Лекція 1 Архітектура пеом. Центральний процесор та його характеристики. Співпроцесори



Скачати 208.96 Kb.
Дата конвертації19.05.2017
Розмір208.96 Kb.



Тема 2. Архітектура ПЕОМ.

  • Лекція 2.1 Архітектура ПЕОМ.



1. Центральний процесор та його характеристики. Співпроцесори.
Під архітектурою ПЕОМ розуміють систему основних функціональних засобів машини, принципів організації обчислювального процесу та переробки інформації в ЕОМ. До компонентів архітектури ПЕОМ відносяться головний (центральний) та допоміжний процесори, запам'ятовуючий пристрій, пристрої введення/виведення інформації (включаючи зовнішні), внутрішнє математичне забезпечення ЕОМ.

Блок-схема основних вузлів, з яких складається будь-який ПК наведена на мал.





Центральний процесор (ЦП) або мікропроцесор (МП) - це напівпровідниковий кристал, що здійснює керування процесами обчислення за програмою, яка зберігається у внутрішній (оперативній) пам'яті та забезпечує загальне керування комп'ютером. Як мінімум ЦП містить в собі:

  • арифметико-логічний пристрій (АЛП), який виконує арифметичні (“+”, “-”, “*”, “/”) та логічні (“>”, “<”, “”, “”, “=”, “”), тобто являється фактично обчислювачем ЕОМ;

  • пристрій керування (ПК), який забезпечує загальне керування процесом обчислень за програмою та координацію роботи всіх вузлів ЕОМ.

Алгоритм роботи ЦП можна коротко описати таким ланцюжком дій: читання вмісту комірки пам'яті -> декодування -> виконання. Тобто ЦП (а саме ПК) дістає наступну команду, яку потрібно виконати, з комірки пам'яті, декодує (розшифровує) її, а потім виконує. В залежності від типу команди її може виконувати або АЛП, або ПК. Кожна з дій, які описані у вищенаведеному ланцюжку називається елементарною.

Основними характеристиками ЦП є:

  • - тактова частота;

  • - розрядність;

  • - архітектура.

Тактова частота визначається максимальним часом виконання елементарної дії в ЦП. Робота ЦП синхронізується імпульсами тактової частоти від задаючого генератора. Чим вища тактова частота, тим вища (при інших однакових умовах) швидкодія процесора.

Розрядністю ЦП називають максимальну кількість розрядів двійкового коду, які можуть оброблятись або передаватись одночасно.

Архітектура МП - це (з точки зору апаратних засобів) принцип дії МП, конфігурація (склад) МП та взаємне з’єднання його вузлів. Тобто, взагалі кажучи, це та схема по якій зібрано МП.

Центральний процесор є універсальним, тобто він здатний реалізовувати будь-який алгоритм, який попередньо кодується в його системі команд. Він використовується як основний процесор ПЕОМ. Необхідно відмітити, що більшість універсальних процесорів апаратно підтри-мують тільки цілочисельну арифметику. Арифметика ж з плаваючою крапкою реалізується в них програмно.

На відміну від універсальних існують також спеціалізовані процесори, які призначені для розв'язування задач певного типу. Вони використовуються як співпроцесори, що доповнюють основні процесори, та виконують роль акселераторів (прискорювачів). Коли основний процесор одержує команду, що не входить в його робочий набір, він передає керування співпроцесору для її виконання.

Наприклад, у тих випадках, коли на комп’ютері треба виконувати багато математичних обчислень, бажано щоб математичні операції над дійсними числами підтримувались апаратно, тобто самим мікропроцесором. Але більшість мікропроцесорів старої моделі (8086, 80286, 80386, 80486SX) не забезпечує таку підтримку, тому логічним було б створення для цього спеціального пристрою – математичного співпроцесора. Математичний співпроцесор, який інколи ще називають арифметичним співпроцесором, являє собою спеціалізовану інтегральну схему, яка працює у взаємодії з центральним процесором. Ця мікросхема призначена тільки для одного – виконання математичних операцій. Найновіші мікропроцесори (Pentium, Pentium II) самі вміщують в собі математичний співпроцесор.

