Зинкевич В.П. Вычислительная техника и программирование

Подождите немного. Документ загружается.

6. ПРОЦЕССОРЫ КОМПЬЮТЕРОВ

6.1 Классификация процессоров

Процессоры можно классифицировать по различным признакам.

По назначению их делят на центральные и периферийные. В

однопроцессорных компьютерах (а к таковым относится большинство

современных персональных компьютеров) все основные функции

вычисления и управления выполняются одним процессором. Но некоторые

периферийные устройства могут иметь свои процессоры (например,

мониторы, принтеры и т.д.). Применение нескольких процессоров в

вычислительной системе обеспечивает большую эффективность

использования аппаратурных средств компьютера.

По способу выполнения арифметических и логических операций

процессоры делят на синхронные, асинхронные и комбинированные. В

синхронных процессорах любая операция независимо от ее сложности

выполняется за один машинный такт. При этом машинное время расходуется

неэффективно, так как для выполнения наиболее простых операций, которых

обычно достаточно много, требуется время, значительно меньшее одного

такта. В асинхронных процессорах любая операция занимает время,

необходимое для ее непосредственного выполнения, после чего компьютер

сразу переходит к выполнению следующей операции. Следовательно,

асинхронные процессоры будут более быстродействующими, но они

отличаются повышенной сложностью по сравнению с синхронными. В

комбинированных процессорах простые операции обычно выполняются

синхронно, а сложные – асинхронно.

По способу организации передачи и обработки информации процессоры

делят на параллельные, последовательные и комбинированные. Процессоры

параллельного действия предназначены для обработки информации,

представленной в параллельном коде. Такая обработка производится

одновременно пр всем разрядам, что ускоряет выполнение необходимой

операции. Процессоры последовательного действия предназначены для

обработки информации, представленной в виде временной

последовательности импульсов. При этом выполнение необходимых

опреаций производится с использованием одноразрядных электронных узлов

за столько тактов, сколько разрядов представлено в кодах обрабатываемой

информации.

По архитектуре и набору используемых микрокоманд они делятся на CISC

(complex instruction set computing) и RISC (reduced instruction set computing)

системы. Их отличие состоит в том, что CISС системы используют полный

набор команд в процессоре, а RISC системы – ограниченный набор команд.

CISC архитектура используется в микропроцессорах фирмы Intel, в то время

как RISC архитектура в микропроцессорах большинства остальных фирм

(IBM, AMD, Motorola и др.). В настоящее время наблюдается тенденция к

слиянию этих двух архитектур.

6.2. Структурная схема процессора

В зависимости от области применения компьютера состав процессора и

его структура могут существенно меняться. На рис. 6.1 проведена

упрощенная структурная схема процессора. с оперативным запоминающим

устройством (ОЗУ).

Рис. 6.1. Структурная схема процессора

Основными блоками процессора являются устройство управления (УУ),

арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок управляющих регистров

(БУР). АЛУ совместно с блоком управляющих регистров образует

вычислитель процессора. Устройство управления вырабатывает

необходимую последовательность управляющих сигналов, обеспечивающих

согласованную работу всех блоков компьютера при выполнении заданной

программы. Арифметико-логическое устройство процессора служит для

выполнения арифметических и логических операций над числами,

представленными в соответствующих кодах. АЛУ через устройство

управления связано с запоминающими устройствами (ОЗУ, СОЗУ), откуда

оно получает исходные данные и куда записываются результаты вычислений.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) не входят в состав

процессора, но являются необходимыми элементами для работы компьютера

и пояснения функционирования самого процессора. Сверхоперативное

запоминающее устройство (СОЗУ) или кэш-память является составной

частью процессора и служит для согласованной работы быстродействующего

процессора с относительно медленной оперативной памятью. В кэш-памяти

запоминаются на некоторое время полученные ранее данные, которые будут

использоваться процессором в ближайшее время. Благодаря кэш-памяти

время простоя процессора (ожидание новых команд и данных) сводится к

минимуму. В современных процессорах кэш-память делается двух уровней

(реже трех) – L1 и L2 - причем, первый уровень располагается на одном

кристалле с процессором, а второй делается в виде отдельной микросхемы.

Современные процессоры для персональных компьютеров отличаются

- конвейерной обработкой информации;

- суперскалярной архитектурой;

- наличием нескольких уровней кэш-памяти;

- наличием блока предсказаний адреса перехода;

ОЗУ

АЛУ

БУР

УУ

СОЗУ

- поддержкой многопроцессорного режима работы;

- наличием средств обнаружения ошибок.

