Состав ЭВМ. Архитектура Фон Неймана

Термин «архитектура» довольно часто встречается в литературе по вычислительной технике. Архитектура ПК – это описание совокупности устройств и блоков компьютера, а также связей между ними. Кроме того, архитектура – это описание принципа действия ПК. Ближе всего к понятию архитектура находится термин «функциональная схема».

Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной – ЭВМ. Структура такого устройства была описана знаменитым математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г. Фон Нейман выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. На рис. 1 пунктирными линиями обозначены цепи сигналов управления (управляющие связи), одинарными – цепи передачи данных и адресов (информационные связи).

Состав ЭВМ. Архитектура Фон Неймана - student2.ru

Рис. 1. Структурная схема вычислительного устройства

Основными блоками по Нейману являются устройства управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативная память, внешняя память, устройства ввода и вывода. ВЗУ – внешнее запоминающее устройство отличается от других устройств ввода\вывода тем, что данные в него заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение арифметических и логических операций, согласование работы узлов компьютера).

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство или память, хранит данные, адреса и команды, обладает высокой скоростью записи и чтения чисел. Состоит из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Двуядерные процессоры

Поскольку для производства процессоров Athlon 64 X2 под Socket 939 используется два ядра (Toledo и Manchester), то для лучшего восприятия сведем характеристики процессоров в обну таблицу:

Наименование	Степпинг ядра	Тактовая частота	Объем кэш-памяти L2
X2 4800+	Toledo (E6)	2400 МГц	2 x 1Мб
X2 4600+	Manchester (E4)	2400 МГц	2 х 512Кб
X2 4400+	Toledo (E6)	2200 МГц	2 x 1Мб
X2 4200+	Manchester (E4)	2200 МГц	2 х 512Кб
X2 3800+	Manchester (E4)	2000 МГц	2 х 512Кб

Все процессоры имеют кэш-память первого уровня 128Кб, штатное напряжение питания (Vcore) 1,35-1,4В, а максимальное тепловыделение не превышает 110 Вт. Все перечисленные процессоры имеют форм-фактор Socket 939, используют шину HyperTransport = 1Ггц (множитель HT = 5) и произведены по 90нм техпроцессу с использованием SOI. Кстати, именно использование столь "тонкого" техпроцесса позволило добиться рентабельности производства двухъядерных процессоров. Для примера ядро Toledo имеет площадь 199 кв. мм., а количество транзисторов достигает 233,2 миллионов!

Процессор Athlon 64 X2 3600+ имеет немного необычную маркировку ADO3600IAA4CU, которая расшифровывается примерно следующим образом: ADO – Athlon 64 с тепловым пакетом до 65 Вт для рабочих станций (процессор меньше потребляет энергии и меньше греется), 3600 – рейтинг процессора, I – тип корпуса 940 pin OµPGA (Socket AM2), A – напряжение питания ядра ≈1,25-1,35 В, A – максимально допустимая температура корпуса ≈55-70°C, 4 – суммарный размер кэш-памяти второго уровня 512 Кб (2х256 Кб), CU – ядро Winsdor (такое же используется и в остальных процессорах Athlon 64 X2 имеющих 2х512 Кб кэш-памяти второго уровня). Судя по маркировке, перед нами Athlon 64 X2 3800+ с аппаратно заблокированной половиной L2 у каждого ядра, благодаря чему он стал дешевле и экономичнее в плане энергопотребления.

Процессор Athlon 64 X2 5000+, выполненный на базе версии с рабочим названием Windsor (Revision F), обладает тактовой частотой ядра 2,60 ГГц, 2 х 128 Кб кэша L1 и 2 х 512 Кб кэша L2. Чип поддерживает шину HyperTransport с тактовой частотой 2 ГГц и оснащён встроенным контроллером памяти с поддержкой 2-канального режима модулей DDR2-800/667/533/400.

