835

Федеральное агентство по образованию

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники

С.Г. Михальченко

АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ

Раздел 1

Учебное пособие

2007

Михальченко С.Г.

Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ: Учебное пособие. В 2-х разделах. — Томск: Томский государственный университет системуправления ирадиоэлектроники, 2007. — Раздел1. — 178 с.

♥ Михальченко С.Г., 2007 ♥ ТУСУР, 2007

5

1 МИКРОПРОЦЕССОРЫ

1.1 Основы архитектуры семейства 8086

«Мозгом» персонального компьютера являтся микропроцессор, или центральный процессор — CPU (Central Processing Unit) — это специальный чип (интегральная микросхема), который выполняет все основные вычислительные операции, необходимые персональному компьютеру. Центральный процессор осуществляет в персональном компьютере обработку всей информации, он работает под управлением программных средств, преобразуя входную информацию в выходную. Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых в компьютерах, имеющие сопроцессор). Во всех РС-совместимых компьютерах используются процессоры, совместимые с симейством intel, но выпускаются и проектируются они как самой фирмой intel, так и компаниями AMD (Analog Micro Device), Cyrix и др.1

Процессоры можно классифицировать по двум основным параметрам: разрядности и быстродействию.

Быстродействие процессора определяет, сколько циклов

(элементарных операций) он может произвести за секунду. Быстродействие компьютера определяется тактовой час-

тотой, обычно измеряемом герцах [Гц = 1/c]. Она задается параметрами кварцевого резонатора, представляющего бой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием электрического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с частой, определяемой формой и размером кристалла, Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой.

Наименьшей единицей измерения времени (квантом) для процессора как логического устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается минимум один такт. Например, обмен данными с памятью

1 Вторая лекция полностью посвящена поколениям процессоров, там же кратко перечисляются основные фирмы — производители процессоров и торговые марки их продукции.

6

процессор Intel выполняет за три такта плюс несколько циклов ожидания. (Цикл ожидания — это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только для того, чтобы процессор не «убегал» вперед от менее быстродействующих узлов компьютера.)

Время, затрачиваемое на выполнение команд, также непостоянно. В процессорах 8086 и 8088 на выполнение одной команды уходит около 12 тактов. Использование в процессоре Pentium нескольких параллельных конвейеров и других ухищрений позволило сократить время выполнение среднестатистической команды до одного такта. В современные процессорах за один такт выполняется как минимум три команды.

Сравнивая относительную эффективность процессоров, можно увидеть, что производительность процессора Pentium III, работающего на тактовой частоте 600 МГц, теоретически равна производительности процессора Pentium, работающего на тактовой частоте 900 МГц, которая, в свою очередь, теоретически равна производительности процессора 486, работающего на тактовой частоте 1 800 МГц. Поэтому нельзя сравнивать производительность компьютеров, основываясь только на тактовой частоте; необходимо принимать во внимание тот факт, что на эффективность системы влияют и другие факторы. Оценивать эффективность центрального процессора довольно сложно. Центральные процессоры с различными внутренними архитектурами выполняют команды по-разному: одни и те же команды в разных процессорах могут выполняться либо быстрее, либо медленнее.

Чтобы найти удовлетворительную меру для сравнения центральных процессоров с различной архитектурой, работающих на разных тактовых частотах, Intel изобрела специфический ряд эталонных тестов, которые можно выполнить на микросхемах Intel, чтобы измерить относительную эффективность процессоров. Эта система тестов недавно была модифицирована с той целью, чтобы можно было измерять эффективность 32-разрядных процессоров; эта система называется индексом (или показателем) iСОМР 2.0 (Intel Comparative Microprocessor Performance — сравнительная эффективность микропроцессора фирмы Intel). Индекс iСОМР 2.0 вычисляется в результате нескольких независимых испытаний и довольно объективно характеризует относительную производительность процессора. При подсчете iСОМР-индексов учитыва-

7

ются операции с плавающей запятой и операции, необходимые для выполнения мультимедийных приложений. После выпуска процессоров Pentium III фирма Intel представила новый индекс iСОМР 3.0 При подсчете этого индекса учитывается работа с трехмерной графикой, мультимедиа и технологии Internet. По сути, индекс iСОМР 3.0 представляет собой комбинацию результа-

тов измерений шести тестов: WinTune 98 Advanced CPU Integer,

CPUМагк.99, 3D WinBench 99-3D, MultimediaMark 99, Jmark.2.0 и WinBench 99-FPU WinМагк. В результатах этих тестов учитывается и новый набор команд SSЕ.