Под конвейерной обработкой понимается использование нескольких

вычислительных блоков, которые часто называются конвейерами. Наличие в

процессоре двух конвейеров позволяет одновременно выполнять две

команды (инструкции). В современных процессорах имеются конвейеры для

выполнения операций с фиксированной точкой и конвейеры для вычислений

с плавающей точкой. Такие вычисления требуются при выполнении

математических расчетов, а также для быстрой обработки динамических

трехмерных цветных изображений. Когда в АЛУ выполняется n – я

микрокоманда, в регистровой памяти читается (n +1) – я микрокоманда, а в

блоке микропрограммного управления формируется адрес (n + 2) –й

микрокоманды.

Термин «суперскалярная архитектура» означает, что процессор содержит

более одного вычислительного блока.

Наличие нескольких уровней кэш-памяти позволяет одновременное

обращение к командам и данным, что уменьшает общее время выполнения

операций.

Так как наиболее важным параметром процессора является его

производительность, то одним из возможных вариантов ее улучшения

является экономия времени за счет предсказания возможных путей

выполнения разветвляющегося алгоритма. Такая процедура осуществляется с

помощью блока предсказания адреса, работа которого напоминает работу

кэш-памяти. Блок предсказания адреса перехода работает на опережение и

пытается заранее предсказать адрес перехода, чтобы предварительно

перенести нужную команду из медленной оперативной памяти в

специальный быстрый буфер перехода. Саму же процедуру предсказания

адреса перехода осуществляют в процессоре два независимых буфера

предварительной выборки. Они работают совместно с буфером предсказания

переходов, причем один из буферов выбирает команды последовательно, а

второй – согласно предсказаниям быстрого буфера перехода.

Для устранения ошибок вычислений в процессорах используются

устройства самотестирования, которые автоматически проверяют

работоспособность большинства функциональных узлов процессора. Кроме

того, выявление сбоев, произошедших внутри процессора осуществляется с

помощью специального формата данных. К каждому операнду добавляется

бит четности (см. Табл. 3), в результате чего все циркулирующие в

процессоре числа становятся четными. Появление нечетного числа

сигнализирует о произошедшем сбое.

6.3. Арифметико-логическое устройство процессора

Арифметико-логическое устройство служит для выполнения арифметических

и логических преобразований над словами (операндами). Выполняемые АЛУ

операции можно разделить на следующие группы :

- операции двоичной арифметики над числами с фиксированной

точкой;

- операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики над

числами с плавающей точкой;

- операции десятичной арифметики;

- операции индексной арифметики (при модификации адресов

команд);

- операции специальной арифметики;

- операции над логическими кодами (логические операции);

- операции над алфавитно-цифровыми полями.

Современные процессоры персональных компьютеров обычно реализуют

операции всех приведенных групп. Специализированные же процессоры

часто не имеют схем для выполнения некоторых операций, например, над

числами с плавающей точкой, десятичной арифметики, алфавитно-

цифровыми полями. В этом случае эти операции выполняются специальными

подпрограммами [ 5 ].

К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание,

умножение и деление. Группу логических операций составляют операции

дизъюнкция («ИЛИ») и конъюнкция («И») над многоразрядными

двоичными словами, сравнение кодов на равенство. Специальные

арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметический

сдвиг и логический сдвиг.

Можно привести следующую классификацию АЛУ.

По способу функционирования АЛУ делятся на последовательные и

параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в

последовательном коде, а операции производятся последовательно во

времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды

представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно

по времени над всеми разрядами операндов.

По способу представления чисел различают АЛУ для чисел с

фиксированной точкой, для чисел с плавающей точкой, для десятичных

чисел.

По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и

многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с

фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-

цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается

скорость работы, но значительно возрастают затраты на оборудование. В

многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел

выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируют нужным

образом в зависимости от требуемого режима работы.

По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим

микрооперации, обеспечивающие прием из других устройств (например,

памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов в другие

устройства. АЛУ управляется устройством управления УУ, генерирующим

управляющие сигналы, которые инициируют выполнение в АЛУ

определенных микроопераций.

В современных АЛУ длина слова составляет 32 или 64 разряда и имеет

тенденции к дальнейшему возрастанию.

7 ОПЕРАТИВНОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

7.1. Основные понятия

Память – это часть компьютера, предназначенная для запоминания и

выдачи информации. Ее функции: 1. Хранение информации; 2. Прием

информации – запись; 3. Выдача информации – чтение (считывание).