Athlon 64 X2 Socket AM2

	Частота CPU, ГГц	Частота HT, МГц	L2, Кб	Техпроцесс	Двухканальный контролер памяти	64bit	NX-bit	Cool'n'Quiet
Athlon 64 X2 5200+	2,6		2x1024	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 5000+	2,6		2x512	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 4800+	2,4		2x1024	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 4600+	2,4		2x512	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 4400+	2,2		2x1024	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 4200+	2,2		2x512	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 4000+	2,0		2x1024	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 3800+	2,0		2x512	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 3600+	2,0		2x256	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да

Athlon 64 X2 Socket 939

	Частота CPU, ГГц	Частота HT, МГц	L2, Кб	Техпроцесс	Двухканальный контролер памяти	64bit	NX-bit	Cool'n'Quiet
Athlon 64 X2 4800+	2,4		2x1024	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 4600+	2,4		2x512	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 4400+	2,2		2x1024	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 4200+	2,2		2x512	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 4000+	2,0		2x1024	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да
Athlon 64 X2 3800+	2,0		2x512	90нм, SOI	Да	Да	Да	Да

Первые двухъядерные процессоры Intel были основаны на ядре Smithfield, которое является ничем иным, как двумя ядрами Prescott степпинга E0 объединенными на одном кристалле. Между собой ядра взаимодействуют через системную шину при помощи специального арбитра. Соответственно размер кристалла достиг 206 кв. мм., а количество транзисторов увеличилось до 230 миллионов.

Перечислим модели процессоров на ядре Smithfield. Это Pentium D с индексами 820, 830 и 840 а также Pentium Extreme Edition 840. Все они работают на частоте системной шины 200 МГц (800QPB), выпущены по 90нм техпроцессу, имеют штатное напряжение питания (Vcore) 1,25-1,388 В, максимальное тепловыделение ~130 Вт (хотя по некоторым оценкам тепловыделение EE 840 находится на уровне 180 Вт).

Что касается процессорного ядра Presler, то подчеркнем те технические моменты, которые отличают их от ядра Smithfield. Самый главный факт - на одном ядре Presler размещены два ядра Cedar Mill, которое является ничем иным как ядром Prescott 2M выпущенным по 65нм техпроцессу (у ядра Smithfield два "обычных" ядра Prescott). Тем самым инженеры Intel воспользовались преимуществом 65 нм техпроцесса, который позволяет либо уменьшить площадь кристалла либо увеличить кол-во транзисторов.

Наименование	Степпинг ядра	Тактовая частота	Частота шины (FSB)	Объем кэш-памяти L2	HyperThreading	Поддержка виртуализации
Pentium D 820	Smithfield	2800Мгц	800Мгц	2 x 1Мб	Нет	Нет
Pentium D 830	Smithfield	3000Мгц	800Мгц	2 x 1Мб	Нет	Нет
Pentium D 840	Smithfield	3200Мгц	800Мгц	2 x 1Мб	Нет	Нет
Pentium Extreme Edition 840	Smithfield	3200Мгц	800Мгц	2 x 1Мб	Да	Нет
Pentium D 920	Presler	2800Мгц	800Мгц	2 x 2Мб	Нет	Да
Pentium D 930	Presler	3000Мгц	800Мгц	2 x 2Мб	Нет	Да
Pentium D 940	Presler	3200Мгц	800Мгц	2 x 2Мб	Нет	Да
Pentium D 950	Presler	3400Мгц	800Мгц	2 x 2Мб	Нет	Да
Pentium Extreme Edition 955	Presler	3466Мгц	1066Мгц	2 x 2Мб	Да	Да

Core 2 Extreme X6800, и Core 2 Duo E6600 выполнены на ядре Conroe, оба обладают 4 Мб кэша L2, поддерживают FSB 1066 МГц и имеют исполнение LGA775. Основное различие между ними, если, конечно, не брать в расчёт цену, TDP и некоторые детали, не играющие сейчас роли – это множитель. Да, именно множитель х11 у Core 2 Extreme X6800 (2,93 ГГц) мы изменили на х9 (благо, чип это позволяет) для того, чтобы эмулировать вполне себе адекватную модель процессора Core 2 Duo E6600 (2,4 ГГц).

Intel Pentium D 9xx LGA775

	Частота CPU, ГГц	FSB, МГц	L2, Кб	Техпроцесс	Intel Virtualization Technology	EM64T	Execute Disable Bit	Enhanced Intel Speedstep Technology
Pentium D 960	3,6		2x2048	65 нм	Да	Да	Да	Да
Pentium D 950	3.4		2x2048	65 нм	Да	Да	Да	Да (кроме степпинга B1)
Pentium D 945	3.4		2x2048	65 нм	Нет	Да	Да	Да
Pentium D 940	3,2		2x2048	65 нм	Да	Да	Да	Нет
Pentium D 930	3,0		2x2048	65 нм	Да	Да	Да	Нет
Pentium D 925	3,0		2x2048	65 нм	Нет	Да	Да	Да
Pentium D 920	2,8		2x2048	65 нм	Да	Да	Да	Нет
Pentium D 915	2,8		2x2048	65 нм	Нет	Да	Да	Да

