3.2. Функціональна структура мікропроцесора

Зовні ЦП або CPU (Central Processing Unit) є кремінною пластинкою з мільярдами транзисторів і каналів для передачі сигналів. Призначення процесора - це автоматичне виконання програм. Іншими словами, він є основним компонентом будь-якого комп'ютера.

Основними функціональними елементами ЦП є :

• АЛП;

• ПУ;

• Регістри;

• Кеш-пам'ять.

Графічне зображення структури ЦП представлено на рис. 3.2:

Рисунок 3.2 - Схема процесора

Блок управління (пристрій управління, Control Unit) призначений для вироблення керуючих сигналів, під впливом яких відбувається перетворення інформації в арифметико-логічному пристрої, а також призначений для здійснення операцій запису і зчитуванню інформації із запам'ятовуючого пристрою і в нього. БУ відповідає за виклик слідуючої команди і визначення її типу. Від пристрою управління залежить узгодженість роботи частин самого процесора і його зв'язок з іншими (зовнішніми для нього) пристроями.

Арифметико-логічний пристрій виконує арифметичні і логічні операції. Крім даних, на АЛП-ій надходять сигнали - перетворені блоком управління команди, що вказують, які операції потрібно зробити над даними. Крім того, на виході арифметико-логічний пристрій видає також сигнали - ознаки успішного або некоректного результату.

В командах, що надсилаються блоком управління вказується, які дії треба робити і над якими даними (вказуються комірки пам’яті). Дані витягуються з пам’яті і записуються в регістр загального призначення, потім передаються в АЛП для обробки. Результат записується у вихідний регістр. Регістр процесора - це по суті один з тих 2 мільярдів транзисторів, що знаходяться в положенні 1 або 0.

Регістри - внутрішня пам'ять процесора. На відміну від ОЗП, де для звернення до даних потрібно використовувати шину адреси, до регістрів процесор може звертатися безпосередньо. Це істотно прискорює роботу з даними. Регістри призначені для тимчасового зберігання даних обмеженого розміру.

Окрім регістрів загального призначення є іще специфічні. Найважливіший із них регістр - лічильник команд, який вказує, яку команду потрібно виконувати далі. Ще є регістр команд, в якому знаходиться команда, яка виконується в даний момент.

Щоб після виконання операції не тримати результат "в собі" - в регістрі - (адже невідомо, коли він знадобиться), процесор вивантажує його у власну пам'ять – кеш-пам'ять (як правило, не дуже велику), щоб продовжити якісь обчислення. А ось з кеша дані передаються вже в оперативну пам'ять.

Кеш-пам'ять відіграє роль буфера між дуже обмеженими, але дуже швидкими регістрами процесора і порівняно повільною, але набагато більш місткою основною пам'яттю комп'ютера, зазвичай званою ОЗП (RAM).

В кеш-пам'яті знаходяться слова, які найчастіше використовуються. Якщо процесору потрібно якесь слово, спочатку він звертається до кеш-пам'яті. Тільки в тому випадку, якщо слова там немає, він звертається до основної пам'яті (ОЗП). Якщо значна частина слів знаходиться в кеш-пам'яті, середній час доступу значно скорочується.

Аналогія: уявімо роботу великої бібліотеки. Відвідувач запрошує книгу, напр. І том «Комп’ютерні системи». Бібліотекар іде, бере її з полки, надає відвідувачу. Згодом відвідувач повертає книгу, яку бібліотекар бере і кладе на місце. Інший відвідувач запросив знову ж цю книгу. Бібліотекар знову за нею йде на полицю і бере і цикл повторюється. Це приклад роботи системи без кеш-пам’яті. А якщо уявити іншу ситуацію. Процедура видачі книги з першого разу повторюється, але потім бібліотекар несе її не на полицю, а кладе на лоток біля себе. І коли відвідувач запросить цю книгу, бібліотекарю вже не треба йти до полиць ‑ книга знаходиться поряд. Це приклад роботи системи із кешем. Крім того, в кеш-пам'ять завантажуються іще й дані, що знаходяться по адресам, близьким до запрошених. По аналогії з бібліотекою, якщо у бібліотекаря запросили І том книги, він захопить з полиці іще й другий, на всяк випадок, який покладе на лоток біля себе.

