку под существующий HAL, либо, если разрабатываемая линейка
является революционной и перспективной, под неё создается новый HAL,
согласованный со сторонними разработчиками программного и аппаратного
обеспечения.
Архитектура набора команд (англ. instruction set architecture, ISA) —
часть архитектуры компьютера, определяющая
программируемую часть ядра микропроцессора.
На этом уровне определяются реализованные в микропроцессоре
конкретного типа:
 Архитектура памяти,
 Взаимодействие с внешними устройствами ввода/ вывода,
 Режимы адресации,
 Регистры,
 Машинные команды,
 Различные типы внутренних данных (например, с плавающей
запятой, целочисленные типы и т . д.),
 Обработчики прерываний и исключительных состояний.
Микроархитектура - описывает модель, топологию и
реализацию ISA на микросхеме микропроцессора.
На этом уровне определяется:
 Конструкция и взаимосвязь основных блоков ЦП,
 Структура ядер, исполнительных устройств, АЛУ, а также их взаимодействия,
 Блоков предсказания переходов,
 Организация конвейеров,
 Организация кэш-памяти,
 Взаимодействие с внешними устройствами.
В рамках одного семейства микропроцессоров, микроархитектура со
временем расширяется путем добавления новых усовершенствований и оптимизации
существующих команд с целью повышения производительности, энергосбережения и
функциональных возможностей микропроцессора. При этом сохраняется совместимость с
предыдущей версией ISA.
Уровни, реализуемые в архитектуре, микроархитектуре и в семействе
процессоров соответственно, а также их взаимосвязь описаны на рис. 1 в документе White Paper
Inside Intel®Core™ Microarchitecture (англ.)
Корпорация Intel разработала три типа ISA, которые ориентируются на
различные секторы рынка. Для их именования часто используется акроним из
выражения Intel Architecture, IA(например, IA-32, IA-64).
Архитектура IA-32 предназначена для выполнения массовых 32-разрядных
приложений на ПК начального уровня и реализована в следующих семействах
процессоров:
• Intel Celeron и Intel Pentium (в корпусе FC-PGA2);
• процессорах Intel, использующих технологии ультранизкого напряжения
питания;
• Intel Core Duo.
Архитектура набора команд IA-64 реализована в семействе процессоров
Intel Itanium.
Архитектура Intel 64 предназначена для современных ПК и серверов среднего
уровня, оптимизированных для выполнения 64-разрядных приложений. Эта
архитектура реализована в следующих семействах процессоров:
• Intel Xeon;
• Intel Core 2 Duo.
Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение
арифметических, логических операций и операций управления, записанных
в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или
комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от
реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе
общего назначения или в виде программной модели).
Первые микропроцессоры появились в
1970-х годах и применялись в
электронных калькуляторах, в них
использовалась двоично-десятичная
арифметика 4-битных слов. Вскоре их
стали встраивать и в другие
устройства, например
терминалы, принтеры и
различную автоматику. Доступные 8битные микропроцессоры с 16-битной
адресацией позволили в середине
1970-х годов создать первые
бытовые микрокомпьютеры.
Кристалл процессора 80486 DX2 в корпусе
Многоя́дерный проце́ссор — центральный процессор,
содержащий два и более вычислительных ядра на одном
процессорном кристалле или в одном корпусе.
В английском языке существует два часто употребляемых термина для процессоров,
имеющих несколько ядер: multi-core и many-core.
Термин мультиядерный (англ. multi-core) обычно применяется к центральным
процессорам, содержащим два и более ядра общего назначения, однако иногда
используется и дляцифровых сигнальных процессоров (DSP) и систем на
кристалле (SoC, СнК). Под многоядерностью процессора понимают, что несколько ядер
являются интегрированными на однуинтегральную схему (изготовлены на одном
кремниевом кристалле). Если же в один корпус были объединены несколько
полупроводниковых кристаллов, то конструкцию называютмногочиповый
модуль (англ. multi-chip module, MCM).
Термином многопроцессорный обозначают компьютеры, имеющие несколько физически
раздельных процессоров (например, серверные материнские платы часто имеют 2 или
4 сокета для подключения нескольких чипов), но управляемые одним экземпляром ОС.
