Астахова Е.В. Введение в информатику

Подождите немного. Документ загружается.

МОДУЛЬ

АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО

КОМПЬЮТЕРА

1. УСТРОЙСТВО ЭВМ

2. ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Цель: ознакомление со структурой и функциональными возможностями основных

блоков персонального компьютера, с методами оценки производительности ПК.

Задачи:

¾ Получить общее представление об архитектуре персонального компьютера.

¾ Ознакомиться с основными направлениями развития микропроцессорной базы.

¾ Узнать назначение и характеристики контроллеров.

¾ Ознакомиться с историей и тенденциями развития интерфейсов вычислительных

систем, их назначением и типами.

¾ Изучить факторы воздействия мониторов на человека.

¾ Ознакомиться с методами измерения производительности процессора

После изучения модуля вы должны

Знать:

¾ Функциональные характеристики ПК.

¾ Общие характеристики устройств памяти.

¾ Назначение и характеристики основных устройств ПК.

¾ Характеристику системных интерфейсов и интерфейсов периферийных устройств.

¾ Единицы измерения производительности процессора.

Результат:

¾ Систематизация знаний об основном оборудовании ЭВМ.

¾ Получение представления о методах оценки производительности вычислительных

систем.

¾ Формирование начальной профессиональной базы для успешного овладения

такими дисциплинами как «Организация ЭВМ и систем», «Архитектура

вычислительных систем».

¾ Пополнение профессионального словарного запаса.

Kритерии:

¾ Сложность изучаемого материала (1 — простой, 2 — средний, 3 —

сложный)

¾ Минимально необходимое время изучения материала (в аудиторных часах)

— 30% знаний

¾ Время, необходимое для полного усвоения материала (в аудиторных

часах) — 80-100% знаний

1 УСТРОЙСТВО ЭВМ

1.1 СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ

В 1976 г. двое энтузиастов придумали самый первый ПК, который впоследствии вырос до

знаменитого Apple Macintosh.

Август 1981 года. Фирма IBM выпустила первый ПК, появление которого произвело в

мире информационную революцию.

Рис.1 Структурная схема ПК

Устройство управления формирует и передает во все блоки машины

управляющие импульсы; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой

операцией. Опорную последовательность импульсов устройство управления получает от

генератора тактовых импульсов.

Микропроцессорная память (МПП) служит для кратковременного хранения и

выдачи информации, используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины;

состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее 1 машинного слова.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех

арифметических и логических операций над числовой или символьной информацией.

Шина (магистраль) — это среда передачи сигналов, к которой может параллельно

подключаться несколько компонентов вычислительной системы и через которую

осуществляется обмен данными.

Системная шина включает:

• кодовую шину данных для параллельной передачи всех разрядов кода

операнда;

• кодовую шину адреса для параллельной передачи всех разрядов числового

кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода/вывода внешнего

устройства (порт ввода/вывода — аппаратура сопряжения для подключения к

процессору устройств).

• кодовую шину инструкций для передачи инструкций в виде управляющих

сигналов во все блоки ПК.

• шину питания для подключения блоков ПК к системе питания.

Подключение дополнительных устройств непосредственно к шине явилось

главным преимуществом, которое заключалось в разработке важнейшего принципа

построения ПК — открытой архитектуры.

Микропроцессор

 Устройство управления

 Микропроцессорная память

 Арифметико-логическое устройство

Интерфейсная система

Интерфейс

клавиатуры

Клавиатура

С И С Т Е М Н А Я Ш И Н А

Основная

память

ПЗУ

ОЗУ

Внешняя память:

Адаптер — HDD

Адаптер — ГМД

Адаптер — CD

апте

—

инте

Источник питания Тайме

Сетевой адаптер –> канал связи

Ви

еоа

апте

—

исплей

Генератор

тактовых

импульсов

Рис. 2 Общая схема центрального процессора

Регистры делятся на два вида:

• регистры общего назначения (универсальные, могут использоваться для

хранения любой информации);

• специальные регистры (применяют для хранения адресов, признаков

результатов выполнения операций, режимов работы ПК и т.п.).