Говорячи про структуру кешу, то, як правило, є 2 рівня кешу:

• Кеш пам'ять першого рівня (L1) - найшвидший, але за обсягом менший, ніж в інших. Кеш пам'ять 1-го рівня має найменший час доступу;

• Кеш пам'ять другого рівня (L2) - обсяг цієї пам'яті значно більше, ніж кеш-пам'ять першого рівня. Стандартним і достатнім на даний момент вважається обсяг кеша L2 в 256Kb.

Чим нижче рівень кеша, тим менше обсяг рівня кешу і тим вище його швидкість.

Аналогія з бібліотекою: якщо є багато книг, які користуються попитом зі сторони відвідувачів, лоток біля столу бібліотекаря переповнений. Це ускладнює пошук на лотку і видачу книг загалом. Тоді пропонується відсіяти менш популярні книги в шкаф недалеко від столу бібліотекаря. Це і буде L2.

Перевірити, чи працює бібліотека УАБС з кешем?

На замітку: Важливо розуміти, що кеш завжди повний, так як залишати частину кеша порожнім було б нераціонально. Нові дані потрапляють в кеш тільки шляхом витіснення попередніх.

Існує іще й ОЗУ третього і вище рівнів (більшого об’єму за L2), яку доцільно використовувати для серверів. На сьогоднішній день сучасні ПК мають L3 є у ЦПУ виробництва Intel, AMD Phenon II.

Чим нижче ці параметри, тим нижче продуктивність і ціна процесора.

До речі, кеші L1 і L2 вбудовані в кристал процесора, а L3 винесений за його межі через великі розміри і підвищене тепловиділення. Ще один важливий момент - кеш L1 і L2 окремий для кожного ядра, а L3 - загальний. В цілому кеш L3 більш повільний (його швидкість подібна до швидкості оперативної пам'яті, але час доступу на порядок менше). Кеш L3 використовується не тільки для підвантаження необхідних даних з оперативної пам'яті, але і для зменшення навантаження на процесорну шину (частина інформації між ядрами передається не безпосередньо, а через кеш L3).

Характеристики ЦП

Тактова частота. Це кількість операцій за секунду, що визначає швидкість роботи комп'ютера. Тактова частота процесора вимірюється в гігагерцах (ГГц – 1 млрд. тактів в секунду).

На сьогодні оптимальною для ПК, ноутбуків (лептопів) є частота у 3 гГц. Проте тактова частота не має бути визначальною характеристикою при виборі процесора. Слід також зважати на кількість ядер процесора.

Кількість ядер. АЛП, ПУ, регістри і кеш (L1, L2) утворюють ядро процесора. Тобто, ядро процесора об’єднує його основні функціональні блоки.

НА ЗАМІТКУ: Щоб відключити ядро (мета: почергове тестування роботи ядер) потрібно: Панель управління / Адміністрування / Конфігурація системи / Завантаження / кн. Додаткові параметри / Число процесорів.

При наступному запуску Windows буде використовувати ті параметри, які ми вказали, і тепер можна тестувати кожне ядро процесора окремо.

У 2011 р. компаніями Intel та AMD освоєно виробництво 8-ядерних процесорів для домашніх комп'ютерів, і 16-ядерних для серверних систем.

Що важливіше – кількість ядер чи тактова частота? Однозначної відповіді немає, адже це різні речі. Два ядра можуть забезпечувати одночасне виконання декількох завдань. Якщо програма не може розбити задачу на частини, то працювати буде тільки одне ядро і швидкість буде залежати тільки від його частоти.

Іще важливий момент – архітектура процесора, яка визначає, як відбувається обробка даних, який об’єм внутрішньої пам’яті мікропроцесора.