Понятие многоядерный (англ.many-core или англ. massively multi-core) может
использоваться для описания многоядерных систем, имеющих высокое количество ядер,
от десятков до сотен или более. Например, именно название «многоядерный» («manycore») использовалось Intel для вычислителей Intel MIC.
Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных микросхем малой и
средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен
транзисторов. Разместив целый процессор на одном чипе сверxбольшой интеграции,
удалось значительно снизить его стоимость. Несмотря на скромное начало, непрерывное
увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других
форм компьютеров.
В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве
вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных
устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.
В космических программах полётов к Луне «Аполлон» в 1960-х и 1970-х годов, все
бортовые вычисления для первичного наведения, навигации и управления были
предоставлены небольшими специализированными процессорами бортового компьютера
Аполлон.
С начала 1970-х годов широко известно, что рост мощности микропроцессоров
следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной
микросхеме удваивается каждые 18 месяцев. В конце 1990-х главным препятствием для
разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP).
В настоящее время, в связи с очень незначительным распространением процессоров, не
являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и
«процессор» практически равнозначны.
Архитектура многоядерных процессоров во многом повторяет архитектуру
симметричных мультипроцессоров (SMP-машин) только в меньших масштабах и со
своими особенностями. В многоядерных процессорах тактовая частота, как правило,
намеренно снижена. Это позволяет уменьшить энергопотребление процессора без
потери производительности. В некоторых процессорах тактовая частота каждого ядра
может меняться в зависимости от его индивидуальной нагрузки. Ядро является
полноценным микропроцессором, использующим все достижения микропроцессорной
техники: конвейеры, внеочередное исполнение кода, многоуровевый кэш,
поддержка векторных команд. Суперскалярность в ядре не используется, так как она
реализована самим наличием нескольких ядер в процессоре.
Каждое ядро также может использовать технологию SMT для поочередного исполнения
нескольких потоков, создавая иллюзию нескольких «логических процессоров» на основе
каждого ядра. На процессорах компании Intel эта технология носит название Hyperthreading и удваивает число логических процессоров по сравнению с физическими. На
процессорах Sun UltraSPARC такое увеличение может достигать 8 потоков на ядро.
Многоядерные процессоры можно подразделить по наличию
поддержки когерентности (общей) кеш-памяти между ядрами. Бывают процессоры с
такой поддержкой и без неё. Способ связи между ядрами:
 Разделяемая шина
 Сеть (Mesh) на каналах точка-точка
 Сеть с коммутатором
 Общая кэш-память
Первым процессором предназначенным для массового использования, а не
для встроенных систем, стал POWER4 с двумя ядрами PowerPC на одном
кристалле, выпущенный компанией IBM в 2001 году.
На сегодня многими производителями процессоров, в
частности Intel, AMD, IBM, ARM дальнейшее увеличение числа ядер
процессоров признано как одно из приоритетных направлений увеличения
производительности.
В 2011 году освоено производство 8-ядерных процессоров для домашних
компьютеров и 16-ядерных для серверных систем.
Имеются экспериментальные разработки процессоров с большим
количеством ядер (более 20). Некоторые из таких процессоров уже нашли
применение в специфических устройствах.
Двухъядерные процессоры различных архитектур существовали ранее,
например IBM PowerPC-970MP (G5), но их использование было ограничено узким кругом
специализированных задач.
В апреле 2005 года AMD выпустила 2-ядерный процессор Opteron архитектуры AMD64,
предназначенный для серверов. В мае 2005 года Intel выпустила процессор Pentium D
архитектуры x86-64, ставший первым 2-ядерным процессором, предназначенным для
персональных компьютеров.
В марте 2010 года появились первые 12-ядерные серийные процессоры, которыми стали
серверные процессоры Opteron 6100 компании AMD (архитектура x86/x86-64).
В августе 2011 года компанией AMD были выпущены первые 16-ядерные серийные
серверные процессоры Opteron серии 6200 (кодовое наименование Interlagos).