Рис. 3 Функциональная схема устройства управления

Управляющие

регистры

Устройство

управления

АЛУ

Блок контроля

и диагностики

Регистры

общего

назначения

Интерфейсный блок

ПЗУ

Регистровая

память

Кэш–память

консоль

Запросы на прерывание

Кодовая шина инструкций

Дешифратор операций

Ко

коман

Регист

коман

Узел

формирования

адреса

КОП Адреса операндов

От

генератора

тактовых

импульсов

Код адреса

От МПП

Кодовая шина

данных

Кодовая шина

адреса

Код

команды

ПЗУ микропрограмм

Интерфейс — совокупность средств сопряжения и связи устройств ПК,

обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Рис. 4 Функциональная схема АЛУ

Сумматор — вычислительная схема; может иметь разрядность двойного

машинного слова. АЛУ выполняет арифметические операции только над целыми

числами; для работы с СПТ и двоично-кодированными десятичными числами

используется математический сопроцессор.

Контроллер — плата, управляющая работой периферийного устройства

(дисководом, винчестером, монитором и т.д.) и обеспечивающая его связь с материнской

платой.

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена

информацией с блоками ПК; содержит ПЗУ(ROM) и ОЗУ(RAM).

ОЗУ предназначено для хранения и считывания информации непосредственно

участвующей в вычислительном процессе; это энергозависимая память.

ПЗУ строится на основе установленных на материнской плате модулей (кассет);

используется для хранения неизменяемой информации, например, загрузочных программ

ОС, программ тестирования устройств ПК; это энергонезависимая память. Структурно

основная память состоит из ячеек емкостью 1 байт каждая.

Логические области основной памяти

• непосредственно адресуемая память; занимает первые 1024 Кбайт;

• стандартная память — непосредственно адресуемая память в диапазоне от 0

до 640 Кбайт;

• верхняя память — непосредственно адресуемая память в диапазоне от 640 до

1024 Кбайт; зарезервирована под видеопамять и ПЗУ;

• расширенная память; занимает адреса от 1024 Кбайт и выше; используется

для хранения данных и некоторых программ ОС, для организации

виртуальных дисков; доступ осуществляется с помощью специальных

программ-драйверов;

Регистровая кэш-память — высокоскоростная память, является буфером между

ОП и микропроцессом (cache — тайник). В кэш-памяти хранятся данные, которые МП

получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы.

Внутримашинный системный интерфейс — совокупность электрических линий

связи (проводов), схем сопряжения с компонентами ПК, протоколов (алгоритмов)

передачи сигналов.

Регистр 1: 1-е число и результат

Регистр 2: 2-е число

Сумматор

Схема

управле-

ния

регистра-

ми

Кодовая шина

данных

Кодовая шина

инструкций

Различают:

• многосвязной интерфейс, когда каждый блок ПК связан с другими блоками

своими локальными проводами;

• односвязный интерфейс, когда все блоки ПК связаны друг с другом через

системную шину.

Функциональные характеристики ПК

1. Производительность, тактовая частота.

2. Разрядность ПК и кодовых шин интерфейса.

3. Типы системного и локальных интерфейсов (разные скорости передачи

информации между узлами ПК, разное количество подключаемых внешних устройств).

4. Емкость оперативной памяти и накопителя на жестких магнитных дисках.

5. Параметры накопителей CD и ГМД.

6. Вид и емкость кэш-памяти. Наличие кэш 256 Кбайт увеличивает

производительность ПК приблизительно на 20%.

7. Тип видеомонитора и видеоадаптера.

8. Имеющееся ПО и тип ОС.

9. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ПК.

10. Возможность работы в вычислительной сети.

11. Надежность, стоимость, габариты и вес.

1.2 СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ

Платы IBM-совместимых ПК подразделяются на классы в соответствии с типом

процессора, различаясь по быстродействию внутри каждого класса.