Наприклад, один водій знає, як «зрізати» дорогу, а інший – ні, тому і приїжджає швидше. З процесорами ситуація аналогічна. Чим раціональніше будуть використовуватися його ресурси – тим швидше він буде працювати. Вважається, що процесори Intel в однакових умовах, працюють швидше, процесори від AMD. Загалом, основні конкуренти у виробництві процесорів для ПК – AMD (Advanced Micro Devices Inc.) и Intel.

У процесорів Intel кеш строго не поділений між ядрами, на відміну від процесорів з архітектурою від AMD, а значить для кожного з ядер можна використовувати необхідну кількість пам'яті загального кешу, це добре підходить для систем, що не підтримують багатоядерність. Якщо використовувати всі ядра, кеш пам'ять поділяється на кожне з ядер динамічно, залежно від навантаження кожного з ядер.

НА ЗАМІТКУ: Подивитися параметри процесора: Мой комп’ютер; щоб визначити кількість ядер: CTRL+ALT+DELETE / БЫСТРОДЕЙСТВИЕ / Кількість графіків зверху дорівнюватиме кількості ядер.

Розрядність процесора: кількість інформації, що обробляється за один такт. Дані передаються не побітно, а порціями – машинними словами. Сучасні ЦП є 64-розрядними, тобто це довжина машинного слова (64 біт). Розрядність процесора визначається розрядністю регістрів, в які поміщаються оброблювані дані.

Загалом, щоб комплексно охарактеризувати розрядність роботи ЦП, необхідно враховувати розрядність системної шини.

Фізично елементи процесора розміщені в герметичному корпусі, оснащеному безліччю контактних «ніжок». Корпус процесора вставляють в процесорний роз'єм на системній платі - сокет (англ. socket - поглиблення, гніздо, роз'єм або чіпсет). Процесорні роз'єми прийнято маркувати за кількістю контактів, напр.: Socket775 означає, що існує 775 роз'ємів для контактних ніжок ЦП.

Приблизно 70% роз'ємів потрібні для подачі живлення до ЦП, решта - для зв'язку з системною шиною.

За допомогою системної шини (Front Side Bus) передаються дані між процесором і оперативною пам'яттю, а також між процесором та іншими пристроями персонального комп'ютера. Розташована вона на материнській платі, її зовні не видно. Системна шина - це набір провідників (металізованих доріжок на материнській платі), за яким передається інформація у вигляді електричних сигналів. У складі системної шини розрізняють:

• Шину даних - служить для обміну даними з запам'ятовуючим пристроями. У «культурних» процесорах розрядність шини даних збігається з розрядністю процесора. Під шиною даних розуміється група провідників, по яких від мікропроцесора до інших пристроїв комп'ютера передаються дані. Розрядність шини даних - це число провідників в ній. Цей вид розрядності диктує довжину машинних слів при передачі інформації поза процесора, тобто це довжина "зовнішнього машинного слова".

Шину адреси - служить для обміну адресою з запам'ятовуючим пристроєм. Розрядність шини адреси - це число провідників в адресній шині. По цим провідникам від мікропроцесора до оперативної пам'яті передається інформація для визначення клітинок пам'яті, до яких треба отримати доступ. Чим ширше шина адреси, тим до більшого числа елементів пам'яті може посилатися мікропроцесор. Адресний простір мікропроцесора, тобто найбільший теоретично можливий розмір оперативної пам'яті, доступний для даного мікропроцесора, визначається величиною 2n, де n-розрядність адресної шини.

До речі, 64-бітна ОС для своєї роботи вимагає використання 64-бітного процесора.

•  Шину управління - дозволяє процесору обмінюватися керуючими сигналами з периферією.

Характеристики системної шини:

- Розрядність: розрядність системної шини означає довжині машинного слова, що передається в один такт по шині. Має бути сумісною з розрядністю регістрів CPU.

- Тактова частота - чим вище, тим швидше буде здійснюватися передача даних. Зазвичай маючи на увазі частоту роботи системної шини, кажуть про частоту роботи системної (материнської) плати.

