Основні характеристики мікропроцесорного блоку

Він характеризується наступними параметрами:

• Ступенем інтеграції чи безпосередньо зв’язаною з нею технологією виробництва;

• Розрядністю інформаційних шин даних (64-128бит);

• Частотою тактового генератора для процесора (3.6 Ггц);

• Продуктивністю процесора;

• Ємністю пам’яті до якої може адресуватися процесор(1 модуль пам’яті до 16 Гбайт);

• Ємністю мікропроцесорної пам’яті (кеш-пам’яті);

• Частотою системної шини (до 6,5 Ггерц);

• Набором команд;

• Напругою електроживлення і споживаною потужністю;

• Варіантом постачання;

• Рознімами підключення.

Ступінь інтеграції будь-якої мікросхеми зокрема процесора показує скільки електронних пристроїв уміщується в ній. Ця характеристика для процесорів Intel змінилася від десятків тисяч до сотень мільйонів транзисторів а технологія їх виготовлення – від 0.3 до 0,09 мк.

Внутрішня розрядність - Одна з основних характеристик процесора – кількість бітів яку він може обробляти одночасно. Внутрішня розрядність процесорів Intel і процесорів Sun Ultrasparc та IBM Power 4 – 64.

Зовнішню розрядність процесорів сім’ї Pentium становить 64 а процесорів Itanium-128.

Найважливіші характеристики процесора – частота тактового генератора і залежний від неї такт роботи процесора – машинний такт. Протягом машинного такту виконується одна або декілька мікрооперацій процесора. Чим коротший машинний такт тим вища продуктивність процесора. Що виражається кількістю виконуваних команд за одиницю часу.

Продуктивність процесорів сучасних комп’ютерів становить від декількох мільйонів до декількох мільярдів операцій за секунду.

Однак визначити значення цієї характеристики окремо для процесора дуже важко, вимірюють продуктивність усього комп’ютера. Існує багато текстових програм (benchmarks) для перевірки продуктивності комп’ютера, що здебільшого призначені для перевірки окремих груп команд (наприклад, тексти SPECint і SPECfp – для перевірки продуктивності комп’ютера щодо виконання команд, які обробляють цілі числа з плаваючою точкою) або для певних класів завдань (наприклад, текст SPECweb для програм, що працюють з Internet).

Вибираючи процесор за показниками його продуктивності, варто мати на увазі, що виробники наводять переважно результати тих текстів, які їх процесор виконав найкраще. Але комп’ютер може, по-перше виконувати не ті класи задач, для яких ці результати отримано, а по-друге, на продуктивність комп’тера, крім центрального процесора, можуть впливати й інші пристрої (особливо оперативна пам’ять), а також операційна система.

Ємність пам’яті, до якої може адресуватися процесор, визначається шириною адресної шини. Ширина адресної шини процесорів перших IBM-сумісних комп’ютерів становила 20 біт, а максимальна ємність пам’яті – відповідно 1 Мбайт. Максимальна ємність пам’яті сучасних комп’ютерів дорівнює 64 Гбайт (за ширини адресної шини 36 біт). Ширина адресної шини процесорів Itanium становить 64, а максимальна ємність адресованої пам’яті – відповідно 2⁶⁴ байт.

Отже, процесори можуть адресувати набагато більше фактично встановленої пам’яті (чи пам’ять, як у можна встановити) на материнській платі, що зумовлено конструктивними і технологічними особливостями її виробництва. Тому обмеження ємності оперативної пам’яті визначається не процесором, а кількістю слотів для підключення до материнської плати і припустимих типів оперативної пам’яті.

Істотний вплив на продуктивність процесора справляють кількість рівнів ієрархії кеш-пам’ті і ємність кеш-пам’яті кожного рівня.

Підтримувана частота системної шини (деякі процесори підтримують кілька частот) визначає швидкість обміну даними між процесором та іншими пристроями (насамперед оперативною пам’яттю). Тепер найбільш використовувані частоти 400,533 і 800 МГц.

Важливою характеристикою процесора є використовуваний набір команд. Так, якщо процесор-клон AMD чи VIA не підтримує розширення мультимедійних команд SSE2 і SSE3, то програми, що використовують ці розширення, не будуть працювати з таким процесором.

