Архитектура ПК
1. Устройство процессора
Архитектура ПК
Современные процессоры имеют логическую структуру «неймановского» типа: • арифметико-логическое устройство (АЛУ); • блок управления; • блок памяти; • устройства ввода-вывода.
Самый элементарный компьютер, который только можно себе представить, имеет всего два компонента: процессор и оперативную память, связанные друг с другом группой проводников, которую называют системной шиной. Процессор имеет ячейки памяти, называемые регистрами. В них данные могут храниться и меняться с огромной скоростью. Арифметико-логическое устройство является главным элементом процессора, непосредственно обрабатывающим данные. Данные поступают из регистров и возвращаются в них по мере обработки.[1] Как известно, все современные микропроцессоры являются синхронными. На спаде тактового импульса затворы регистров открываются, чтобы разрешить запись данных и команд из памяти. Затем надлежащие данные поступают по шине в АЛУ. Когда все выполнено, АЛУ приступает к работе. После вычислений результаты передаются шине данных регистров. По фронту следующего импульса они загружаются в регистры. Таким образом, в каждом цикле есть сигнал, который переключает определенные триггеры. Как данные, так и команды для их обработки процессор получает из ячеек оперативной памяти по системной шине. В составе системной шины различают: шину данных, адресную шину, шину управления. По шине данных в регистры процессора копируются данные из ячеек памяти. По адресной шине процессор выбирает, начиная с какой именно ячейки он должен получить данные. По шине управления процессор получает из оперативной памяти команды для обработки данных. Во время работы компьютера данные и программы хранятся в разных областях оперативной памяти. За тем, по каким адресам хранятся исполняемые команды, процессор следит сам с помощью специального регистра, отсчитывающего команды. Указания, из каких адресов брать данные, процессор получает от программ. Кэш-память Внутри процессора все операции происходят в десятки раз быстрее, чем при обмене данными с оперативной памятью. Это означает, что чем реже процессор обращается к памяти за данными и командами, тем быстрее он способен работать. Чтобы сократить количество обращений, в ядро процессора встраивают сравнительно небольшой блок сверхоперативной памяти, способной работать на частоте ядра. Этот блок памяти называют кэш-памятью. При обращении к ячейкам оперативной памяти процессор получает не только те данные, которые он запросил для загрузки в регистры, но и еще что-то «с запасом». Этот запас записывается в кэш-память. Если запасенные данные потребуются в следующем цикле, процессор заберет их из кэш-памяти. Если же потребуются иные данные, процессор обратится к оперативной памяти, и содержимое кэша обновится. Основные недостатки кэш-памяти - высокая стоимость и большое число транзисторов, расходуемых на организацию ячеек. Поэтому кэш-память не делают слишком большой. Как правило, современные процессоры имеют два блока внутренней кэш-памяти. Первый блок (кэш-память первого уровня, L1) обычно разделен на кэш данных и кэш инструкций. Второй блок (кэш-память второго уровня, L2) служит только для хранения данных. В некоторых моделях процессоров (например, Pentium 4Extreme Edition) используют кэш-память третьего уровня. На организацию одной ячейки кэш-памяти обычно расходуется шесть транзисторов (архитектура 6Т). Поэтому при общем объеме кэша 512-1024 Кбайт его транзисторы составляют до 90% от общего числа транзисторов в ядре процессора. При высоких частотах работы процессора тепловая мощность, развиваемая быстро переключающимися транзисторами, нередко превышает 100 Вт. Таким образом, увеличение объема кэш-памяти на определенном этапе ограничивает рост производительности процессора, препятствуя наращиванию рабочей частоты. Шина данных Чем больше разрядность данных, тем выше производительность компьютера. Для передачи данных в современных процессорах используют отдельную магистраль - шину данных. Это параллельная шина, то есть каждый разряд данных передается по отдельной линии. Чем выше разрядность шины, тем больше линий. Шина адреса Вторая группа сигналов, используемых процессором - адресная. Адреса описывают номера ячеек памяти, в которых хранятся данные. Чем выше разрядность адресной шины, тем большее число ячеек памяти можно использовать для хранения данных, тем больше адресуемая память вычислительной системы. Служебная шина Третья группа сигналов, необходимая процессору для работы, относится к служебным. С их помощью чипсет и процессор обмениваются командами и запросами, по служебной шине осуществляется тактирование и синхронизация процессора, управление напряжением питания. Число сигналов управления и, соответственно, количество выводов разъема, необходимое для обмена служебными сигналами, зависит от архитектуры процессора и чипсета, количества поддерживаемых команд и инструкций. С усложнением архитектуры число служебных линий и сигналов управления увеличивается.