Intel Pentium D 8xx LGA775

	Частота CPU, ГГц	FSB, МГц	L2, Кб	Техпроцесс	Intel Virtualization Technology	EM64T	Execute Disable Bit	Enhanced Intel Speedstep Technology
Pentium D 840	3,2		2x1024	90 нм	Нет	Да	Да	Да
Pentium D 830	3,0		2x1024	90 нм	Нет	Да	Да	Да
Pentium D 820	2,8		2x1024	90 нм	Нет	Да	Да	Нет
Pentium D 805	2,66		2x1024	90 нм	Нет	Да	Да	Да

Четырехядерные процессоры

В конце 2007 года стало известно о переходе Intel на 45 нм техпроцесс, все стали ожидать обновление ядра Conroe. И Intel оправдала ожидания - представила новое семейство процессоров под названием Penryn, которое включает 4-ядерное ядро Yorkfield и 2-ядерное Wolfdale.

Наименование	Ядро	Количество ядер	Частота	FSB	Множитель	Кэш L2
Core 2 Extreme QX9770	Yorkfield		3,2 ГГц	400 МГц		12 Мб
Core 2 Extreme QX9650	Yorkfield		3,0 ГГц	333 МГц		12 Мб
Core 2 Quad Q9550	Yorkfield		2,83 ГГц	333 МГц	8,5	12 Мб
Core 2 Quad Q9450	Yorkfield		2,66 ГГц	333 МГц		12 Мб
Core 2 Quad Q9300	Yorkfield		2,5 ГГц	333 МГц	7,5	6 Мб
Core 2 Duo E8500	Wolfdale		3,16 ГГц	333 МГц	9,5	6 Мб
Core 2 Duo E8400	Wolfdale		3,0 ГГц	333 МГц		6 Мб
Core 2 Duo E8300	Wolfdale		2,83 ГГц	333 МГц	8,5	6 Мб
Core 2 Duo E8200	Wolfdale		2,66 ГГц	333 МГц		6 Мб
Core 2 Duo E8190	Wolfdale		2,66 ГГц	333 МГц		6 Мб

Покупая процессор семейства Penryn (Yorkfield или Wolfdale) пользователь получает не 4 мегабайта кэш-памяти второго уровня (как у Conroe), а 6 мегабайт на каждом из чипов. Т.е. у тестового процессора QX9650, который включает два Wolfdale общий объем кэша L2 = 12 Мб, и именно это значение будет указано во всех спецификациях и прайс-листах. Кстати, о цене - QX9650 будет продаваться по цене в 1000$.

И что самое интересное, даже с большим объемом кэша, физические размеры Wolfdale заметно меньше чем у Conroe: 107 кв. мм. против 143 кв. мм! Причем у Wolfdale на этой площади расположено 410 миллионов транзисторов, а у Conroe - "только" 291 миллионов. Yorkfield содержит почти миллиард транзисторов (820 или 2 х 410), или примерно миллион транзисторов на $1 (для QX9650)! Более терпеливые приобретут транзисторы дешевле: через 6-8 недель выйдет процессор Q9450 (Yorkfield) с тактовой частотой 2,66 ГГц по цене ~$316.

Больший объем кэша L2 положительно повлияет на скорость работы ПО, производительность которого зависит от этого фактора. Однако кэш L2 у Penryn стал несколько медленнее, чем у Conroe. Впрочем, инженеры Intel отчасти компенсировали этот недостаток функцией Split Load Cache Enhancement.

Что касается типичного тепловыделения, то для тестового процессора QX9650 оно равно 130 Вт. Больше будет выделять только QX9770, у которого TDP будет равно 136 Вт, что вполне приемлемо для частоты 3,2 ГГц. Эта модель появится в первом квартале 2008 года по цене ~$1400.

На данный момент первым и пока единственным представителем нового семейства Penryn является процессор Core 2 Extreme QX9650 с тактовой частотой 3 ГГц, который содержит четыре ядра и работает на частоте FSB = 333 МГц (1333 QPB). Yorkfield выйдет в январе-феврале 2008 года.

Если крышку снять, то мы обнаружим два двухъядерных чипа Wolfdale, на каждом из которых установлено по 6 Мб кэш-памяти второго уровня (общий объем кэша L2 = 12 Мб). На обратной стороне процессоров на ядрах Wolfdale и Yorkfield мы можем обнаружить несколько отличную конфигурацию конденсаторов.