Процессор Interlagos объединяет в одном корпусе два 8-ядерных (4-модульных) чипа и
является полностью совместимым с существующей платформой AMD Opteron серии
6100 (Socket G34).
Сводные данные по истории микропроцессоров и их параметров представлены в
обновляющейся английской статье: Хронология микропроцессоров, 2010ые годы. Для
получения числа ядер процессора надо умножить поля «Cores per die» и «Dies per
module», для получения числа аппаратных потоков — умножить число ядер на число
«threads per core». Например, для Xeon E7, Intel: «4, 6, 8, 10» ядер на 1 die на 1-2
аппаратных потоков = максимум 10 ядер и 20 аппаратных потоков, AMD FX «Bulldozer»
Interlagos «4-8» на 2 на 1 = максимум 16 ядер и 16 потоков.
27 сентября 2006 года Intel представила прототип 80-ядерного
процессора. Предполагается, что массовое производство подобных процессоров станет
возможно не раньше перехода на 32-нанометровый техпроцесс.
20 августа 2007 года компания Tilera, анонсировала чип TILE64 (англ.) с 64
процессорными ядрами и встроенной высокопроизводительной сетью, посредством
которой обмен данными между различными ядрами может происходить со скоростью до
32 Тбит/с.
26 октября 2009 года Tilera анонсировала 100-ядерный процессор широкого назначения
серии TILE-Gx (англ.). Каждое процессорное ядро представляет собой отдельный
процессор с кеш-памятью 1 и 2 уровней. Ядра, память и системная шина связаны
посредством топологии mesh network. Процессоры производятся по 40-нм техпроцессу и
работают на тактовой частоте 1,5 ГГц. Выпуск 100-ядерных процессоров назначен на
начало 2011 года.
2 декабря 2009 года Intel представила одночиповый «облачный» Single-chip Cloud
Computer (SCC) компьютер, представляющий собой 48-ядерный чип. «Облачность»
процессора состоит в том, что все 48 ядер сообщаются между собой как сетевые узлы.
SCC — часть проекта, целью которого является создание 100-ядерного процессора.
Ожидается, что некоторые функции SCC появятся в серийных процессорах Intel в 2010
году.
В июне 2011 года Intel раскрыла детали разрабатываемой архитектуры Many Integrated
Core (MIC) — эта технология выросла из проекта Larrabee. Микропроцессоры на основе
этой архитектуры получат более 50 микроядер архитектуры x86 и начнут производиться в
2012 году по 22-нм техпроцессу.
Эти микропроцессоры не могут быть использованы в качестве центрального процессора,
но из нескольких чипов этой архитектуры будут строиться вычислительные ускорители в
виде отдельной карты расширения и конкурировать на рынках GPGPU и
высокопроизводительных вычислений с решениями типа Nvidia Tesla и AMD
FireStream. По опубликованному в 2012 году описанию архитектуры, возможны чипы с
количеством ядер до 60.
В октябре 2011 года компания Adapteva представила 64ядерные микропроцессоры Epiphany IV, которые показывают производительность до
70 гигафлопс (SP), при этом потребляя менее 1 Вт электроэнергии. Микропроцессоры
спроектированы с использованием RISC-архитектуры и, ознакомительные образцы
планировалось произвести в 2012 году по 28-нм техпроцессу GlobalFoundries.
Данные процессоры не могут быть использованы в качестве центрального процессора,
но компания Adapteva предлагает использовать их в качествесопроцессора для таких
сложных задач, как распознавание лиц или жестов пользователя. Компания Adapteva
утверждает, что в дальнейшем число ядер данного микропроцессора может быть
доведено до 4096.
В январе 2012 года компания ZiiLabs (дочернее предприятие Creative
Technology) анонсировала 100-ядерную систему на чипе ZMS-40. Эта
система, объединяющая 4-ядерный процессор ARM Cortex-A9 1,5 ГГц (с
мультимедийными блоками Neon) и массив из 96 более простых и менее
универсальных вычислительных ядер StemCell.