Напруга електроживлення і споживана потужність є істотними для моделей процесорів, призначених для портативних комп’ютерів, оскільки вони визначають час автономної роботи комп’ютера (на батарейках). Так, модель Itanium 2 з низькою напругою електроживлення (1,5 В) споживає 62 Вт (звичайний процесор Pentium II споживав 130 Вт), моделі Mobil Pentium 4 мають напруги живлення 1,2…1,55 В і споживану потужність 2…3 Вт, а моделі Pentium M – напруги живлення 1,18 та1 В і відповідно споживану потужність – 1 і 0,5 Вт. Для зниження споживання електроенергії процесором під час цого бездіяльності використовується «сплячий» режим зі зниженою напругою електроживлення.

Для процесорів, починаючи з Intel 80486, через збільшення споживаної потужності процесора виникла потреба в охолоджувальній системі у вигляді вентилятора для поліпшення відведення тепла від спеціальних ребристих пластин.

Керуючий пристрій (КП) або процесор безпосередньо обробляє інформацію і виконує функції керування роботою всього комп’ютера відповідно до заданої програми (у деяких пристроях сучасного комп’ютера можуть використовуватися свої процесори). Центральний процесор (надалі просто процесор) є одним із найважливішим і найскладнішим його пристроєм, а з другого визначальним щодо можливості конкретного комп’ютера обробляти дані.

Керуючий пристрій - координує роботу всіх агрегатів. КП визначає адреси елементів пам'яті, в яких зберігаються необхідні данні. У певній послідовності він вибирає з ОЗП команди і дані. Управління роботою КП здійснює операційна система, яка вказує КП виконувати ті чи інші дії відповідно до заданої програми. Після цього команди і данні передаються в АЛП, і по необхідності декодуються в цифрові коди, і після цього налаштовуються на виконання необхідних операцій. (в цих операціях беруть участь також пристрої зовнішньої пам’яті та пристрої введення-виведення). Цей процес буде продовжуватися доти, до­ки не виникне одна з наступних ситуацій:

• вичерпано вхідні дані;

• з одного з вхідних пристроїв надійшла команда на припинення роботи;

• вимкнено живлення ЕОМ.

Арифметико-логічний пристрій — блок ЕОМ, для виконання арифметичних та логічних операцій, відбу­вається перетворення даних в коди за командами програми: арифметичні дії над числами з плаваючою комою, порівняння слів і т. інш.

Мікропроцесорна память (МПП) (Кєш пам'ять) − складова частина мікропроцесора, що забезпечує короткочасне зберігання, запис та видачу інформації, яка часто використовується в обчисленнях комп'ютера. МПП будується на електронних регістрах і використовується для забезпечення високої швидкодії ЕОМ, оскільки ОЗП (основна пам'ять) не завжди забезпечує не­обхідну для швидкодійного МП швидкість запису, зчиту­вання, пошуку інформації.

У завдання кеш-памяті входить:

1) забезпечення швидкого доступу до часто використовуваних даних;

2) попереднє завантаження даних;

3) відкладення запису даних по необхідності.

Архітектура доступу до даних в КЕШ та ОЗП пам’яті. Архітектурно кеш-пам'ять розташована між процесором і основною оперативною пам'яттю (Рис. 1) і охоплює весь (рідше - частину) адресного простору. Перехоплюючи запити до основної пам'яті, кеш-контроллер проглядає: чи є доступна копія даних, що залишилася, в кеші, а кэш-память зберігає элементи даних, до яких часто звертається процессор.

Якщо така копія там дійсно є, то дані нашвидку витягаються з кеш-пам'яті і відбувається так зване кешування (cache hit). Якщо в кеш-памяті відсутні дані тоді запит даних переадресується до основної оперативної пам'яті.

Оперативна память

Кеш контролер

Кеш-память

Процесор

Рис.1.5. Розташування кеш-пам’яті в ієрархії оперативної пам'яті.

Регістри — електронний пристрій, який виконує функції прийому, збереження, і видачу двійкових чисел. Інформація в регістрах зберігається у вигляді кодів із двійкових чисел (0 або 1).

Структурно регістр це електронний пристрій, який називається тригером. Кожний тригер є елементом пам'яті. Три́гер — електронна логічна схема, яка має два стійкі стани на виході тригера 0 або 1, в залежності від рівня сигналу на вході. Кожен стійкий стан на виході тригера змінюється стрибкоподібно в залежності від сигналу керування (величини напруги) на вході тригера. Сигнали на виході тригера мають прямокутну форму 1 − додатній потенціал, або 0 − від'ємний.

Регістри являють собою упорядковану послідовність тригерів, число яких відповідає числу розрядів в слові.