Операции чтения и записи называются обращением к памяти.

Запоминающий элемент (ЗЭ)– место хранения одного бита информации.

Типичный пример ЗЭ – триггер или конденсатор. На основе ЗЭ организуется

хранение более крупных единиц информации – байтов, слов (в слове 4

байта).

Ячейка памяти – фиксированная совокупность ЗЭ, обращение к которым

производится одновременно как к единому целому. Ячейка памяти – место

хранения слова.

Доступ к информации, хранимой в ячейках памяти обычно организуется

по адресному принципу: ячейки памяти нумеруются числами 0,1,2…Е-1.

Номер ячейки называют ее адресом. Количество ячеек памяти Е – емкость

памяти – и длина адреса связаны отношением Е = 2

, где m – длина адреса

в битах.Таким образом, адресуемым элементом памяти является слово. За

одно обращение к памяти можно прочитать или записать одно слово.

Следует отметить, что в памяти третьего уровня (ВЗУ) адресуются более

крупные единицы информации – блоки, состоящие из фиксированного

количества слов. Блоки так же как и ячейки нумеруются 0,1,2…Е-1 и

рассматриваются как адреса блоков.

Доступ к ячейкам памяти с заданным адресом обеспечивается схемой

выборки, которая выбирает одну из ячеек для записи или чтения слова. В

простейших случаях эта схема выполняется на основе дешифратора

7.2. Запоминающие элементы ОЗУ

Запоминающие элементы ОЗУ (т.е. элементарные ячейки, в которых

хранится один бит информации), как уже упоминалось, могут быть

реализованы на триггерах и конденсаторах. Первые называются

статическими (SRAM – Static Random Access Memory), а вторые –

динамическими (DRAM – Dynamic Random Access Memory). Память типа

SRAM выполняется на биполярных или МОП-транзисторах. Число

состояний триггера равно двум, что позволяет использовать его для хранения

двоичной информации. Записанная в триггере двоичная информация может

храниться сколь угодно долго при наличии питания. Использование

триггеров не требует регенерации записанной в них информации, что

приводит к ускорению работы с такими микросхемами. Однако на практике

стоимость схем SRAM значительно выше стоимости схем DRAM, что

ограничивает область применения первых (например, кэш-памятью)

В настоящее время наибольшее применение в ОЗУ нашли устройства

динамической памяти, основанные на способности конденсатора хранить

некоторое время электрический заряд. Микросхемы динамических ОЗУ

отличаются большей информационной емкостью, что обусловлено меньшим

числом компонентов в одном ЗЭ и, следовательно, более плотным их

размещением на полупроводниковом кристалле. Как известно, конденсаторы

могут самопроизвольно разряжаться, что приводит к потере информации.

Чтобы этого не происходило информацию нужно постоянно обновлять.

Именно поэтому такая память называется динамической. В настоящее время

наиболее распространенным и наиболее дешевым типом памяти является

SDRAM (Synchronous Direct Random Access Memory ). Среди других типов

памяти следует отметить DDRSDRAM (Double Data Rate SDRAM), в которой

данные передаются по обоим фронтам такового импульса. В результате этого

частота передачи данных в памяти DDRSDRAM получается в два раза

выше. К быстродействующей оперативной памяти относится и Rambus

DRAM , разработанной компанией Rambus. Это самая быстродействующая

на настоящее время оперативная память, но отличается высокой стоимостью.

7.3. Организация и основные характеристики ОЗУ

Оперативное запоминающее устройство (главная память, основная

память) является той структурной частью компьютера, которая, наряду с

центральным процессором, определяет вычислительную мощность данного

компьютера. Исторически на первых компьютерах оперативная память

выполнялась вначале на электронных лампах (запоминающий элемент –

триггер), затем на ультразвуковых линиях задержки, ферритовых

сердечниках, интегральных схемах. В настоящее время ОЗУ реализуется на

больших интегральных схемах (БИС), запоминающим элементов в которых

может быть как триггер, так и конденсатор. Напряжение (заряд) последнего

управляется транзистором. Количество транзисторов на одном чипе в

настоящее время может достигать нескольких сотен миллионов. Ожидается,

что в ближайшее время будет преодолена планка в миллиард транзисторов.

Всякое ЗУ, а в том числе и оперативная память, состоит из двух частей:

блока управления (БУ) и блока запоминания (БЗ) рис.7.1.

