Система команд процессора

Перечень команд (инструкций) для процессора называют его системой команд. Этот перечень для процессора современного ПК содержит более тысячи команд. У каждого типа процессора своя система команд. Системы команд стандартизированы международными стандартами.

У современных ПК центральный процессор - это сверхбольшая интегральная схема, реализованная в едином полупроводниковом кристалле кремния или германия площадью меньше 0,1 см², содержащего более 6 млн транзисторов (для процессоров типа Celeron, Pentium IV) .

Процессоры различаются рядом важных характеристик:

- тактовой частотой обработки информации;

- разрядностью;

- интерфейсом с системной шиной;

- адресным пространством (адресацией памяти)

Тактовая частота обработки информации. Тактом называют интервал времени между передними фронтами двух последовательных импульсов электрического тока. Тактовая частота - это количество тактов в секунду, измеряется в герцах. Например, 1 млн. тактов/с =1млн. гц = 1МГц. Специальные потоки импульсов для всех электронных устройств ПК вырабатывает тактовый генератор, расположенный на материнской плате. Его главный элемент представляет собой кристалл кварца, обладающий высокой стабильностью резонансной частоты. Тактовая частота влияет на скорость работы, быстродействие ЦП. Процессор с большей тактовой частотой способен выполнять в секунду большее количество операций.

Благодаря преимуществам в архитектуре процессоры с меньшей тактовой частотой могут иметь большую производительность в обработке данных.

Для определения производительности ЦП в настоящее время рассматривают четыре аспекта - целочисленные вычисления, вычисления с плавающей запятой, графика, видео. При этом речь идет о производительности лишь самих процессоров, а не всей компьютерной системы в целом, которая зависит, помимо ЦП, от множества других факторов.

Разрядность процессора. Это число одновременно обрабатываемых процессором битов, то есть двоичных разрядов - важнейший фактор производительности ЦП. Вместе с быстродействием разрядность характеризует объем информации, перерабатываемый процессором компьютера за единицу времени. Процессоры бывают 8-, 6-, 32- и 64-разрядными. Процессоры современных ПК - 32-разрядные.

Интерфейс (сопряжение) с системной шиной. Разрядность ЦП может не совпадать с количеством его внешних выводов для линии данных. Например, 32-разрядный ЦП может иметь только 16 внешних линий данных. Это означает, что разрядность интерфейса с внешней шиной данных равна 16. Аналогичная ситуация может наблюдаться с другой частью системной шины - адресной шиной. Поскольку выполнение процессором команды предусматривает также перемещение данных из одного места памяти в другое, то важна не только разрядность внутренних шин процессора, но и его интерфейс с системной шиной.

Адресное пространство. Объем физически адресуемой процессором оперативной памяти называется его адресным пространством. Одна из функций процессора состоит в обмене данными с оперативной памятью и внешними устройствами. При этом процессор для ОЗУ формирует код адрес ячейки памяти, а для устройств - код устройства. Код адреса передается по адресной шине. Если разрядность адресной шины - N, тогда максимальное количество различных двоичных чисел для кода адреса может быть 2^N. Значит, 2^N -- это максимальное количество ячеек оперативной памяти к которым, используя адресную шину, может обратиться процессор. То есть 2^N - объем адресного пространства процессора. В частности, ЦП имеющий 32-разрядную шину адреса, имеет объем адресного пространства 2³² = 4 Гбайта.

Оперативная память

ОЗУ – интегральная микросхема, состоящая из большого числа ячеек. Каждая ячейка - это элемент памяти, при обращении к которому считывается несколько битов, имеющих один адрес. Адрес ячейки ОЗУ – ее порядковый номер.

Каждая ячейка ОЗУ состоит из физических ячеек, предназначенных для хранения одного бита данных.

По скорости записи-чтения данных и команд оперативную память подразделяют на кэш-память и собственно ОЗУ.

Кэш-память предназначена для хранения наиболее часто используемых данных. Время доступа к этой памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, она дороже, но, главное, что экспериментальное (т.е. в процессе работы ПК) выделение самых используемых данных обеспечивает значительное уменьшение времени доступа к оперативной памяти в целом.