3.3 Запам’ятовуючий пристрій ПК

Запам'ятовуючий пристрій - це блок ЕОМ, призначений для тимчасового (оперативна пам'ять) та тривалого (постійна пам'ять) зберігання програм, вхідних і результуючих даних. Інформація в оперативній пам'яті зберігається тимчасово лише при включеному живленні, але оперативна пам'ять має більшу швидкодію. В постійній пам'яті дані можуть зберігатися навіть при вимкненому комп'ютері, проте швидкість обміну даними між постійною пам'яттю та центральним процесором, у переважній більшості випадків, значно менша.

Оперативна пам'ять. Зазначимо, що процесор працює з оперативною пам'яттю, а оперативна пам'ять завантажує на початку роботи і «довантажує» по ходу необхідні блоки інформації з «вінчестера». Скорочено оперативну пам'ять комп'ютера називають ОЗП або RAM (random access memory) або фізична пам'ять комп’ютера - пам'ять з довільним доступом (це означає, що прочитати / записати дані можна з будь-якої комірки ОЗП в будь-який момент часу. Для порівняння, наприклад, магнітна стрічка є запам'ятовуючим пристроєм з послідовним доступом .

У загальному випадку, оперативна пам'ять містить дані операційної системи і дані запущених на виконання програм, тому від об'єму оперативної пам'яті залежить кількість завдань, які одночасно може виконувати комп'ютер. ОЗУ використовується для зберігання даних і програм, поки ці дані і програми використовуються.

Оперативна пам'ять може зберігати дані лише при включеному комп'ютері. Тому при його виключенні оброблювані дані слід зберігати на жорсткому диску або іншому носії інформації.

Поки йде робота з програмою вона присутні в оперативній пам'яті (зазвичай). Як тільки робота з програмою закінчена, дані перезаписуються на жорсткий диск.

Оперативна пам'ять складається їх комірок, кожна з яких має свою власну адресу. Усі комірки містять однакове число біт. Сусідні комірки мають послідовні адреси.

Зовні оперативна пам'ять персонального комп'ютера являє собою модуль з мікросхем (8 або 16 штук) на платі. Модуль вставляється в спеціальний роз'єм на материнській платі.

Найпоширеніші типи оперативної пам'яті, які застосовувалися і застосовуються в персональних комп'ютерах в побуті називаються:

- SIMM;

- DIMM (Dual In-line Memory Module, двосторонній модуль пам'яті (або SDRAM (Synchronous DRAM));

- DDR, DDR2, DDR3.

Основною відмінністю DIMM від SIMM є те, що контакти, розташовані на різних сторонах модуля є незалежними, на відміну від SIMM, де симетричні контакти, розташовані на різних сторонах модуля, замкнуті між собою і передають одні й ті ж сигнали. Тобто архітектура DIMM сприяє швидшій обробці даних. Починаючи з 1996 року більшість чіпсетів Intel стали підтримувати вид модулів DIMM ОЗП, зробивши його дуже популярним аж до 2001 року.

Далі пішла ера DDR. DDR (Double Data Rate) став розвитком DIMM. Цей вид модулів пам'яті вперше з'явився на ринку в 2001 році. Основна відмінність між DDR і DIMM полягає в тому, що замість подвоєння тактової частоти для прискорення роботи, ці модулі передають дані двічі за один такт.

DDR2 (Double Data Rate 2) - більш новий варіант DDR, який теоретично повинен бути в два рази більш швидким. Вперше пам'ять DDR2 з'явилася в 2003 році, а чіпсети, що підтримують її - в середині 2004. Основна відмінність DDR2 від DDR - здатність працювати на значно більшій тактовій частоті, завдяки вдосконаленням в конструкції. За зовнішнім виглядом відрізняється від DDR числом контактів: воно збільшилося з 184 (у DDR) до 240 (у DDR2). DDR2 відрізняється від DDR3 тим, що у DDR3 більш високі частоти і пропускна здатність, а відповідно, продуктивність DDR3 буде вище.

Основними характеристиками ОЗП є:

• інформаційна ємність (ємність оперативної пам'яті на сьогоднішній день виражається в гігабайтах);

• швидкодія. Під швидкодією ОЗП розуміють 2 моменти: настільки швидко за одиницю часу пам'ять передає дані процесору, або навпаки, від процесора і наскільки швидко ОЗП виставляє на шину даних дані, необхідні для процесора. Аналогія: Ви даєте людині завдання максимально швидко знайти певний вірш в книзі і швидко його прочитати.

• тактова частота. Бажано, щоб цей параметр збігався з допустимою частотою материнської плати (тобто, системної шини). Якщо в оперативної пам'яті, припустимо, частота 1600 МГц, а у системної плати - 1066, тоді наш ОЗП не зможе повністю розкрити свій потенціал і буде працювати на більш низькій частоті в 1066 МГц. Цей параметр треба враховувати при виборі материнської плати.

Віртуальна пам'ять комп’ютера. У разі нестачі пам'яті (ОЗУ), необхідної для запуску або роботи додатка, Windows використовує віртуальну пам'ять, щоб компенсувати нестачу. Якби не було віртуальної пам’яті, система запропонувала б закрити програму, для якої не вистачає обсягу ОЗУ. Віртуальна пам'ять - це поєднання пам'яті ОЗУ і тимчасового сховища на жорсткому диску. Якщо пам'яті ОЗУ недостатньо, дані з оперативної пам'яті поміщаються в сховище, яке називається файлом підкачки. Переміщення даних у файл підкачки і з нього звільняє достатньо оперативної пам'яті для виконання операції.

Як правило, чим більше обсяг встановленого в комп'ютері ОЗУ, тим швидше працюють програми. Якщо нестача оперативної пам'яті уповільнює роботу комп'ютера, то можна збільшити розмір віртуальної пам'яті. При цьому необхідно враховувати, що читання даних з ОЗП виконується значно швидше, ніж з жорсткого диска, тому в якості рішення більше підійде додавання ОЗУ.

Повідомлення про помилки браку віртуальної пам'яті. У разі появи повідомлень про помилки, викликаних нестачею віртуальної пам'яті, для забезпечення належної роботи додатків необхідно або додати оперативної пам'яті, або збільшити розмір файлу підкачки. Як правило, ОС Windows автоматично контролює розмір файлу підкачки, але якщо розмір за замовчуванням недостатній для задоволення потреб користувача, то його можна змінити вручну. В Windows7 змінити обсяг віртуальної пам’яті можна наступним чином: Мой компьютер / Свойства / Изменить параметры / вкладка «Дополнительно» / кнопка «Параметры» в блоке «Быстродействие» / вкладка «Дополнительно» / кнопка «Изменить» і вказати обсяг зміни віртуальної пам’яті.

Переглянути завантаженість віртуальної памяті ПК можна, викликавши диспетчер задач (комбінація клавіш: Ctrl+Alt+Delete) / вкладка «Быстродействие»/ Физическая память комп’ютера.

Очистка віртуальної пам’яті. Очищення віртуальної пам'яті потрібне для збереження конфіденційності даних, які у файлі підкачки залишаються. Взагалі, функція очищення файлів підкачки знаходиться у відключеному стані. Щоб вона почала працювати, потрібно виконати наступні дії: або ввести в командний рядок: Пуск / Панель управления / Система и безопасность / Администрирование / Локальная политика безопасности / (або secpol.msc) вкладка «Лакальные политики» / Подпункт «Параметры безопасности»/ Завершение работы: очистка файла подкачки (установить свойство «Включен»). Після другого перезавантаження ПК файл підкачки буде очищеним.

Вінчестер. Енергонезалежний вид пам’яті ПК. HDD (hard disk drive) – це запам'ятовуючий пристрій довільного доступу, заснований на принципі магнітного запису. Є основним накопичувачем даних в більшості комп'ютерів. На відміну від «гнучкого" ​​диска (дискети), інформація в HDD записується на жорсткі (алюмінієві або скляні) пластини, з напиленням у вигляді тонкої металевої плівки. .

