6.Микропроцессоры: назначение, типы и модели, принципиальная схема, основные характеристики. Шины: основные виды и их назначение.

Порты: основные типы и их характеристики. Основные виды памяти, их характеристика.

Микропроцессор -- главный вычислительный элемент компьютера, его «сердце».

На первый взгляд, процессор -- просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Процессор содержит в себе множество отдельных элементов -- транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Точнее, вычислять, производя определенные математические операции с числами, в которые преобразуется любая поступающая в компьютер информация. Безусловно, один транзистор никаких особых вычислений произвести не может. Единственное, на что способен этот электронный переключатель -- это пропустить сигнал дальше или задержать его. Наличие сигнала дает логическую единицу (да); его отсутствие -- логический же ноль (нет).

Каждый процессор включает в себя миллионы транзисторов, но и самих процессоров для работы компьютера требуется немало. Помимо центрального процессора, который во всем мире принято обозначать аббревиатурой CPU (Central Processor Unit), схожими микросхемами оборудована практически каждая компьютерная «железяка».

Процессор -- это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств. На любом процессорном кристалле находятся:

Состав микропроцессора

Собственно процессор, главное вычислительное устройство, состоящее из миллионов логических элементов -- транзисторов.

Сопроцессор -- специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с рядом - графических программ.

Кэш-память первого уровня -- небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.

Кэш-память второго уровня -- эта память чуть помедленнее, зато больше -- от 128 килобайт до 2 Мб.

Все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 4--6 квадратных сантиметров.

Арифметико-логическое устройство - часть процессора, которая выполняет команды.

Устройство управления - часть процессора, выполняющая функции управления устройствами.

Основные характеристики

Тактовая частота. Самый важный показатель, определяющий скорость работы процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), обозначает лишь то количество циклов, которые совершает работающий процессор за единицу времени (секунду).

Разрядность процессора. Если тактовую частоту процессора можно уподобить скорости течения воды в реке, то разрядность процессора -- ширину ее русла. Понятно, что процессор со вдвое большей разрядностью может «заглотнуть» вдвое больше данных в единицу времени -- в том случае, конечно, если это позволяет сделать специально оптимизированное программное обеспечение.

Размер кэш-памяти. В эту встроенную память процессор помещает все часто используемые данные, чтобы не обращаться каждый раз -- к более медленной оперативной памяти и жесткому диску.

Кэш-память в процессоре имеется двух видов. Самая быстрая -- кэш-память первого уровня (32 кб у процессоров Intel и до 128 кб -- в последних моделях AMD).

Существует еще чуть менее быстрая, но зато более объемная кэш-память второго уровня -- и именно ее объемом отличаются различные модификации процессоров. Так, в семействе Intel самый «богатый» кэш-памятью -- мощный Хеоn (2 Мб). У новых моделей Pentium 4 и у Athlon размер кэша второго уровня составляет 512 кб. В новейших моделях планируется увеличить его объем до 1 Мб

Тип ядра и технология производства. Технология определяется толщиной минимальных элементов процессора, -- чем более «тонкой» становится технология, тем больше транзисторов может уместиться на кристалле. Кроме этого, переход на новую технологию помогает снизить энергопотребление и тепловыделение процессора, что очень важно для его стабильной работы.

Переход на новую технологию, как правило, влечет за собой и смену процессорного «ядра»

Частота системной шины. Шиной называется та аппаратная магистраль, по которой перемещаются от устройства к устройству данные. Чем выше частота шины, тем больше данных поступает за единицу времени к процессору.

Частота системной шины прямо связана и с частотой самого процессора через так называемый «коэффициент умножения». Процессорная частота -- это и есть частота системной шины, умноженная процессором на некую заложенную в нем величину.

Дополнительные возможности. Большинство современных процессоров оснащены также рядом эксклюзивных возможностей, которые влияют на скорость обработки информации. В их числе можно назвать специальные системы «мультимедийных команд», предназначенных для оптимизации работы с графикой, видео и звуком. Например, процессоры Intel оснащены системой команд SSE и SSE 2, а процессоры от AMD -- аналогичным набором команд 3DNow!