Наряду с этим семейство процессоров Penryn также будет поддерживать порядка 50 новых инструкций Intel SSE4, нацеленных на повышение возможностей и производительности при работе с мультимедийным контентом. Интересно в этой связи отметить, что поддержка ряда новых SSE инструкций была анонсировала ещё у процессоров Conroe, однако в рамках Fall IDF 2006 поддержка SSE4 была зарезервирована за следующим поколением микроархитектуры, Nehalem. Как указано в пресс-релизе, уже Penryn будет поддерживать новый набор инструкций Intel SSE4.

При переходе к нормам 45 нм техпроцесса для создания затворов транзисторов с малыми токами утечек инженерам Intel пришлось использовать новый материал для диэлектрика - так называемый high-k диэлектрик, в сочетании с новым материалом электрода затвора транзистора из сочетания металлов. Дело в том, что диоксид кремния (SiO₂, традиционно использовавшийся в качестве диэлектрика для создания затвора транзистора на протяжении сорока лет, просто-напросто исчерпал свои физические возможности. При разработке предыдущего 65 техпроцесса инженерам Intel удалось создать слой диэлектрика из диоксида кремния с легирующими углеродистыми присадками толщиной 1,2 нм – всего пять атомных слоёв!

Однако дальнейшее снижение толщины этого слоя приводит к появлению эффекта прямого тунеллирования и резкому увеличению тока утечки через материал диэлектрика затвора – по сути, диоксида кремния перестаёт быть препятствием для свободного дрейфа электронов, которые в таких условиях проявляют свойства уже не только частиц, но и волны, и никакой возможности гарантированно управлять состоянием такого транзистора уже нет.

Решить эту критическую проблему инженерам Intel помог подбор другого типа диэлектрика. Для этого диоксид кремния был заменён на тонкий слой материала на базе солей редкоземельного металла гафния с высоким показателем диэлектрической проницаемости k (high-k), в результате чего ток утечки удалось сократить более чем в десять раз по сравнению с традиционным диоксидом кремния.

Технологический 45 нм процесс Intel носит название P1266, при этом литография при производстве чипов Penryn используется та же, что и при работе с 65 нм техпроцессом. Несмотря на новый дизайн фоторезистов и новое поколение фотомасок, использование всё тех же 193 нм литографических инструментов позволило значительно сократить затраты при переходе на 45 нм нормы производства.

Новый 45 нм техпроцесс Intel подразумевает меньшие размеры транзисторов при значительно более плотном размещении этих транзисторов на пластине – примерно в два раза более плотное, чем в случае предыдущего 65 нм поколения. Уменьшившиеся размеры транзисторов привели к уменьшению примерно на 30% тока, требующегося для их переключения, при этом более чем на 20% выросла скорость переключения транзисторов, более чем в пять раз уменьшились токи утечки в канале "сток – исток", и более чем в десять раз снизились токи утечки диэлектрика затвора. Некоторые специалисты называют внедрение high-k диэлектриков и металлических материалов при создании электрода затвора более сложной и эффективной задачей, чем переход на новый прецизионный техпроцесс. Интересно также отметить, что следующий техпроцесс Intel - P1268, с 32 нм нормами, вполне возможно, также будет ориентироваться на использование 193 нм литографических инструментов[1].

Электронные таблицы

Электронные таблицы предназначены для хранения и обработки информации, представленной в табличной форме. Электронные таблицы — это двумерные массивы (которые обычно называют рабочими листами), состоящие из столбцов и строк. Программные средства для проектирования электронных таблиц называют также табличными процессорами. Они позволяют не только создавать таблицы, но и автоматизировать обработку табличных данных. Кроме того, с помощью электронных таблиц можно выполнять различные экономические, бухгалтерские и инженерные расчеты, а также строить разного рода диаграммы, проводить сложный экономический анализ, моделировать и оптимизировать решение различных, хозяйственных ситуаций и многое другое.

Функции табличных процессоров весьма разнообразны:

• создание и редактирование электронных таблиц:

• оформление и печать электронных таблиц;

• создание многотабличных документов, объединенных формулами;

• построение диаграмм, их модификация и решение экономических задач графическими методами;

• работа с электронными таблицами как с базами данных: сортировка таблиц, выборка данных по запросам;

• создание итоговых и сводных таблиц;

• использование при построении таблиц информации из внешних баз данных;

• решение экономических задач типа «что-если» путем подбора параметров;

• решение оптимизационных задач;

• статистическая обработка данных;

• создание слайд-шоу;

• разработка макрокоманд, настройка среды под потребности пользователя и т. д.