Фактично будь який цифровий пристрій можна подати у вигляді сукупності регістрів, об’єднаних між собою за допомогою комбінаційних цифрових пристроїв.

Тригери широко використовуються для формування імпульсів,(тактових генераторів) у генераторах одиничних сигналів, для побудови подільників частоти, лічильників, перерахункових пристроїв, регістрів, суматорів, у пристроях керування тощо.

Інтерфейсна система МП реалізує зв'язок з іншими пристроями ПК (через системну шину).

Інтерфейс це – сукупність засобів і правил, що забезпечують взаємодію пристроїв комп’ютерної системи та програм.

Інтерфейс поділяється на:

• інтерфейс користувача;

• графічний інтерфейс користувача;

• інтерфейс командного рядка який полегшує роботу з ЕОМ.

Г

Т(такт)

енератор тактових імпульсів. Генерує послідовність електричних імпульсів, частота яких визначає тактову ча­стоту комп'ютера. Проміжок часу між імпульсами стано­вить такт.

U (Мв) Т (Такт)

1

1

0

т (час в мксек)

0

0

F = (гц), де F-тактова частота генератора, а Т- період існування такту

Фізичний адаптер (контролер) – це пристрій, який призначений для підключення фізично неоднорідних зовнішніх пристроїв.

Він виконує наступні функції:

- підсилює сигнали між процесором і зовнішніми пристроями;

- прискорює передачу інформаційних даних між зовнішніми пристроями і процесором;

- перетворює інформаційні дані із формату процесора у формат зовнішнього пристроїв (наприклад, перетворює аналоговий сигнал синусоїдальної форми в імпульсний і навпаки).

У сучасних ПК керування шиною здійснюється контролером шини.

Математичний співпроцесор широко застосовується для прискореного виконання операцій над двійковими числами з рухомою комою і двійковокодованими десяте­ричними числами, а також для обчислення деяких транс-цедентних, у тому числі тригонометричних, функцій. Ма­тематичний співпроцесор має свою систему команд і пра­цює паралельно (сумісно в часі) з основним МП, але під керуванням останнього. Прискорення операцій відбу­вається в десятки разів. Останні моделі МП, починаючи з МП 486ВХ, мають у своїй структурі співпроцесор.

Попереджуюче завантаження даних. Існує декілька стратегій завантаження даних з основної оперативної пам'яті в кеш-пам'ять. Простий алгоритм завантаження, що називається завантаженням на вимогу(on demand), пропонує звертатися до основної пам'яті тільки після того, якщо потрібні процесору дані не опиняться у кеші (тобто, просто кажучи, після виникнення кэш-промаха). Використання такої стратегії призводить до того, що у кеш потрапляють дійсно потрібні нам дані (і це плюс!), проте при першому зверненні до регістрової комірки процесору доведеться дуже довго чекати - приблизно 20 тактів системної шини, що є безперечний мінус!

Стратегія спекулятивного(speculative) завантаження, навпаки, пропонує поміщати дані в кеш задовго те того, як до них станеться реальне звернення. Звідки ж кэш-контроллеру знать, які саме елементи пам'яті знадобляться процесору в найближчому майбутньому? Ну... напевно знати цього він, звичайно, не може, але чому б йому не спробувати просто вгадати?

Алгоритми вігадування діляться на інтелектуальні і неінтелектуальні. Типовий приклад неінтелектуального алгоритму - випереджаюче завантаження. Виходячи з припущення, що дані з оперативної пам'яті обробляються послідовно, в порядку зростання адреси, кеш-контроллер, перехопивши запит на читання першого комірки, в порядку власної ініціативи завантажує деяку кількість комірок, подальших за ним. Якщо дані дійсно обробляються послідовно, то інші запити процесора будуть виконані практично миттєво, адже необхідні комірки вже є присутніми в кеші! Слід зауважити, що стратегія випереджаючого завантаження виникає вже в силу необхідності узгодження розрядності оперативної пам'яті і процесора (див. "Узгодження інтерфейсів процесора і контроллера пам'яті").

Серйозний мінус випереджаючого (і взагалі неінтелектуального) завантаження полягає в тому, що вибраний програмістом алгоритм обробки даних далеко не завжди співпадає з алгоритмом їх завантаження і частенько елементи пам'яті потрібні зовсім не у тому порядку, в якому кеш-контроллер просить їх з основної пам'яті. Як наслідок, ми маємо значне падіння продуктивності, оскільки дані у цьому випадку завантажуються вхолосту.