Вх

А 0

БУ БЗ 1

сч

зп Е-1

Вых

Рис. 7.1. Упрощенная структурная схема ЗУ.

Блок управления обеспечивает выбор ячейки с адресом А, т.е. доступ к этой

ячейке и управление операциями запись-считывание по запросам.

Операция считывания обеспечивает выдачу слова из ячейки с адресом А

на выходную шину. СЧ : Вых := [A].

Операция записи обеспечивает прием слова с входной шины и запись его

в ячейку с адресом А. ЗП : [A] := Вх.

Система выборки ячейки (дешифратор) входит в состав БУ.

Основные характеристики ЗУ : емкость, быстродействие, надежность,

стоимость.

Емкость определяется количеством ячеек, т.е. максимальным количеством

информации, которая может храниться в ЗУ (на практике она измеряется в

байтах).

Быстродействие определяется количеством операций обращения в

единицу времени и зависит от продолжительности одной операции

обращения

Tобр (сч) = tд + tсч + tрег

Tобр (зп) = tд + tз + tпод ,

где tд – время доступа к ячейке; tсч – время выдачи информации на

выходную шину; tрег – время регенерации – повторной записи в ячейку; tпод

– время подготовки записи в ячейку (подготовка – это стирание ранее

записанной информации); tз – время записи слова с входной шины.

Надежность - время наработки на отказ.

Стоимость – интегральная характеристика – зависит от емкости и

надежности. Используется понятие удельной стоимости хранения единицы

информации – байта, МБ, ГБ, ТБ [ 6 ].

Независимо от типа запоминающего элемента ОЗУ строятся матричного

типа. Элементы памяти в них образуют матричную двумерную (трехмерную)

структуру, располагаясь по колонкам и строкам. По способу записи и

считывания различают три типа ОЗУ:

- трехмерные ОЗУ, в которых как запись так и считывание

осуществляется совпадением токов по вертикальным и

горизонтальным шинам. Такие ОЗУ получили название типа 3D;

- двумерные ОЗУ или типа 2D (они также называются типа Z или с

линейной выборкой), в которых запись производится методом

совпадения токов как и в ОЗУ типа 3D, а считывание полным током ;

- ОЗУ типа 2,5D, занимающие по своим свойствам и организации

выборки промежуточное положение между двумерными и

трехмерными ЗУ.

В настоящее время в ОЗУ используется в основном организация типа

2,5D. Организация 2D используется в кэш-памяти. ОЗУ типа 3D применялись

в первых компьютерах 50-ых гг ХХ столетия.

8. ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

8.1 Основные понятия и определения

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) получили свое название от

первых вычислительных машин, в которых накопители на магнитных лентах

и жестких дисках располагались отдельными стойками от процессора и

оперативной памяти. Они служат для накопления и хранения больших

объемов информации, используемой в процессе работы компьютера. В

современных персональных компьютерах эти устройства входят чаще всего

как составная часть в системный блок. Информационная емкость и время

доступа к информации ВЗУ в значительной мере определяют

потребительские свойства компьютера, возможности его использования при

решении различных задач. Обязательным требованием к ВЗУ является

энергонезависимость – сохранение информации при отключении источника

питания. По принципу действия и параметрам ВЗУ можно классифицировать

следующим образом:

- накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

- накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

- накопители на магнитных лентах;

- накопители на оптических дисках;

- накопители на магнитооптических дисках;

- доменные запоминающие устройства (ЦМД-устройства);

- флэш-память.

8.2. Накопители на жестких магнитных дисках

Эти накопители (винчестеры) в современных компьютерах играют

наиважнейшую роль и их параметры в значительной мере определяют

возможности вычислительной машины. В них хранится основной

программный продукт компьютера – операционная система – и прикладные

программы, с которыми чаще всего имеет дело пользователь (например,

программы Microsoft Office - Word , Excel).

Конструктивно накопитель выполняется в виде одного или пакета дисков,

непрерывно вращающихся на общей оси. По обе стороны каждого диска

наносится слой магнитного носителя, на котором размещаются

концентрические дорожки для записи информации. Между дисками

располагаются магнитные головки для записи и считывания. Емкость

накопителя в настоящее время может достигать сотен ГБ.

Основные параметры НЖМД :

- емкость, т.е. количество информации, помещаемой на диске (сотни

ГБ и каждый год она, приблизительно, удваивается);

- время доступа, скорость записи и считывания;

- интерфейс, т.е. тип контроллера, к которому должен подсоединяться

жесткий диск (IDE/EIDE и варианты SCSI).