Ядра StemCell — это энергоэффективная архитектура SIMD, пиковая
производительность при вычислениях с плавающей запятой (32 бит) —
50 гигафлопс, ядра которой работают скорее как GPU в других системах на
чипе, и могут быть использованы для обработки видео, изображений и
аудио, для ускорения 3D- и 2D-графики и других мультимедийных задач
(поддерживается OpenGL ES 2.0 и OpenCL 1.1)
Существует также тенденция внедрения многоядерных микроконтроллеров в мобильные
устройства.
Например:
seaForth-24 — новая разработка multi-core MISC-архитектуры Chuck Moore 1 ГГц 24ядерный асинхронный контроллер.
Контроллер от Parallax имеет восемь 32-разрядных процессоров (COG) в одном
кристалле P8X32A.
Kilocore PowerPC-процессор с 1024 8-битными ядрами, работающими на частоте 125
МГц. На данный момент существует 256-ядерный процессор.
Микропрограмма может означать:
Встроенное программное обеспечение (прошивка):
Компьютерная программа, записанная на интегральной микросхеме ПЗУ и управляющая
работой аппаратного обеспечения.
Программа, записанная на той же микросхеме, что и процессор, и превращающая его в
специализированный для управления аппаратным обеспечением (микроконтроллер).
Программа конфигурирования различных ПЛИС (FPGA, CPLD, PAL и т. п.).
Микрокод:
Программа по тактам управляющая ресурсами вычислительного устройства (ALU,
сдвигатели, мультиплексоры и др.). Обычно в командном слове выделяются
отдельные биты для управления необходимым устройством.
Во всех существующих на сегодня многоядерных процессорах кеш-памятью 1-го уровня
обладает каждое ядро в отдельности, а кеш-память 2-го уровня существует в
нескольких вариантах:
1. Разделяемая — расположена на одном кристалле с ядрами и доступна каждому из
них в полном объёме. Используется в процессорах семейств Intel Core.
2. Индивидуальная — отдельные кеши равного объёма, интегрированные в каждое из
ядер. Обмен данными из кешей 2-го уровня между ядрами осуществляется через
контроллер памяти — интегрированный (Athlon 64 X2, Turion X2, Phenom) или
внешний (использовался в Pentium D, в дальнейшем Intel отказалась от такого
подхода).
Многоядерные процессоры также имеют гомогенную или гетерогенную архитектуру:
1. Гомогенная архитектура — все ядра процессора одинаковы и выполняют одни и те
же задачи. Типичные примеры: Intel Core Duo, Sun SPARC T3, AMD Opteron
2. Гетерогенная архитектура — ядра процессора выполняют разные задачи. Типичный
пример: процессор Cell альянса IBM, Sony и Toshiba, у которого из девяти ядер одно
является ядром процессора общего назначения PowerPC, а восемь остальных —
специализированными процессорами, оптимизированными для векторных операций,
которые используются в игровой приставке Sony PlayStation 3
В приложениях, оптимизированных под многопоточность, наблюдается
прирост производительности на многоядерном процессоре.
Однако, если приложение не оптимизировано, то оно не будет получать
практически никакой выгоды от дополнительных ядер, а может даже
выполняться медленнее, чем на процессоре с меньшим количеством ядер,
но большей тактовой частотой. Это в основном приложения, разработанные
до появления многоядерных процессоров, либо приложения, в принципе не
использующие многопоточность.
Большинство операционных систем позволяют выполнять несколько
приложений одновременно. При этом достигается выигрыш в
производительности, даже если приложения однопоточные.
Центральный процессор
АУ
УУ
Основная память
регистр
ОЗУ
памяти
ПЗУ
Шина данных
Шина адреса
Шина управления
к
к
к
Уст-ва ввода
Уст-ва вывода
Ут-во хранения
(клавиатура, мышь)
(монитор, принтер)
(жесткий диск)
к
Уст-во
ввода вывода
(дисковод)
к
Уст-ва
передачи
(сетевая
плата, модем)
Центральный процессор - это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по
обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. У компьютеров четвёртого
поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС,
содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле
путём применения сложной микроэлектронной технологии.
1.
2.
3.
4.