Інтуїтивно зрозуміло, що для розв'язування одних задач можна обійтись без математичного співпроцесора, а для розв'язування інших його відсутність буде дуже небажана.

Існують також графічні співпроцесори, які орієнтовані на виконання певного набору графічних функцій.


2. Внутрішня пам'ять.
Внутрішня пам'ять – це запам'ятовуючий пристрій, що безпосередньо зв'язаний з процесором та призначений для зберігання програм, що виконуються, та даних, які беруть безпосередню участь в обчисленнях. Вона має достатньо велику швидкодію але обмежений об'єм. Внутрішню або основну пам'ять ділять на два види: оперативну (ОЗП або RAM - Random Access Memory) та постійну (ПЗП або ROM - read Only Memory).

В постійну пам'ять дані занесені при її виготовленні та вони не втрачаються при вимкненні комп'ютера. Як правило ці дані не можуть також бути змінені програмами, що виконуються. Ці програми можуть тільки зчитувати ці дані. В IBM-сумісному комп'ютері в постійній пам'яті знаходяться програми для перевірки обладнання комп'ютера та виконання базових операцій для обслуговування пристроїв комп'ютера. Оскільки більшість цих програм зв’язана з обслуговуванням введення-виведення, часто вміст ПЗП називають BIOS (Basic Input Output System - базова система введення-виведення).

Дуже важливим елементом комп'ютера є оперативна пам'ять. Назву “оперативна” ця пам'ять одержала тому, що вона працює дуже швидко і МП не треба чекати при читанні чи записуванні даних. При вимкненні комп'ютера вміст цієї пам'яті втрачається. ОЗП слугує для приймання, зберігання та видачі інформації. В ній містяться програми та дані, які доступні для використання процесором, а також проміжні та кінцеві результати обчислень. Процес виконання програми зводиться до перетворення вихідного стану пам'яті в заключний (кінцевий).

Оперативну пам'ять поділяють на динамічну та статичну; крім того, вона розрізняється за технологією виготовлення кристалів. Статичні ОЗП з’явились раніше чим динамічні та раніше застосовувались в більшості комп'ютерів. Зараз же практично весь об’єм пам'яті виконується на мікросхемах динамічного типу. В чому ж різниця?

Статичні ОЗП складаються з великої кількості тригерів, які здатні швидко перемикатись та потім знаходитись у цьому стані так довго, доки не прийде сигнал, що перемикає їх у протилежний стан або доки не зникне живлення. Крім того час доступу (час запису або зчитування інформації з пам'яті) у статичних ОЗП досить малий - від 10-15 нс до одиниць наносекунд.

Здавалося б у статичних запам’ятовуючих пристроїв все добре - і час доступу малий, і кожна інформація знаходиться в своїй комірці. Але у пам'яті цього типу є кілька суттєвих недоліків. По-перше, все це досить дорого - технологія виготовлення залишається досить складною, а по-друге, на одному кристалі вміщується небагато інформації, тому щоб одержати великі об’єми пам'яті треба ставити багато мікросхем пам'яті. Крім того, така пам'ять досить енергоємна, тобто дуже нагрівається. А всі “гарячі” елементи в електроніці, як правило, ненадійні. Всіх цих недоліків не має динамічна пам'ять. Правда, в неї є свої недоліки, але про них пізніше.



Кожна комірка динамічної пам'яті значно простіша, ніж статичної. У неї вдвічі менше транзисторів, що дозволяє на одному кристалі розмістити більші об’єми пам'яті. Відмінність у принципі дії суттєва - комірки динамічної пам'яті являють собою не тригер, а систему ключів та конденсатор, що зберігає інформацію у вигляді заряду. Конденсатор виконано в напівпровідниковій структурі кристалу. Зрозуміло, що для того щоб зарядити конденсатор до певного значення (тобто комірка пам'яті зберігає значення 1), необхідно на протязі певного часу пропускати через нього струм у певному напрямкові. Щоб конденсатор розрядився (тобто комірка пам'яті зберігає значення 0), струм через нього повинен деякий час протікати в іншому напрямкові. Оскільки для заряджання чи розряджання конденсатора потрібний цілком певний час, то в цьому і криється секрет обмеженої швидкодії динамічної пам'яті.