Пример классификации

Класс процессора

(год выпуска)

Тактовая

частота

МГц

Класс процессора

(год выпуска)

Тактовая частота

МГц

АТ286 (1982) 12-25 Intel Pentium II K6-2 (1997) 233-450

АТ386 (1985) 16-40 Intel Pentium III K6-3 (1999) 450-1000

АТ486 (1989) 25-166 Intel Pentium 4 (2000) 2660-3400

Intel Pentium (1993) 60-200

….. …..

Intel Pentium Pro

(1995)

150-200 IBM Power6 (в проекте на

2007 г.)

4000-5000

Платы AT 286 без математического сопроцессора и без оперативной памяти сняты с

производства в 1992 году. Платы 386 сняты с производства в 1994 году.

Все материнские платы различных ПК, практически, устроены по одной и той же

схеме вплоть до расположения различных элементов.

Чипсет — комплект микросхем с системной логикой. Может быть реализован в

виде раздельных чипов, либо в виде интегральной монокристальной схемы. Чипсет

обеспечивает работу процессора, системной шины, интерфейсов взаимодействия с

оперативной памятью и другими компонентами компьютера.

Системные наборы могут включать 2 «базовые» микросхемы — северный и

южный мосты. Северный мост управляет шинами AGP, системной памяти, PCI и

взаимодействует с системной шиной процессора. Южный мост управляет интерфейсами

IDE, USB, имеет контроллеры клавиатуры, мыши, FDD.

Системные наборы могут иметь хабовую (хаб — узел) архитектуру, основу

которой составляют 3 микросхемы:

1. Контроллер памяти.

2. Контроллер ввода/вывода.

3. Хаб с базовой системой ввода/вывода (BIOS) и генератором случайных чисел.

Форм-фактор (типоразмер) системной платы определяет ее размеры, тип разъема

питания, расположение элементов крепления, размещение разъемов различных

интерфейсов.

Форм-факторы системной платы:

AT — устаревший форм-фактор; размер паты 8,5” по ширине и 13” по глубине.

ATX (1995 г., Intel). Появился встроенный разъем мыши PS/2.

Extended ATX (для серверных стоек) имеет до 7 слотов расширения.

Micro ATX — 4 слота расширения.

Flex ATX — 3 слота расширения.

LPX — типоразмер для сверхнизких корпусов.

NLX — типоразмер для компактных компьютерных систем. Имеется отдельная

процессорная плата, которая вставляется в специальный разъем. Такая конструкция

позволяет существенно сократить длину шин и кабелей ля подсоединения дисководов.

Системная плата имеет специальные направляющие «салазки», по которым «въезжает» в

системный блок.

Большинство производителей системных плат указывают диапазон частот

процессора, на которых они работают. Это не вполне корректно, поскольку сама плата

работает на определенной частоте (например, 66, 100, 133 МГц). Умножение частоты

происходит внутри процессора и только он определяет, на какой частоте будет работать.

1.3 ПРОЦЕССОРЫ

Семейство процессоров Intel

Микросхема Год

выпуска

Количество

транзисторов

Объем

памяти

4004 1971 2 300 640 байт

Pentium 1993 3 100 000 4 Гбайт

Pentium Pro 1995 5 500 000 4 Гбайт

(2 уровня кэш)

Pentium II 1997 7 500 000 4 Гбайт

Pentium III 1999 9 500 000 4 Гбайт

Pentium 4 2000 42 000 000 4 Гбайт

По прогнозам аналитиков, к 2012 году число транзисторов в микропроцессоре достигнет

1 млрд., тактовая частота возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100

млрд.оп/с.

Технологические нормы производства процессоров определяют допустимое

расстояние между элементами на кристалле и минимально возможный их размер. Чем

меньше расстояние, тем больше элементов можно разместить на единице площади

кристалла, либо при определенном числе элементов сделать больше кристаллов из

сплошной кремниевой пластины. В настоящее время используется технологический

процесс с нормами 90 нм.