В состав центрального процессора входят:
устройство управления (УУ);
арифметико-логическое устройство (АЛУ);
запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора;
генератор тактовой частоты (ГТЧ*).
Для пользователей процессор интересен прежде всего своей системой команд и скоростью их
выполнения. Система команд процессора представляет собой набор отдельных операций, которые может
выполнить процессор данного типа. Разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции
за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется
для выполнения одних и тех же операций.
Для математических вычислений к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор.
Начиная с модели 80486DX процессор и сопроцессор выполняют на одном кристалле.
Основные характеристики процессора
*Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех
узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.
Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в
секунду.
Тактовая частота в МГц. Тактовая равна количеству тактов в секунду.
Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом
подачи следующего.
Характерные тактовые частоты микропроцессоров: 40 МГц, 66 МГц, 100 МГц, 130 МГц, 166
МГц, 200 МГц, 333 МГц, 400 МГц, 600 МГц, 800 МГц, 1000 МГц и т. д. До 3ГГц. Тактовая
частота отражает уровень промышленной технологии, по которой изготавливался данный
процессор. Она также характеризирует и компьютер, поэтому по названию модели
микропроцессора можно составить достаточно полное представление о том, к какому классу
принадлежит компьютер. Поэтому часто компьютерам дают имена микропроцессоров,
входящих в их состав.
Увеличение частоты – одна из основных тенденций развития микропроцессоров.
Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут
обрабатываться и передаваться процессором одновременно.
Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются
обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то
разрядность процессора равна 16 (2x8); если 4 байта, то 32; если 8 байтов, то 64.
Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и
логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение,
деление, сравнение и др.
Устройство управления организует процесс выполнения программ и
координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.
Запоминающее устройство - это внутренняя память процессора.
Регистры служат промежуточной быстрой памятью, используя которые,
процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты.
Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память,
в которую с опережением подкачиваются команды и данные из
оперативной памяти, необходимые процессору для последующих
операций.
Энергозависимой называется память, которая стирается при выключении компьютера.
К энергонезависимой внутренней памяти относится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
Содержимое ПЗУ устанавливается на заводе-изготовителе и в дальнейшем не меняется. Эта память
составлена из микросхем, как правило, небольшого объема. Обычно в ПЗУ записываются программы,
обеспечивающие минимальный базовый набор функций управления устройствами компьютера. При
включении компьютера первоначально управление передается программе из ПЗУ, которая тестирует
компоненты компьютера и запускает программу - загрузчик операционной системы.
К энергозависимой внутренней памяти относятся оперативное запоминающее устройство (ОЗУ),
видеопамять и кэш-память.
В оперативном запоминающем устройстве в двоичном виде запоминается обрабатываемая информация,
программа ее обработки, промежуточные данные и результаты работы. ОЗУ обеспечивает режимы записи,
считывания и хранения информации, причём в любой момент времени возможен доступ к любой
произвольно выбранной ячейке памяти.
Это отражено в англоязычном названии ОЗУ – RAM (Random Access Memory – память с произвольным
доступом). Доступ к этой информации в ОЗУ осуществляется очень быстро. Эта память составлена из
сложных электронных микросхем и расположена внутри корпуса компьютера.
Часть оперативной памяти отводится для хранения изображений, получаемых на экране монитора, и
называется видеопамять. Чем больше видеопамять, тем более сложные и качественные картинки может
выводить компьютер.
Высокоскоростная кэш-память служит для увеличения скорости выполнения операций компьютером и
используется при обмене данными между микропроцессором и RAM. Кэш-память является
промежуточным запоминающим устройством (буфером). Существует два вида кэш-памяти: внутренняя,
размещаемая внутри процессора и внешняя, размещаемая на материнской плате.
Памятью компьютера называется совокупность устройств
информации, промежуточных результатов и выходных данных.
для
хранения
программ,
вводимой
Классификация памяти
Внутренняя память предназначена для хранения относительно небольших объемов информации при ее
обработке микропроцессором.
Внешняя память предназначена для длительного хранения больших объемов информации независимо от
того включен или выключен компьютер.