Як ще один недолік можна відмітити, що для того щоб дізнатись заряджений конденсатор чи ні, потрібно його розрядити. Крім того, конденсатор - не ідеальний, його опір цілком певний. До того ж, виникають додаткові опори, через які заряд з конденсатора стікає. Час стійкого зберігання інформації в динамічних ОЗП складає звичайно кілька мілісекунд. Після цього необхідно перезаписати інформацію в динамічному ОЗП. Ця процедура носить назву регенерація (refresh).

Відмітимо також, що у випадку статичної пам'яті, на переведення транзистора із одного стану в інший (перемикання тригера) теж необхідний деякий час, але він суттєво менший, ніж час заряджання/розряджання конденсатора.
3. Кеш-пам’ять.
Робота елементів, з яких побудований процесор, дуже схожа на роботу елементів статичної пам'яті - тригерів. Тому він набагато хуткіший, ніж елементи динамічної пам'яті. Тому для сучасних високопродуктивних комп'ютерів, що використовують процесори в великими тактовими частотами, при звертанні прямо до динамічної пам'яті неминучі цикли очікування. Зрозуміло, що в цей час процесор не може виконувати ніяку іншу роботу. Така ситуація призводить до зниження продуктивності роботи, що неприпустимо. Таким чином, слабким місцем системи стає оперативна динамічна пам'ять. Вихід з цього положення очевидний - замість динамічної використовувати статичну пам'ять. Але якщо основну оперативну пам'ять виконати на мікросхемах статичної пам'яті, то вартість комп'ютера значно зросте. Одним з конструктивних розв’язків цієї проблеми є використання спеціального пристрою - кешу (cache - притулок, схованка), що з’єднує між собою процесор та пам'ять.

Принцип роботи кешу показано на мал.

Відмітимо, що робота кешу повністю “прозора” (тобто непомітна) для користувача. В IBM-сумісних комп'ютерах технологія кеш-пам'яті крім обміну даними між мікропроцесором та основною оперативною пам'яттю знаходить застосування також між основною оперативною пам'яттю та змінними магнітними чи жорсткими дисками.

Кожен раз коли мікропроцесору необхідна інформація з ОЗП він звертається до неї. Дуже часто наступне звертання буде проходити до наступної або попередньої комірки пам'яті. Контролер кеш-пам'яті зчитує кілька (це залежить від розмірів кеш-пам'яті) сусідніх комірок. При наступному звертанні мікропроцесора до оперативної пам'яті дані беруться не з повільної динамічної пам'яті, а з швидкої статичної кеш-пам'яті. Контролер кеш-пам'яті “турбується” про те, щоб команди та дані вчасно переміщались з повільної динамічної пам'яті до кешу. Те ж відбувається і при записові даних в пам'ять. Таку кеш-пам'ять звичайно називають “змішаною”. Оскільки розміри статичної кеш-пам'яті набагато менші, ніж основної динамічної, то наявність кешу не призводить до суттєвого підвищення вартості системи. Таким чином, з допомогою технології обробки, яка використовує кеш-пам'ять було знайдено певний компроміс між вартістю та продуктивністю системи.



Необхідно відмітити також, що сучасні мікропроцесори самі містять невелику внутрішню кеш-пам'ять, яка служить для тієї ж мети. Тому для однозначності термінології інколи в технічній літературі кеш-пам'ять, що розміщена на системній платі, називають кеш-пам'ять другого рівня. Для підвищення продуктивності роботи сучасних комп'ютерів вважається достатньо, щоб вони були оснащені кеш-пам'яттю другого рівня в розмірі не менше ніж 256 Кб.



База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка