инфопособие2013

1 ноября 1995 г. появился первый процессор PentiumPro (80686, Р6)

стактовой частотой 150 МГц. 8 января 1997 г. – процессор Pentium MMX

стактовой частотой 166 МГц.

Технология MMX (Multi Media Extension) предполагает включение в состав команд процессора Pentium набора из 57 новых команд. Новые команды предназначены в первую очередь для реализации алгоритмов обработки видео- и аудиоданных: фильтрации, преобразований Фурье, свертки и пр.

Технология Intel MMX позволяет обрабатывать несколько пакетов данных одинаковым образом, т. е. использует технологию SIMD.

Число транзисторов в процессоре Pentium MMX составляет 4,5 млн штук, а кэш-память первого уровня имеет объем 32 КБ. Как показали испытания, ММХ-процессор увеличивает производительность по сравнению с обычным процессором Pentium до 34 %.

В19951997 гг. корпорация Intel выпустила еще несколько моделей:

Pentium MMX 266 МГц и Pentium Pro 200 МГц.

7 мая 1997 г. появился процессор Pentium II с тактовой частотой

233 МГц.

15 апреля 1998 г. фирма Intel представила модели Pentium II с тактовыми частотами 350 и 400 МГц.

Процессор Pentium II изготавливается по так называемой 0,25микронной технологии. При этом каждый транзистор умещается в квадрате со сторонами в четверть микрометра. На срезе человеческого волоса можно уместить 30 000 таких транзисторов. В будущем предстоит переход на технологии 0,18 и 0,13 микрометра.

С целью завоевания рынка фирма Intel выпустила недорогой процессор Celeron, в котором первоначально отсутствовала кэш-память второго уровня.

24 августа 1998 г. фирма Intelпредставила еще два процессора семейства Celeron— ЗООА и 333. Новые процессоры выполнены по 0,25 мкм технологии и содержат кэш-память второго уровня размером 128 КБ.

2 августа 1999 г. вышел Pentium III, работающий на частоте 600 МГц. По сравнению с Pentium II в нем для увеличения быстродействия еще больше усилено распараллеливание процессов.

Кроме того, Pentium III отличается наличием уникального идентификационного номера, который может быть считан программно для определения личности пользователя (например, при совершении покупок через Интернет).

Вноябре 2000 г. выпущен процессор Pentium 4 с тактовыми частотами 1,4 и 1,5 ГГц. Процессор Pentium 4 изготавливается по 0,18микронной технологии. В процессоре используется 144 новых команд

73

(инструкций), предназначенных для ускорения обработки видео, мультимедиа, трехмерной графики и криптографии.

5.3. Многоядерные процессоры

Сегодня все больше компьютеров оснащается многоядерными процессорами. Такие чипы, например Core Duo корпорации Intel или Athlon 64 X2 от AMD,содержат два (Dua lCore) (рис. 5.3) или даже четыре (Quad Core) процессора. Долгое время фирмы Intel и AMD – для повышения производительности процессоров увеличивали их тактовую частоту. Однако при тактовой частоте более 3,8 ГГц чипы попросту перегреваются. Многоядерные чипы решили эти проблемы.. В таком чипе параллельно работают два и более процессора, которые при меньшей тактовой частоте обеспечивают бóльшую производительность. Исполняемая в данный момент программа делит задачи по обработке данных на оба ядра. Это дает максимальный эффект, когда и операционная система, и прикладные программы рассчитаны на параллельную работу, например при работе с приложениями для обработки графики.

Рис. 5.3. Процессор Core 2 Duo фирмы Intel

Первый Core 2 Duos буквально «взорвал» рынок со своими 167 млн транзисторов, 65-нанометровой технологией, 2 МБ вторичной кэш-памяти

74

и 1,066 МГц частотой шины. Несмотря на невысокие частоты 1.86 МГц и 2.13 МГц (Е6300 и Е6400 соответственно), производительность, а также агрессивная ценовая политика сделали Core 2 популярным.

Позднее Core 2 был переведен на 45-нм технологию изготовления. Так появилась версия Penryn, в которой 820 млн транзисторов было

антивирусная программа занимает ресурсы второго ядра.

Ивсе же управление параллельными задачами тоже требует времени

изадействует ресурсы ПК. Кроме того, подчас для решения одной из них приходится ждать результата выполнения другой. Поэтому на практике двухъядерные процессоры не производят вычисления в два раза быстрее одноядерных, хотя прирост быстродействия и оказывается значительным, но при этом он зависит от типа приложения. У игр, которые пока еще совсем не используют новую технологию, быстродействие увеличивается всего на 5 % при одинаковой тактовой частоте. А оптимизированные под многоядерные процессоры программы для обработки музыки и видео работают быстрее уже на 50 %.