Внешняя память может быть с произвольным доступом и последовательным доступом. Устройства памяти
с произвольным доступом позволяют получить доступ к произвольному блоку данных примерно за одно и
то же время доступа.
1.
Накопители на жёстких магнитных дисках (винчестеры, НЖМД) - несъемные жесткие магнитные
диски. Ёмкость современных винчестеров от сотен мегабайт до нескольких сотен гигабайт. На
современных компьютерах это основной вид внешней памяти. Первые жесткие диски состояли из 2
дисков по 30 Мбайт и обозначались 30/30, что совпадало с маркировкой модели охотничьего ружья
“Винчестер” - отсюда пошло такое название этих накопителей.
2. Накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-дисководы, НГМД) – устройства для записи и
считывания информации с небольших съемных магнитных дисков (дискет), упакованные в
пластиковый конверт (гибкий - у 5,25 дюймовых дискет и жесткий у 3,5 дюймовых). Максимальная
ёмкость 5,25 дюймовой дискеты - 1,2Мбайт; 3,5 дюймовой дискеты - 1,44Мбайт. В настоящее время
5,25 дюймовые дискеты морально устарели и не используются.
3. Оптические диски (СD-ROM - Compact Disk Read Only Memory) - компьютерные устройства для
чтения с компакт-дисков. CD-ROM диски получили распространение вслед за аудио-компакт дисками.
Это пластиковые диски с напылением тонкого слоя светоотражающего материала, на поверхности
которых информация записана с помощью лазерного луча. Лазерные диски являются наиболее
популярными съемными носителями информации. При размерах 12 см в диаметре их ёмкость
достигает 700 Мб. В настоящее время все более популярным становится формат компакт-дисков DVDROM, позволяющий при тех же размерах носителя разместить информацию объемом 4,3 Гб. Кроме
того, доступными массовому покупателю стали устройства записи на компакт диски. Данная
технология получила название CD-RW и DVD-RW соответственно.
Устройства памяти с последовательным доступом позволяют осуществлять доступ к данным
последовательно, т.е. для того, чтобы считать нужный блок памяти, необходимо считать все
предшествующие блоки. Среди устройств памяти с последовательным доступом выделяют:
1.
Накопители на магнитных лентах (НМЛ) – устройства считывания данных с магнитной ленты. Такие
накопители достаточно медленные, хотя и большой ёмкости. Современные устройства для работы с
магнитными лентами – стримеры – имеют увеличенную скорость записи 4 - 5Мбайт в сек. Существуют
также, устройства позволяющие записывать цифровую информацию на видеокассеты, что позволяет
хранить на 1 кассете 2 Гбайта информации. Магнитные ленты обычно используются для создания
архивов данных для долговременного хранения информации.
2. Перфокарты – карточки из плотной бумаги и перфоленты – катушки с бумажной лентой, на которых
информация кодируется путем пробивания (перфорирования) отверстий. Для считывания данных
применяются устройства последовательного доступа. В настоящее время данные устройства
морально устарели и не применяются.
Различные виды памяти имеют свои достоинства и недостатки. Так, внутренняя память имеет хорошее
быстродействие, но ограниченный объем. Внешняя память, наоборот, имеет низкое быстродействие,
но неограниченный объем. Производителям и пользователям компьютеров приходится искать
компромисс между объемом памяти, скоростью доступа и ценой компьютера, так комбинируя разные
виды памяти, чтобы компьютер работал оптимально. В любом случае, объем оперативной памяти
является основной характеристикой ЭВМ и определяет производительность компьютера.
Кратко рассмотрим принцип работы оперативной памяти.
Минимальный элемент памяти - бит или разряд способен хранить минимально возможный объем
информации - одну двоичную цифру.
Бит очень маленькая информационная единица, поэтому биты в памяти объединяются в байты восьмерки битов, являющиеся ячейками памяти.
Все ячейки памяти пронумерованы. Номер ячейки называют ее адресом.
Зная адрес ячейки можно совершать две основные операции:
1) прочитать информацию из ячейки с определенным адресом;
2) записать информацию в байт с определенным адресом.