Электронные схемы физических ячеек кэш-памяти не содержат конденсаторов и не требуют динамического обновления их зарядов для сохранения данных. Это память статического типа - SRAM (Static Random Access Memory).

Вначале кэш-память в виде соответствующей микросхемы устанавливали на материнской плате, вблизи центрального процессора. В настоящее время кэш-память обычно размещается в самом процессоре.

Принципы организации и исполнение ОЗУ постоянно совершенствуются. В настоящее время применяются (в порядке развития) три основные схемы ОЗУ:

- SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) – синхронизированная динамическая память с произвольным порядком выборки; принятое обозначение – DIMM,

- DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) –синхронизированная динамическая память с произвольным порядком выборки и удвоенной передачей данных; принятое обозначение – DDR DIMM,

- DRDRAM (Direct Rambus DRAM), — память (принятое обозначение – RIMM) , принципы построения которой отличаются значительной новизной, позволяющая восьмикратно повысить пиковую пропускную способность в сравнении с памятью DIMM.

Отличительной особенностью ОЗУ типа SDRAM является синхронизация частоты ее работы с частотой центрального процессора.

Основное отличие ОЗУ типа DDR SDRAM от SDRAM заключается в том, что в ней за один цикл происходит два обращения к данным: по переднему фронту и срезу импульса тактового сигнала. То есть в ней чтение-запись происходит два раза за один такт.

Завершаются работы по созданию памяти DDR SDRAM с четырьмя циклами чтение-запись за один такт.

В настоящее время идет соперничество производителей памяти DDR DIMM и RIMM. Однако к началу 2003 года уже простые модули DDR SDRAM обеспечили производительность сравнимую с новыми модулями фирмы Rambus.

Постоянная память

Постоянная память, или постоянное запоминающее устройство - ПЗУ ( ROM - Read Only Memory),- постоянная энергонезависимая память, - то есть память, в которой хранимые данные не пропадают при отключении компьютера от электропитания. Вначале ПЗУ предназначалась для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти поэтому специальным образом “зашивалось” в устройстве при его изготовлении, чтобы из ПЗУ можно было только читать.

В ПЗУ размещают программы тестирования устройств компьютера, загрузочные программы операционной системы и некоторые другие программы.

По мере совершенствования ПК возникла необходимость обеспечить возможность модернизации программ, размещаемых в ПЗУ. В результате практически все современные материнские платы допускают изменение этих программ в ПЗУ.

Разновидность постоянного ЗУ — CMOS RAM. Это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки, размещенной на материнской плате. CMOS RAM используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup.

Чипсет

Чипсет – это набор микропроцессоров системной логики и контроллеров материнской платы.

Когда чипсета еще не существовало, материнские платы несли на себе до ста микросхем, которые занимались логической организацией работы устройств компьютера. Появление в 1986 году специальных микропроцессоров для выполнения указанных функций привело к революционным изменениям, так как укрепило модульный принцип построения ПК, позволило значительно расширить круг производителей комплектующих для ПК и, в итоге, увеличило темпы совершенствования ПК.

В настоящее время чипсет (набор системной логики) имеет двухуровневую архитектуру: «северный мост» (North Bridge) и «южный мост» (South Bridge). Северный мост содержит контроллеры шины оперативной памяти, интерфейс между шиной процессора и основной шиной материнской платы. Все это реализовано на одном кристалле. Частота работы этой микросхемы равна тактовой частоте системной шины материнской платы. Высокая тактовая частота этих микросхем и большая мощность привели к необходимости оборудовать их устройствами охлаждения.

Южный мост является более медленной микросхемой, т.к. обеспечивает работу шин, используемых для подключения относительно медленных устройств: клавиатуры, мыши, жесткого диска, дисковода гибких дискет и др. Один и тот же тип микросхемы Южного моста может использоваться и работать с несколькими типами Северного моста.

Рис. 3. Чипсет и компоненты материнской платы

Связи чипсета с компонентами материнской платы иллюстрирует блок-схема на рис. 3 .

Лекция 4