Одним из самых интересных новшеств в новых процессорах Intel (начиная с Pentium 4) стала функция HyperThreading, позволяющая процессору работать с двумя потоками данных одновременно. Конечно, даже оснащенный HyperThreading процессор не будет работать «за двоих», однако прирост скорости в 10--20 процентов получить вполне реально

потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ.

Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем --(16, 32, 64, 128, 256 или 512 Мбайт), число микросхем, паспортная частота(100 или 133 МГц), время доступа к данным (6 или 7 наносекунд) и число контактов (72, 168 или 184). 

Типы микропроцессоров

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

1. Микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

2. Микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

3. Микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

4. Микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.

К основным относят группы CISC и RISC.

1. СISC-процессоры: Complex Instruction Set Computing — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд.

2. RISC-процессоры: Reduced Instruction Set Computing (technology) — вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации.

Наклонный шрифт

Микропроцессоры типа CISC

Микропроцессор CISC использует набор машинных инструкций, полностью соответствующий набору команд языка ассемблера. Вычисления разного типа в нем могут выполняться различными командами, даже если они приводят к одному результату (например, умножение на два и сдвиг на один разряд влево). Такая архитектура обеспечивает разнообразные и мощные способы выполнения вычислительных операций на уровне машинных команд, но для выполнения каждой команды обычно требуется большое число тактов процессора.

Популярные процесссоры CISC

К наиболее популярным CISC-процессорам относят:

1. Микропроцессоры фирмы Intel: В 1985 г фирма Intel выпускает микропроцессор 80386. Кристалл на котором он был выполнен стал родоначальником нового поколения микропроцессоров.

2. Микропроцессоры фирмы АМD.: фирма AMD производит 486DX-40, 486DX2-50, 486DX2-66. Готовятся к выпуску процессоры 486DX2-80 и 486DX4-120. Они обеспечивают полную совместимость со всеми ориентированными на платформу Intel программными продуктами и такую же производительность, как и аналогичные изделия фирмы Intel (при одинаковой тактовой частоте). Кроме того, они предлагаются по более низким ценам, а процессор на 40 MHz отсутствующий в производственной программе Intel, конкурирует с 486DX-33, превосходя его по произ- водительности на20 процентов при меньшей стоимости.

3. Микропроцессоры фирмы Cyrix: фирма Cyrix разработала процессоры М6 и М7 (аналоги 486SX и 486DX 2) на тактовые частоты 33 м 40 MHz, а также с удвоением частоты DX2-50 и DX2-66. Они имеют более быстродействующую внутреннюю кэш-память 8 КВ с обратной записью и более быстрый встроенный сопроцессор. По некоторым операциям производительность выше, чем у процессоров фирмы Intel, по некоторымнесколько ниже. Соответственно, существенно различаются и результаты на разных тестирующих программах. Цены на 486 процессоры Cyrix значительно ниже, чем на Intel и AMD.

4. Микропроцессоры фирмы Моtorola серии МС680ХХ: это семейство содержит ряд 16 -разрядных микропроцессоров, 32 -разрядные микропроцессоры : 68020, 68030, 68040. Модели микропроцессоров серии 680ХХ не совместимы по обьектным кодам с 8 -разрядными микропроцессорами серии МС68ХХ

Микропроцессоры типа RISC

Микропроцессоры с архитектурой RISC ( Reduced Instruction Set Computers ) используют сравнительно небольшой (сокращённый ) набор наиболее употребимых команд, определённый в результате статистического анализа большого числа программ для основных областей применения CISC (Complex Instruction Set Computer )- процессоров исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Арифметику RISC - процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту ( значит, и производительность ) компьютера; чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы.RISC - процессоры с самого начала ориентированны на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC - процессорах. Поэтому RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и высокопроизводительней, несмотря на больший объем программ, на ( 30 % ).