Теоретические и первые экспериментальные работы в области нанофизики и

нанотехнологии были сделаны выдающимся российским ученым и изобретателем

профессором П.К. Ощепковым (1908-1992). В его работах — обоснование физики

ультратонких или, как сейчас говорят, наноструктур. Ощепков впервые высказал

основные положения современной нанотехнологии об использовании волновых

свойств электронов и их способности к туннелированию на наноструктурах для создания

принципиально новых энергетических устройств.

Pentium 4 — один из первых серийных процессоров, созданный по нанотехнологии.

Одновременно было решено перейти с римских цифр в обозначениях моделей на

арабские. Фактический размер микросхемы составляет16,0 х 13,5 мм.

С точки зрения программного обеспечения Pentium 4 представляет собой 32-

разрядную машину. Он поддерживает ту же стандартную промышленную архитектуру

(ISA), что и процессоры 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium Pro и Pentium III.

Помимо этого в Pentium 4 предусмотрен набор специализированных команд для

выполнения мультимедийных приложений.

С точки зрения аппаратного обеспечения Pentium 4 схож с 64-разрядными

машинами, так как он может передавать данные в память и из памяти блоками по 64 бита.

Рис 5. Схема системы на базе Pentium 4

В Pentium II, Pentium Pro и Pentium III была реализована общая внутренняя

микроархитектура, различавшаяся в зависимости от модели процессора только по

быстродействию и ряду второстепенных параметров. Процессоры Pentium 4 снабжены

новой микроархитектурой под названием NetBurst, которая предусматривает, в частности,

два АЛУ (каждое из которых работает в два раза быстрее тактовой частоты, обеспечивая

возможность выполнения

двух операций за один цикл), а также поддерживает технологию

гиперпоточности. Под гиперпоточностью понимается наличие внутренних ресурсов,

которые позволяют Pentium 4 переключаться между двумя программами с высочайшей

скоростью — так, как будто в системе установлен не один, а два процессора. То есть,

задачи делятся на два программных потока, которые обрабатываются процессором

параллельно; следовательно, скорость выполнения

повышается. Pentium 4 способен

выполнять несколько команд за один цикл и является суперскалярной машиной.

В процессорах Pentium 4 используется двухуровневый или трехуровневый кэш, в

зависимости от модели. Во всех моделях присутствует встроенный в микросхему кэш

первого уровня (L1) объемом 8 Кбайт. Кэш первого уровня Pentium 4 способен

удерживать до 12`000 декодированных микроопераций, за счет чего необходимость в их

повторном декодировании исчезает. Емкость кэша второго уровня составляет от 256

Кбайт в старых моделях до 1 Мбайт в более современных. В кэше второго уровня байты

хранятся без декодирования. В таком кэше могут одновременно размещаться элементы

Шина PCI

Шина памяти

Шина AGP

Локаль

шина

Локальная

Кэш

1-2

кода и данные. В модели Pentium 4 Extreme Edition также реализован кэш третьего уровня

емкостью 2 Мбайт, что еще больше повышает производительность.

Фирма Intel предложила физическое разделение блоков на кристалле: ядро (сам

процессор) и остальные элементы (контроллеры памяти, интерфейс шины и т.п.).

Разделение осуществляется путем подачи на них разных напряжений питания. Понятие

«конструктив» означает некое сооружение, в недра которого заключены процессоры. Это

и процессорная плата, на которой располагаются кристаллы процессора, и кэш-память

второго уровня, и корпус, охватывающий эту плату, и радиатор.

Охлаждение процессора

Pentium II-300 потреблял при работе 43 Вт, а Pentium-4 (2 ГГц) — до 75 Вт.

Практически вся электрическая мощность процессора преобразуется в тепловую

энергию, которую необходимо отводить. Радиатор — кусок металла с относительно

большой площадью поверхности — устанавливается на процессоре для его эффективного

охлаждения; относится к пассивным элементам охлаждения.