Інтелектуальний кеш-контроллер передбачає адресу наступної запрошеної комірки не за сліпим шаблоном, а на основі аналізу попередніх звернень. Досліджуючи послідовність кэш-промахів, контроллер намагається встановити, якою саме залежністю зв'язні її елементи і, якщо це йому вдається, перед обчислює її подальші члени. Якщо звернення до пам'яті відбувається за регулярним шаблоном, інтелектуальна стратегія спекулятивного завантаження при сприятливому збігу обставин може повністю ліквідовувати затримки, що виникають при очікуванні завантаження даних з основної пам'яті.

До недавнього минулого інтелектуальні кэш-контроллеры викорис-товувалися хіба що в суперкомп'ютерах і високопродуктивних робочих станціях, але тепер вони реалізовані в процесорах P - 4 і AMD Athlon XP.

Стратегії пошуку даних. Відповідно до вибраної стратегії завантаження даних з пам'яті може починатися або після фіксації кэш-промаха (стратегія Look Through), або здійснюватися паралельно з перевіркою наявності відповідної копії даних у надоперативній пам'яті і уриватися у разі кэш-попадания (стратегія Look aside). Останнє скорочує накладні витрати на кэш-промахи, зменшуючи тим самим латентність завантаження даних, та зате збільшує енергоспоживання, що у ряді випадків виявляється неприйнятно великою платою за загалом досить незначну надбавку продуктивності.

Відкладений запис даних. Наявність тимчасового сховища даних дозволяє накопичувати записувані дані і потім, дочекавшись звільнення системою шини, вивантажувати їх в оперативну пам'ять миттєво. Це ліквідовує нікому не потрібні затримки і значно збільшує продуктивність підсистеми пам'яті(детальніше про це див. "Політики запису і підтримка когерентности").

У Х86- процесорах механізм відкладеного запису реалізований, починаючи з Pentium і AMD K5. Більш ранні моделі були вимушені безпосередньо записувати в основну пам'ять кожну модифіковану комірку, що серйозно обмежувало їх швидкодію. На щастя, сьогодні такі процесори практично не зустрічаються і про цю проблему вже можна забути.

Основна пам'ять. Складається з оперативного запам’ятовуючого пристрою (ОЗП і постійного запам’ятовуючого пристрою (ПЗП) (див. с. ІЗ, 14).

ПЗП - регістрова або буферна пам’ять - найбільш швидкодіюча, але найменша за ємністю пам’ять. Постійна пам’ять призначена тільки для зчитування інформації. Тому ПЗП називають терміном ROM (Read Onlu Memori). Регістрова пам’ять містить деякі системні дані (наприклад, адресу наступної команди, яку буде виконувати процесор), вихідні дані і результати виконання деяких команд процесора, а також використовувані в програмі дані.

Крім того вона призначена для зберігання програми те­стування ПК, програми початкового його завантаження, базової системи введення-виведення (ВІОС ).

Оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП) – це енергозалежна память, яка при вимкнені зовнішнього живлення інформація в ній витирається.. ОЗП - блок ЕОМ, призначений для розміщення програм, а та­кож тимчасового зберігання деяких вхідних даних і проміжних результатів. ОЗП здатний записувати (зчитува­ти) елементи програм і даних у довільне місце пам'яті (з довільного місця пам'яті), має високу швидкодію. Довільне місце означає можливість звернутися до заданої адреси (до конкретної ділянки пам'яті) без перегляду по­передніх.. Тому ОЗП називають також пам’яттю з довільним доступом (Random Accsses Memoru ), або скорочено RAM

ОЗП слу­жить для оперативного запису, зберігання та зчитування інформації (програм і даних), безпосередньо бере участь в інформаційно-обчислювальному процесі, виконуваному ПК (у поточний період часу). Головними перевагами ОЗП є його висока швидкодія і можливість звернення до кожного елемента пам'яті окремо (прямий адресний до­ступ до комірки). Але в ньому неможливо зберігати інформацію після вимкнення живлення ПК (енергозалежність). Ємність ОЗП сучасного ПК може становити 64, 128, 256, 512,1024 Мбайт до 8 Гбайт.

Оперативна пам’ять має значно більшу ємність ніж ПЗП (від декількох десятків мегабайтів до декількох гігабайтів) і використовується для тимчасового зберігання програм та даних під час їх оброблення. Так, для запуску програми вона попередньо завантажується з пристрою зовнішньої пам’яті і тільки потім починає виконуватися.

Існує два види ОЗП: динамічна і статична.