Чтобы выполнить одну из этих операций необходимо, чтобы от процессора к памяти поступил адрес
ячейки, и чтобы байт информации был передан от процессора к памяти при записи, или от памяти к
процессору при чтении.
Все сигналы должны передаваться по проводникам, которые объединены в шины.
По шине адреса передается адрес ячейки памяти, по шине данных – передаваемая информация. Как
правило, эти процессы проходят одновременно.
Для работы ОЗУ используются еще 3 сигнала и соответственно 3 проводника. Первый сигнал называется
запрос чтения, его получение означает указание памяти прочесть байт. Второй сигнал называется запрос
записи, его получение означает указание памяти записать байт.
Передача сразу обоих сигналов запрещена.
Третий сигнал – сигнал готовности, используемый для того, чтобы память могла сообщить процессору, что
она выполнила запрос и готова к приему следующего запроса.
Шина данных — в компьютерной технике принято различать выводы
устройств по назначению: одни для передачи информации (например, в виде
сигналов низкого или высокого уровня), другие для сообщения всем
устройствам (шина адреса) — кому эти Данные предназначены.
На материнской плате шина может также состоять из множества
параллельно идущих через всех потребителей данных проводников
(например в архитектуре IBM PC).
Основной характеристикой шины данных является её ширина в битах.
Ширина шины данных определяет количество информации, которое можно
передать за один такт.
Шина адреса — компьютерная шина, используемая центральным
процессором или устройствами, способными инициировать сеансы DMA,
для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов), к
которому устройство желает обратиться для проведения операции чтения
или записи.
Основной характеристикой шины адреса является её ширина в битах.
Ширина шины адреса определяет объём адресуемой памяти. Например,
если ширина адресной шины составляет 16 бит, и размер слова памяти
равен одному байту (минимальный адресуемый объём данных), то объём
памяти, который можно адресовать, составляет 216 = 65536 байтов (64 КБ).
Если рассматривать структурную схему микро-ЭВМ, то адресная шина
активизирует работу всех внешних устройств по команде, которая поступает
с микропроцессора.
Шина управления используется лишь для вывода сигналов управления, то
есть она однонаправленная. Основная причина введения активных сигналов
низкого уровня (они помечены чертой сверху) состоит в простоте
объединения их по ИЛИ. Кроме того, выходной каскад с таким сигналом
большую часть времени находится в выключенном состоянии и потребляет
меньше энергии от источника питания.
Как и шина управления, шина адреса лишь передает выходные сигналы
микропроцессора. Отдельные линии шины адреса имеют обозначение от А0
до А15.
В отличие от шин управления и адреса, шина данных - двунаправленная.
Передача данных здесь может производиться как от процессора, так и к
процессору. Однако в каждый данный момент времени она осуществляется
только в одном направлении. Отдельные линии шины данных обозначаются
от D0 до D7.
КОНТРОЛЛЕР — в компьютере специализированный процессор для
управления внешними устройствами — накопителем, монитором, принтером и
т. д.
Контроллер - устройство, которое связывает периферийное оборудование или
каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от
непосредственного управления периферией.
Шинный контроллер - контроллер:
- обеспечивающий формирование потоков данных, передаваемых по
шине в соответствии со стандартом; и
- управляющий передачей сигналов по шине.
Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников - шине данных
передаётся обрабатываемая информация, по другой - шине адреса - адреса памяти или внешних
устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали - шина управления, по ней
передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу
работы устройства и др).
Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно
передаваемых по шине бит называется разрядностью шины. Тактовая частота характеризует число
элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая
частота – в мегагерцах.
Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается
адресом, передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес
периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки
памяти. Таким образом, словами разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не
может быть больше чем
, где n – разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех
подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную
память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.
По шинам компьютера информация передается в двоичном коде. Но его запись
кодов требует много места и не всегда удобна. В дальнейшем мы будем
пользоваться шестнадцатиричной формой представления кодированных сигналов,
то есть системой счисления с основанием 16. В ней используются символы: 0, 1, 2,
3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, А, В, С, D, Е и F. В таблице 1 приведены примеры представления
чисел в двоичной, шестнадцатиричной и десятичной системах счисления.