Схема Thermal Monitor для Pentium-4 от Intel обеспечивает не только мониторинг

температуры, но и снижение рабочей частоты при перегреве.

В воздушных системах охлаждения шина питания и управления позволяет

контролировать частоту вращения крыльчатки вентилятора, удерживая температуру

процессора в заданном диапазоне. Незначительный перегрев может привести к

зависаниям компьютера. Воздушные системы охлаждения отличаются повышенным

шумом и весом.

В системах водяного охлаждения насос прокачивает воду через теплообменник,

закрепленный на кристалле. Нагретая вода поступает для охлаждения в радиатор,

обдуваемый вентилятором. Эффективность систем водяного охлаждения на 35-40% выше,

чем у типовых систем воздушного охлаждения.

«Разгон» процессора

Повышение напряжения питания электронного устройства на 10 % по сравнению

с номинальным сокращает его ресурс в среднем в полтора-два раза. Средний ресурс

процессора составляет порядка 100 тыс. часов, т.е. примерно 30 лет при ежедневной 10

часовой работе. Следовательно, после разгона ресурс составляет не менее 15 лет при

указанном режиме использования. Однако, процессоры морально устаревают максимум

через 2 года после своего выпуска, а уже через 10 лет их нельзя эффективно использовать

т. к. программные продукты будущего на нем уже “ не идут”!

1.3.1 Основные направления развития микропроцессоров

1. Повышение тактовой частоты

Для повышения тактовой частоты при выбранных материалах используются:

• более совершенный технологический процесс;

• увеличение числа слоев металлизации;

• более совершенная схемотехника;

• более плотная компоновка функциональных блоков кристалла.

Уменьшение размеров транзисторов, сопровождаемое снижением напряжения

питания с 5 В до 2,5-3 В и ниже, увеличивает быстродействие и уменьшает выделяемую

тепловую энергию. Производители микропроцессоров перешли с проектных норм 0,35-

0,25 мкм на 0,18 мкм и 0,12 мкм и стремятся использовать уникальную 0,07 мкм

технологию. При минимальном размере деталей внутренней структуры интегральных

схем 0,1-0,2 мкм достигается оптимум, ниже которого все характеристики транзистора

быстро ухудшаются. Норма 0,05-0,1 мкм (50-100 нм) — это нижний предел твердотельной

микроэлектроники.

Проблема уменьшения длины межсоединений на кристалле при использовании

традиционных технологий решается путем увеличения числа слоев металлизации. Так,

Cyrix за счет увеличения с 3 до 5 слоев металлизации сократила размер кристалла на 40%

и уменьшила выделяемую мощность. Решением задачи уменьшения числа слоев

металлизации и уменьшения длины межсоединений стала технология, использующая

медные проводники для межсоединений внутри кристалла, разработанная фирмой IBM.

Фирма DEC

в конце 1996 г. поставляла Alpha 21164 с тактовой частотой 500 МГц,

в 1997 г. — Alpha 21264 с тактовой частотой 600 МГц,

в 1998 г. — Alpha 21264 с тактовой частотой 750 МГц и выше.

По данным на 2007 год, начался выпуск процессоров (IBM — Power6) для персональных

компьютеров с тактовой частотой 4-6 ГГц.

2. Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти

Решением данной проблемы является создание кэш-памяти одного или

нескольких уровней, а также увеличение пропускной способности интерфейсов между

процессором и кэш-памятью (путем увеличения частоты работы шины и/или ее ширины).

Увеличение размеров кэш-памяти может быть реализовано в виде:

• внешних кэш-

памятей данных и команд;

• отдельного кристалла кэш-памяти второго уровня;

3. Увеличение количества параллельно работающих устройств

Каждое семейство микропроцессоров в следующем поколении характеризуется

увеличением числа функциональных исполнительных устройств и улучшением их

характеристик, как временных, так и функциональных.