Динамічна пам’ять DRAM (Dunamic RAM) побудована на мікросхемах. Структура – це конденсатор, що може знаходитися в зарядженому чи в розрядженому стані. Зарядженому стану конденсатора відповідає одиниця, розрядженому - нуль. Крім того, до складу запам’ятовуючого елемента входить транзистор, що зчитує значення, які зберігаються в конденсаторі.

Відновлення (регенерація) інформаційних даних відбувається під час виконання операцій зчитування чи запит даних. Але, оскільки частота звернення до різних ділянок пам’яті різна, не можна гарантувати, що до конкретних даних відбувається звернення до того, як вони зіпсуються. Тому в комп’ютері реалізовано спеціальну схему регенерації, яка через визначені проміжки часу (декілька мілісекунд) зчитує увесь вміст динамічної пам’яті. Ще недавно під час роботи схеми регенерації центральний процесор знаходиться в стані очікування іншими словами ОЗП працювала значно повільніше процесора., і для звернення до неї використовувались цикли очікування і спеціальні запам’ятовуючі буферні схеми кеш-пам'ять. Сьогодні широко застосовуються мікросхеми пам’яті, які працюють синхронно з процесором. Наприклад: DDR і RDRAM., які забезпечують ефективне множення частоти в операціях з пам’яттю. Модулі DDR забезпечують подвійну швидкість операцій з пам’яттю, а модулі RDRAM збільшення швидкості в 4 рази. Швидкість оперативної пам’яті вимірюється в наносекундах (міліарних долях секунди).

Швидкість роботи пам’яті повинна бути погоджена з частотою, на якій працює системна плата. В тому випадку, якщо фізичного об’єму оперативної пам’яті не достатньо, то вся надлишкова інформація, яку йому ніде розмістити процесор відправляє її тимчасово на жорсткий диск, який називається файлом підкачки. Таким чином запис і зчитування відбувається порціями, що значно затримує процес обробки інформації. І додатково завантажує НЖМД, що є непродуктивним використанням зовнішнього жорсткого диску.

Підводячи висновок, можна сказати, що при одинаковому рейтингу память DDR2 и DDR мають одинаковую швидкість передачи даних. Головною перевагою DDR2 є можливість функціонувания на значно більш высоких частотах.

Типи динамічної пам’яті. Існує два типи динамічної памяті-

1. Звичайні моделі DRAM у яких використовується асинхронний метод доступу, тобто дані записувалися незалежно від роботи процесора. Істотного збільшення швидкості доступу до даних удалося досягти завдяки синхронізації роботи памяті з тактом системної шини в моделях синхронної DRAM- SDRAM (Sunxronous DRAM) і її модифікації DDR SDRAM та DDR 2 SDRAM, що тепер є найбільш поширеними моделями оперативної пам’яті. Частота доступу до даних у DDR SDRAM скоротився за рахунок вилучення тактів очікування і становить в останніх моделях до 1133 Мггц. Крім того DDR SDRAM використовуються такі ж самі методи зменшення часу доступу, що і в асинхронних DRAM:

- чергування адрес (контролер, що забезпечує цей режим, знаходиться безпосередньо в мікросхемі);

- пакетний режим і конвеєрне оброблення адрес даних.

Переваги DDR SDRAM над асинхронними моделями DRAM особливо відчутні за високих швидкостей системної шини.

Кеш-пам'ять – Швидкість обробки інформаційних даних процесора значно менший від часу звернення до даних в оперативній пам'яті. Тому процесор змушений очікувати доти, доки дані з відповідних елементів ОЗП надійдуть на системну шину. Для зменшення часу непродуктивного простою ЄОМ використовується регістрова електронна швидкодіюча кеш –пам'ять. Вона виконується на більш дорогих і швидких елементах ніж ОЗП. Такий спосіб обміну даними має перевагу, оскільки у разі повторного звернення до кеш - пам'яті вже немає потреби зчитувати дані з повільної ОЗП, а тому інформація надається процесору без затримки. Сучасна Кеш-пам'ять значно менша по об’єму порівняно з ОЗП (досягає до 2Мбайт), але значно швидша по частоті обробки даних.

Кеш-пам'ять складається з трьох основних елементів:

1.Контролер кеш-пам'яті, що керує взаємодією кеш-пам'яті, системної шини і процесора;

2. Кеш-пам'яті даних;

3. Кеш-пам'яті адрес.

В сучасних моделях вона встановлюється на платі процесора.