Лекция 2.2. Состав и назначение основных элементов персонального компьютера
Центральный процессор
Центральный процессор (ЦП) – функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. В современных ПК разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:
· Полная система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC);
· Сокращенный набор команд фиксированной длины – Reduced Instruction Set Computer (RISC).
Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в ПК IBM имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих ПК, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои достоинства и недостатки. CISC - процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать, наиболее подходящую в данном случае, команду. Недостатком является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управления процессором, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.
RISC – архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессором. К недостаткам можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.
Упрощенная схема процессора, отражающая основные особенности архитектуры микро - уровня, приведена на рис. 2.2.1. Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устройство управления выполнением команд. Оно содержит:
· Буфер команд, который хранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшая время ее выборки из памяти;
· Дешифратор команд расшифровывает код операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы, которая реализует исполнение команды;
|
| ||||
|
АЛУ
 |
Внутренняя шина
|
…  |
шина шина шина
адреса данных управления
Рис. 2.2.1. Архитектура процессора
· Управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счетчик микрокоманд, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;
· Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд – это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него информация сохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения.
Выборка очередной микрокоманды осуществляется через определенный интервал времени, который зависит от времени выполнения предыдущей микрокоманды. Частота, с которой осуществляется выборка микрокоманд, называется тактовой частотой процессора. Тактовая частота является важной характеристикой процессора, так как определяет скорость выполнения процессором команд, и, в конечном итоге, быстродействие процессора.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специальных регистров, полно разрядного сумматора и схем местного управления. В основе АЛУ лежит устройство, реализующее арифметическую операцию. Сложения двух целых чисел. Остальные арифметические операции реализуются с помощью представления чисел в специальном дополнительном коде. Сумматор АЛУ – это много разрядное устройство, каждый разряд которого представляет собой схему на логических элементах, выполняющих суммирование двух одноразрядных двоичных чисел с учетом переноса из предыдущего младшего разряда (полусумматор). Результатом является сумма входных величин и перенос в следующий старший разряд. Такое функциональное устройство называется одноразрядным, полным сумматором.
Регистры общего назначения (РОН) используются для временного хранения операндов исполняемой команды и результатов вычислений, а также хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-вывода для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Если операнды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается.
Процессоры для современных ПК типа IBM PC выпускают многие фирмы, но наиболее распространенными являются процессоры фирмы Intel. Ее последняя разработка - процессор Pentium 4 (выпуск начат в 2001 г.). К основным особенностям архитектуры Pentium 4 относится:
- В системы команд добавлены новые команды, ориентированные на работу с видео- и аудио - потоками;
- Имеется специальный внутренний КЭШ, размером 256 Кбайт, который работает на тактовой частоте процессора, и имеет собственную шину связи с процессором, обеспечивающую скорость обмена 48 Гбайт/с;
- Внутренняя микро архитектура процессора базируется на двух параллельно работающих конвейерах команд (суперскалярная архитектура), которые исполняют сразу несколько команд в разных фазах обработки (чтение, дешифрация, загрузка операндов, исполнение), конвейеры заканчиваются двумя АЛУ, работающими на удвоенной частоте процессора для коротких арифметических и логических команд, и АЛУ для выполнения медленных команд;
- Процессор работает на частотах 1500 – 3000 МГц и содержит около 42 млн. транзисторов.
Фирма Intel поставляет упрощенные варианты процессор Pentium 4 под названием Celeron, который в два раза дешевле базового варианта. Последние модели Celeron ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаях превосходят его.
2.2.2. Внутренние запоминающие устройства: оперативное запоминающее устройство, кэш-память, постоянное запоминающее устройство
Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), или RAM (Random Access Memory) - памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаясь к ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов – один байт. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схемы памяти подается питание, т.е. она является энергозависимой.
Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM (Dynamic RAM), и статическое ОЗУ, или SRAM (Static RAM). Быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем статического. Обычно, в качестве оперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В кэш – память из динамической памяти заносятся команды и данные, которые процессор будет выполнять в данный момент.
Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения ее производительности. Например, размещение в одном корпусе микросхемы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов.
Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта память называется кэш–памятью (от анг. Cache – запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем ОЗУ, и сравнимо со скоростью работы самого процессора. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, она делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16-128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт – 2 Мбайта. Кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, ее объем может составлять 16 – 1000 Мбайт.
Использование процессом кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.
В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохраняет записанную информацию при отсутствии питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Постоянные запоминающие устройство можно разделить по способу записи с них информации на следующие категории:
ПЗУ, программируемые однократно. Программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию.
Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Позволяют перепрограммировать их многократно. Изменение содержания ППЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш - технологией), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами.
Внутренние шины
Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется: шириной – числом параллельных проводников для передачи информации; тактовой частотой – частотой, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации.
Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать. Если ширина шины адреса n, то количество адресуемой памяти равно 2n.
Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и ее ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32 – 64.
Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Ее ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом ее работы или протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора (рис. 2.2.1.), или отдельным контроллером шины (рис. 2.1.11.).
Разработчики предлагают включать в состав компьютера дополнительные шины, связывающие напрямую центральный процессор и отдельные наиболее быстродействующие устройства. Такие шины получили название локальных шин. На рис. 2.1.11 локальные шины используются для подключения к процессору запоминающего устройства и видеоконтроллера.
Основные характеристики общих и локальных шин, применяемых в ПК фирмы IBM.
Общая шина PCI применяется в настольных компьютерах, в настоящее время используется модификация PCI 2/1/ Тактовая частота контроллера этой шины 66 МГц, ширина шины адреса – 32, а шины данных – 64 разряда. Пиковая пропускная способность шины 528 Мбайт/с.
Общая шина PCMCIA применяется в переносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры, сравнимые с параметрами шины PCI/
Локальная шина для подключения видеоконтроллера AGP позволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Она ориентирована на массовую передачу видеоданных. Имеет конвейерную организацию выполнения операций чтения/записи, что позволяет избежать задержек при обращении к модулям памяти. За один такт работы может передать два, четыре или восемь блоков данных, в зависимости от установленного режима работы. При установке режима параллельной передачи восьми блоков обеспечивает пиковую скорость передачи 2112 Мбайт/с.