Другие типы микропроцессоров

В попытке достижения компромисса между CISC и RISC были созданы микропроцессоры типа VLIW. Хотя идеи VLIW сформулированы уже давно, до настоящего времени они были известны в основном специалистам в области компьютерных архитектур. Имеющиеся реализации, например, VLIW Multiflow, не получили широкого распространения. Пожалуй, единственными популярными процессорами, архитектура которых близка к VLIW, была линия AP-120B/FPS-164/FPS-264 компании Floating Point Systems, которые в 80-е годы активно применялись при проведении научно-технических расчетов.

Что такое компьютерная шина?  Компьютерная шина служит для передачи данных между отдельными функциональными блоками компьютера и представляет собой совокупность сигнальных линий, которые имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Шины могут различаться разрядностью, способом передачи сигнала (последовательные или параллельные, синхронные или асинхронные), пропускной способностью, количеством и типами поддерживаемых устройств, протоколом работы, назначением (внутренняя или интерфейсная).

Шина - это несколько проводников, соединяющих различные устройства. Шины можно разделить на категории в соответствии с выполняемыми функциями. Они могут быть внутренними по отношению к процессору и служить для передачи данных в АЛУ и из АЛУ, а могут быть внешними по отношению к процессору и связывать процессор с памятью или устройствами ввода-вывода. Каждый тип шины обладает определенными свойствами, и к каждому из них предъявляются определенные требования. В этом и следующих подразделах мы сосредоточимся на шинах, которые связывают центральный процессор с памятью и устройствами ввода-вывода. В следующей главе мы подробно рассмотрим внутренние шины процессора.

Первые персональные компьютеры имели одну внешнюю шину, которая называлась системной. Она состояла из нескольких медных проводов (от 50 до 100), которые встраивались в материнскую плату. На материнской плате на одинаковых расстояниях друг от друга находились разъемы для микросхем памяти и устройств ввода-вывода. Современные персональные компьютеры обычно содержат специальную шину между центральным процессором и памятью и по крайней мере еще одну шину для устройств ввода-вывода. На рис, 3.33 изображена система с одной шиной памяти и одной шиной ввода-вывода.

Таблица 3.3. Примеры задающих и подчиненных устройств Задающее устройство Центральный процессор Подчиненное устройство Память Пример Вызов команд и данных Центральный процессор Устройство ввода-вывода Инициализация передачи данных Центральный процессор Сопроцессор Передача команды от процессора к сопроцессору Устройство ввода-вывода Память Прямой доступ к памяти Сопроцессор Центральный процессор Вызов сопроцессором операндов из центрального процессора Двоичные сигналы, которые выдают устройства компьютера, часто недостаточно интенсивны, чтобы активизировать шину, особенно если она достаточно длинная и если к ней подсоединено много устройств. По этой причине большинство задающих устройств шины обычно связаны с ней через микросхему, которая называется драйвером шины и, по существу, является двоичным усилителем. Сходным образом большинство подчиненных устройств связаны с шиной приемником шины. Для устройств, которые могут быть и задающим, и подчиненным устройством, используется приемопередатчик, или трансивер, шины. Эти микросхемы, предназначенные для взаимодействия с шиной, часто являются устройствами с тремя состояниями, что дает им возможность отсоединяться, когда они не нужны. Иногда они подключаются через открытый коллектор, что дает сходный эффект. Когда одно или несколько устройств на открытом коллекторе требуют доступа к шине в одно и то же время, результатом является булева операция ИЛИ над всеми этими сигналами. Такое соглашение называется монтажным ИЛИ. В большинстве шин одни линии являются устройствами с тремя состояниями, а другие, которым требуется свойство монтажного ИЛИ, - открытым коллектором. Как и процессор, шина имеет адресные, информационные линии и управляющие линии. Тем не менее между выводами процессора и сигналами шины может и не быть взаимно однозначного соответствия. Например, некоторые процессоры содержат три вывода, которые выдают сигнал чтения из памяти или записи в память, чтения с устройства ввода-вывода, записи на устройство ввода-вывода или выполнения какой-либо другой операции. Обычная шина может содержать одну линию для чтения из памяти, вторую - для записи в память, третью - для чтения с устройства ввода-вывода, четвертую - для записи на устройство ввода-вывода и т. д. Тогда связывать процессор с такой шиной должна микросхема-декодер, призванная преобразовывать 3-разрядный кодированный сигнал в отдельные сигналы, которые могут управлять линиями шины. Разработка шин и принципы действия шин - это достаточно сложные вопросы, и по этому поводу написан ряд книг [11, 193]. Принципиальными вопросами в разработке являются ширина шины, синхронизация шины, арбитраж шины и функционирование шины. Все эти параметры существенно влияют на пропускную способность шины. В следующих четырех подразделах мы рассмотрим каждый из них.