1.1.1 Тактовые частоты процессора и системной платы

Тактовая частота работы самого процессора, называемая внутренней частотой, существует лишь внутри него самого и соответственно определяет скорость его работы. Весь обмен данными с материнской платой он производит на другой, внешней частоте (тактовой частоте материнской платы), которая может быть получена из внутренней частоты путем деления на коэффициент (назы-

ваемый внутренним множителем процессора) — BF0 (Y-33),

BF1 (X-34) и BF2 (W-35) — (Bus Frequency/Bus Factor). Напри-

мер, процессор Сеlerоn 466 работает на тактовой частоте, в семь раз превышающей тактовую частоту системной платы (66 МГц), а Реntium II 550 — на тактовой частоте, в пять с половиной раза превышающей тактовую частоту системной платы (100 МГц).

Обычно тактовую частоту системной платы и множитель можно установить с помощью перемычек или процедур конфигурирования системной платы (например, с помощью выбора соответствующих значений в программе установки параметров ВIOS). Для задания коэффициента умножения частоты в процессорах пятого поколения служат выводы делителей частоты Bus Frequency, приведенные в табл. 1.1.

Таблица 1.1

8

Если в документации на плату не выделены отдельно перемычки установки частоты и множителей — их можно определить по таблице стандартных частот табл. 1.2.

Таблица 1.2

На платах, разработанных до появления процессора Pentium, можно задавать только сигнал BF0 (1.5—2.0), а на современных платах — и BF1 / BF2 (2.5—5.5). Установка внешней и внутренней частоты производится на материнской плате.

При прочих равных условиях (типах процессоров, количестве циклов ожидания при обращении к памяти и разрядностях шин данных) два компьютера можно сравнивать по их тактовым частотам. Однако делать это надо осторожно: быстродействие компьютера зависит и от других факторов. Определяющим фактором при этом является архитектура, конструкция и элементная база оперативной памяти системы.

При изготовлении процессоров проводится тестирование при различных тактовых частотах, значениях температуры и давления. После этого на них наносится маркировка, где указывается максимальная рабочая частота во всем используемом диапазоне температур и давлений, которые могут встретиться в обычных условиях. Система обозначений довольно проста. Например, на процессоре компьютера написано А80486DХ2-66, Буква А на микросхемах фирмы Intel обозначает тип корпуса, в данном случае это керамический корпус типа РGА (Рin Grid Arrау). 80486DХ2 — тип микросхемы (процессор 486DХ с удвоенной тактовой частотой). Число 66 означает, что максимальная тактовая частота равна 66 МГц. Поскольку в самом процессоре частота удваивается, рабочая частота системной платы не должна пре-

9

вышать 33 МГц. Процессор может работать и на более низких частотах; например, при частоте системной платы 25 МГц его собственная тактовая частота будет равна 50 МГц.

1.1.2 Процессоры CISC и RISC

Быстрый рост тактовой частоты позволил отказаться от архитектуры CISC. Ее отличало огромное количество узкоспециализированных команд, обеспечивавшее компактность кода в условиях ограниченности оперативной памяти и требовавшее сложного блока вычислений арифметико-логического устройства, ALU — выполняющего непосредственно CISC-инструкции за несколько тактов. Удалось перейти на RISC-архитектуру (небольшой набор быстро выполняемых простых команд), сохранив при этом компактность кода. Теперь сложные команды CISCнабора рассматривались процессором как вызовы внутренних микропрограмм, выполняемых непосредственно ALU. И хотя одна ассемблерная команда, как и раньше, выполняется не за пару тактов, суммарное время ее выполнения остается все равно таким же или даже меньшим, за счет более высокой частоты следования тактов. Кроме того, упрощение арифметико-логического устройства позволило увеличить его разрядность, что тоже сильно повысило эффективность вычислений. Если операция сложения двух 32-разрядных чисел на 32-разрядном процессоре требует двух тактов, то для того чтобы их сложить на 16-разрядном процессоре, нужна была целая программа, выполняющаяся за парутройку сотен тактов и использующая внешнюю память.

1.1.3 Разрядность процессора

Еще одной базовой характеристикой процессора является его разрядность. Суть этого понятия проста — сколько бит данных одновременно может быть передано (получено, обработано) процессором за один такт. На самом деле все несколько сложнее. В процессор входит три базовых устройства, основным параметром которых является разрядность:

•шина ввода и вывода данных;

•внутренние регистры;

•шина адреса памяти.