4. Системы на одном кристалле

SOC (System On Chip) — системы, выполненные на одном кристалле. Корпорация

IBM в 1999 году смогла реализовать процесс объединения на одном кристалле логической

части микропроцессора и оперативной памяти. В новой технологии используется

конструкция памяти с врезанными ячейками (конденсатор, хранящий заряд, помещается в

некое углубление в кремниевом кристалле). Это позволяет разместить на кристалле свыше

24 тыс. элементов (почти в 8 раз больше, чем на обычном микропроцессоре).

Использование данной технологии при создании более мощных и миниатюрных

микропроцессоров помогает создавать компактные, быстродействующие и недорогие

электронные устройства: маршрутизаторы, компьютеры, контроллеры жестких дисков,

сотовые телефоны, игровые и Интернет-приставки.

1.4 ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕРФЕЙСОВ

Интерфейс — это аппаратное и программное обеспечение, предназначенное для

сопряжения систем или частей системы.

Под сопряжением подразумевается:

• выдача и прием информации;

• управление передачей данных;

• согласование источника и приемника информации.

Технические характеристики интерфейсов:

• вместимость (максимально возможное количество абонентов, одновременно

подключаемых к контроллеру интерфейса);

• пропускная способность или скорость передачи

;

• максимальная длина линии связи;

• разрядность;

• топология соединения.

По функциональному назначению выделяют:

• системные интерфейсы (интерфейсы, связывающие отдельные части

компьютера как микропроцессорной системы);

• интерфейсы периферийных устройств.

1.4.1 Системные интерфейсы

Прародителями современных системных шин являются Unibus фирмы DEC (интерфейс с

общей шиной) и Multibus фирмы Intel (интерфейс с изолированной шиной).

Различают два класса системных интерфейсов:

1. С общей шиной (сигналы адреса и данных мультиплексируются).

2. С изолированной шиной (раздельные сигналы данных и адреса).

Первым стандартным системным интерфейсом для ПК следует считать ISA

(Industry Standard Architecture — Архитектура промышленного стандарта). ISA

представляет собой шину, используемую для обеспечения питания и взаимодействия плат

расширения с системной платой, в которую они вставляются.

Стандартная шина компьютера AT-ISA представляет 16-разрядный канал обмена

данными между устройствами ЭВМ.

Шина EISA (расширенная архитектура промышленного стандарта) имеет 32-разрядный

канал обмена.

MCA — микроканальная архитектура — имеет 32-разрядную шину.

Наиболее распространенными локальными шинами считались VLB и PCI. VLB

имеет 32-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса. Спецификация VLB2,

ориентирована на Intel Pentium, (64-разрядная шина данных, тактовая частота до 50 МГц,

поддержка Plug&Play), однако эта разработка была вытеснена шиной PCI. Шина PCI

(Peripheral Component Interconnect — Взаимодействие внешних компонентов) была

предложена фирмой Intel в 1992 году как альтернатива локальной шине VLB/VLB2.

Интерфейс PCI независим от конкретного типа процессора и предоставляет

возможность параллельной работы с несколькими устройствами. С помощью PCI к

материнской плате подключаются устройства расширения: звуковые карты, контроллеры,

модемы, сетевые карты. Спецификация PCI позволяет устройствам перехватывать

управление шиной и самостоятельно распределять ее ресурсы. Специальный таймер

определяет максимальное время, в течение которого возможен монопольный доступ. К

настоящему времени принцип параллельной разделяемой шины теряет актуальность.

Рис. 6 Сравнение топологий PCI и PCI Express

Одна из особенностей интерфейса PCI Express — использование топологии

"звезда". В топологии "шина" устройствам приходится разделять пропускную способность

PCI между собой. При топологии "звезда" каждое устройство монопольно использует

канал, связывающий его с концентратором PCI Express.

С повсеместным внедрением технологий мультимедиа пропускной способности

шины PCI стало не хватать для производительной работы видеокарты. Для ускорения

ввода/вывода данных в видеокарту и увеличения производительности обработки

Устройства

расширения

……

Устройства

расширения

….. ……

PCI

PCI-E