Їх енергонезалежна природа робить їх ідеальними для зберігання програм і даних, призначених для довготривалого використання. Ще одна унікальна властивість жорстких дисків, що відрізняє їх від ОЗП і кеш-пам'яті, полягає в тому, що програми не можуть виконуватися безпосередньо на жорсткому диску, спочатку вони повинні бути завантажені в ОЗП.

Важливо підкреслити, що у вінчестера також існує своя кеш-пам'ять (disk cache), функції якої є аналогічними з кеш-пам’яттю процесора. Розмір кеша вінчестера може дорівнювати 2, 4, 8, 16 или 32 Мб.

Час доступу до будь-якої з клітинок оперативної пам'яті має приблизно однакове для комп'ютера значення, а от час доступу до різних блоків інформації на жорсткому диску в загальному випадку буде різним, адже потрібно затратити певний час, щоб магнітна головка запису-читання підійшла до шуканої доріжки, потрібен час, щоб головка знайшла шуканий сектор, потім оскільки при русі головка вібрує, то необхідно трохи часу, щоб вона заспокоїлась.

Кеш-пам'ять диска заповнюється не тільки необхідним сектором (даними, до яких найбільш часто посилаються), але і секторами, безпосередньо слідуючими за ним, так як відомо, що в більшості випадків взаємозв'язані дані зберігаються в сусідніх секторах. Цей метод відомий також як метод випереджувального читання (Read Ahead).

Швидкість запису і читання даних з жорстких дисків (HDD) як мінімум на порядок повільніше електронних технологій, що використовуються в кеш-пам'яті і ОЗП. Така різниця в швидкості пояснюється в основному їх електромеханічної природою. Кожна передача даних з жорсткого диска або на жорсткий диск (рис. 3.3) складається з чотирьох етапів. Нижче перераховані ці етапи, а також показано, скільки часу в середньому їх виконує типовий високопродуктивний диск:

- Переміщення головок (5,5 мілісекунд);

- Обертання диска (0,1 мілісекунди);

- Читання / запис даних (0,00014 мілісекунд);

- Передача даних (0,003 мілісекунд).

Рис. 3.3 – Жосткий диск

Пошкоджені сектори вінчестера. При експлуатації HDD з часом з’являються так звані «биті» сектора. Це фізичні пошкодження на секторах диску, причини виникнення яких є наступними:

• Низька якість HDD;

• Нестабільне живлення ПК;

• Вібрації HDD при записі нього;

• Віруси.

Ознаки проблем з HDD: зависання запису та зчитування інформації з HDD, шум (гул, шуршання) при записі/зчитування з HDD.

Биті сектора можуть з часом зовсім вийти з ладу, що унеможливить зчитування з HDD цінних даних. Для своєчасного виявлення уразливих ділянок диску необхідно проводити його сканування та перевірку. Для цього використовуються наступні програми:

• системна утиліта Windows (викликати контексте меню на диску / пункт «Свойства» / вкладка «Сервис» / кнопка «Выполнить проверку»);

• безкоштовні доступні програмки Victoria, HDDScan.

Таким способом можна перевіряти і зовнішній вінчестер, і флешку.

Зовнішній жорсткий диск. Що робити, якщо жорсткий диск забився архівами цифрових фотографій або музики? Можна скопіювати їх на CD або DVD. А що, коли часто доводиться вносити зміни до збережених даних, та й розмір архіву до того ж величезний? Тоді можна скористатися зовнішнім жорстким диском. Стане в нагоді такий диск і тим, хто хотів би поставити другий вінчестер, та нікуди: чи то немає вільного порту IDE, чи то комп'ютер - ноутбук. Правда, коштують зовнішні диски істотно дорожче, ніж внутрішні, але іноді такі витрати виправдані. У порівнянні зі звичайним зовнішній жорсткий диск має цілий ряд переваг: зовнішній диск можна підключати до декількох комп'ютерів і переносити з місця на місце; для його установки не потрібно знімати кришку корпусу - більшість моделей просто підключається до гнізда USB, в деяких випадках доводиться хіба що встановити новий драйвер. Зовнішній жорсткий диск - відмінний засіб для того, щоб зберігати резервні копії даних окремо від основної системи.