Адресация ячеек в Excel

В Excel используются относительные и абсолютные ссылки на ячейки. Абсолютной называется ссылка, в которой указана позиция ячейки внутри рабочего листа. Относительная ссылка на ячейку используется в формулах для указания адреса ячейки, содержащей формулу. При копировании формул необходимо учитывать, что при изменении адресов используемых в формуле ячеек или диапазонов ячеек, эти адреса автоматически корректируются. Когда же адрес в формуле не должен изменяться, пользователю следует применять абсолютную адресацию.

Абсолютный адрес задается путем указания знака $ перед номером столбца и/или строки. Допустимы следующие записи адреса ячейки: $АЗ, А$3, $А$3 или адреса диапазона $А$3:$В$5. Относительный адрес включает заголовки строки и столбца и автоматически пересчитывается при перемещении формулы с учетом количества строк и столбцов, на которые была перенесена формула. Если перед номером столбца стоит знак $, то ссылка на номер столбца является абсолютной, т. е. номер столбца не изменяется при копировании или перемещении формулы. Если $ стоит перед номером строки, то номер строки является абсолютной ссылкой и не изменяется при распространении формулы. Если $ стоит и перед номером столбца, и перед номером строки, то происходит ссылка на указанную ячейку, причем адрес ячейки не изменяется при распространении формулы. Для создания абсолютной ссылки удобно использовать клавишу абсолютной ссылки F4, которая осуществляет преобразование относительной ссылки в абсолютную и наоборот. Знак $ можно поставить в нужном месте, если при наборе адреса последовательно нажимать клавишу F4. Последовательное нажатие F4 будет добавлять или убирать знак перед номером столбца или строки в ссылке (С$2 или $С2 — так называемые смешанные ссылки).

Программирование

Составить, блок-схему алгоритма и программу на языке программирования BASIC или PASCAL для решения задачи, включающей ввод исходных данных, организацию цикла, и выбора по заданному условию. Для проверочного решения значение параметра задачи «А» соответствует последней цифре шифра зачетной книжки плюс 5. параметра «В» предпоследней цифре шифра плюс 12. Вариант выбирается по последней цифре шифра зачетной книжки. Изобразить алгоритм, распечатать текст программы и ответы проверочного решения.

№ варианта	Функция	Расчетные выражения	Условия выбора выражения	Интервал извенения аргумента	Шаг
	Y	=e^3x+cosAx =(A-B)x-lnx	x<3 x>=3	от 1 до 5	0.5

Состав ЭВМ. Архитектура Фон Неймана - student2.ru

10 CLS

15 A = 5+0: B = 2 + 12

20 FOR x = 1 TO 5 STEP 0.5

30 IF x < 3 THEN y = exp(3*x)+cos(A*x) ELSE y=(A-B)*x-ln(x)

40 PRINT "при x="; x; "y="; y

50 NEXT x

60 END

Тест

Введите А,В

5 16

x y

1 20.369

2 402.590

38102.324

4162755.200

53269018.364

6 -67.792

7 -78.946

8 -90.079

9-101.197

10-112.303

Задание 2

Составить таблицу «Ведомость начислений заработной платы»,введя фамилии (последняя строка: фамилия свояс окладом, соответствующим цифрам шифра зачетной книжки) и произвольные остальные оклады во все строки (5-6 строк).

Ввести расчетные формулы в ячейки первой строки (уральский коэффициент 15% суммы оклада и премии, подоходный налог 13% от начисленного, аванс до 50% от оклада, профсоюзный взнос 1% от начисленного). Касса подсчитать как разницу между начислениями и удержаниями.

Скопировать формулы по всем столбцам таблицы.

Определить суммы: Итого по столбцам таблиц.

Установить формат данных: денежный (р).

Отсортировать данные по убыванию, используя ключевым последний столбец/

Построить диаграмму по последнему столбцу (на диаграмме должен быть заголовок, численные значения и фамилии).

Распечатать таблицу и диаграмму.

Напечатать или записать использованные расчетные формулы и функции с указаниями адресов ячеек.

Решение.

Представим данные в виде таблицы

Состав ЭВМ. Архитектура Фон Неймана - student2.ru