Порт - физическое или логическое соединение компьютера, предназначенное для приема и передачи данных. Аппаратный порт — специализированный разъём в компьютере, предназначенный для подключения оборудования определённого типа (Википедия). 

Разъемы портов обычно установлены на системную плату и вынесены на заднюю стенку компьютера. Их также называют интерфейсами.

Рассмотрим основные  аппаратные порты компьютера

COM–порт

COM-порт - двунаправленный последовательный интерфейс, передающий данные по протоколу RS-232.

Ранее COM-порт порт использовался для подключения  модема или мыши, но в  настоящее время морально устарел, хотя ещё можно встретить на некоторых компьютерах. С помощью  данного порта можно установить связь одного компьютера с другими (длина до 30м) при наличии соответствующих разьемов.

Параллельный порт (LPT)

LPT - параллельный порт, предназначенный для подключения периферийных устройств к ПК.  Исторически интерфейс был разработан для подключения принтера к ПК, однако может применяться и для других целей (подключение сканера и других внешних устройств, организация связи между двумя компьютерами). LPT порт содержит 25 выводов, расположен на  задней крышке системного блока. Длина кабеля LPT-порта должна быть не более 3 метров.

Порт PS/2

Каждый пользователь ПК знаком с этим портом. PS/2 - интерфейс, предназначенный для для подключения клавиатуры и мыши.

VGA-порт - 15-контактный  разъём. Предназначенный для подключения аналоговых мониторов по стандарту VGA. В настоящее данный интерфейс морально устарел и активно вытесняется цифровыми интерфейсами DVI, HDMI и DisplayPort. 

Название порта	Расшифровка названия
USB	(Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина, шина USB стандарт, предложенный в 1995 г. консорциумом из семи ведущих компьютерных и телекоммуникационных фирм (Compaq, IBM, Intel, NEC, Microsoft, Digital, Northern Telecom) для обмена данными по недорогой шине между ПК и среднескоростными периферийными устройствами. Подключение устройства не требует перезагрузки компьютера, переконфигурирования системы или установки интерфейсной карты. Распознавание устройства и установка соответствующего драйвера выполняется компьютером автоматически, без вмешательства человека. К одному порту USB можно последовательно присоединить до 127 устройств, длина кабеля - до пяти метров, скорость пересылки данных - 12 Мбайт/с. USB-кабель содержит четыре провода: два - витая пара, питание 5 В и общий провод. Таким образом, через него можно запитывать маломощные устройства. Поддерживается технология plug and play, а также "горячая" замена. Развитие стандарта - разрабатываемый Intel с 1999 г. и принятый в апреле 2000 г. более быстрый совместимый с предыдущей версией стандарт USB 2.0, обеспечивающий пропускную способность до 480 Кбайт/с
BT	спецификация Bluetooth - технология беспроводной ближней коротковолновой радиосвязи (до 30 м), позволяющая объединять устройства разных типов для передачи речи и данных. Её разработкой и развитием занимается ассоциация Bluetooth SIG. Стандарт получил обозначение IEEE 802.15. Он определяет работу на частоте 2,4 ГГц (ISM ), со скоростями передачи: для асимметричных соединений 722-784 Кбит/с в направлении приёма и 57,6 Кбит/с в направлении передачи; для симметричных соединений - 433,9 Кбит/с в обоих направлениях; и расстояниями до нескольких десятков метров. Свое название технология получила в честь датского короля викингов Гарольда Блатана (Harald Blatand, в переводе на английский - "Голубой зуб"), правившего Данией и Норвегией с 940 по 985 гг

2. Кэш-память Устройства внутренней памяти и их назначение

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.