Наличие нескольких ядер позволяет распределять фоновые задачи операционной системы по нескольким ядрам процессоров. Все процессы, требующие интенсивных вычислений, протекают быстрее:

•обработка видео: сжатие и обработка видеофайлов происходят быстрее. Увеличение скорости особенно заметно, если используемое

приложение для работы с фильмами предназначено для ПК

смногоядерным процессором;

•воспроизведение видео: качественное воспроизведение фильмов с высоким разрешением, например с дисков Blu-ray или HD-DVD, возможно лишь с многоядерными процессорами. Ведь при декомпрессии такого видео, содержащего большие объемы данных, процессор должен производить огромное количество вычислений;

•игры: преимущество по скорости у игр пока невелико, они получают пользу лишь от большого размера кэша процессора, установленного на ПК. Пройдет еще некоторое время, пока появятся игры, которые на многоядерных процессорах будут работать заметно быстрее;

•потребление электричества: сниженное энергопотребление

давно стало актуальным для процессоров мобильных систем. Это позволяет продлить автономную работу ноутбука от аккумуляторов. Многоядерные чипы, в которых реализованы все современные технологии энергосбережения, быстрее обычных справляются с поставленными

75

задачами и поэтому быстрее могут перейти в режим с меньшей тактовой частотой и, соответственно, с меньшим энергопотреблением.

13 сентября 2010 г. корпорация Intel в рамках Форума для разработчиков (Intel Developer Forum) представила новые особенности семейства процессоров Intel® Core™ второго поколения, запуск которых запланирован на 2011 г. Улучшенные возможности будущих чипов позволяют Intel укрепить позицию лидирующего поставщика полупроводниковых решений в плане производительности и энергоэкономичности. Кроме того, новые процессоры предоставляют широкие возможности для обработки компьютерной графики. Микропроцессоры под кодовым названием SandyBridge будут основаны на новой «умной» микроархитектуре, современной 32-нанометровой технологии производства с использованием транзисторов с металлическим затвором и диэлектриков Hi-K второго поколения.

Новое семейство процессоров будет включать «кольцевую» архитектуру, которая позволяет интегрировать графический контроллер и использовать ресурсы, такие как кэш команд и данных, совместно с ядрами процессора, увеличивая скорость работы графической подсистемы и системы в целом при сохранении эффективных значений энергопотребления.

Процессоры Intel Core второго поколения также включат улучшенную версию технологии Intel® TurboBoost. Она будет автоматически перераспределять нагрузку на ядра процессора и графические ресурсы в зависимости от запущенных приложений, мгновенно увеличивая производительность тогда, когда пользователь

вэтом нуждается больше всего.

В2012 году компания AMD планировала начать производство новой платформы под кодовым названием Deccan. В ее состав войдут гибридные чипы Krishna и Wichita, которые станут заменой нынешним чипам серий Zacate и Ontario.Новинки от AMD получат до четырѐх вычислительных ядер с архитектурой х86, встроенный графический контроллер, контроллер памяти DDR3-1600, а также блок ускорения обработки HD видео:

•Krishna и Wichita. Это двух- и четырехъядерные процессоры для планшетов, ноутбуков, HD-нетбуков и настольных ПК, выпускаемые по технологической норме 28 нм на основе ядра Bobcat и графического процессора с поддержкой DirectX 11.

•Trinity. Процессор, изготовляемый по 32-нм технологии на базе ядра Bulldozer и графического процессора с поддержкой DirectX 11, предназначенный для массовых и высокопроизводительных настольных ПК и ноутбуков.

•Komodo. Процессор, насчитывающий до десяти ядер Bulldozer

76

высокопроизводительных и предназначенных для энтузиастов настольных ПК.

• Terramar и Sepang. Новые 32-нм процессоры для серверов на основе ядра Bulldozer. Terramar предназначается для предприятий и сможет иметь до 20 ядер, а Sepang – для рынка малопотребляющих процессоров и будет насчитывать до 10 ядер.

Контрольные вопросы и задания

1. Какой процессор установлен на ваш компьютер. Сколько у него

ядер?

2.Какие фирмы занимаются разработкой современных процессоров?

3.Что такое технология ММХ?

4.Какие процессоры называются монокристальными?

5.Что такое сопроцессор?

6.Почему двухъядерный процессор не работает в два раза быстрее одноядерного?

7.Чем отличаются процессоры типа SISCи RISC?

Что понимается под архитектурой процессоров?

Что понимается под термином «совместимость процессоров снизу

вверх

9.Что такое режим реальной адресации?

10.Что такое режим защищенной адресации?

11.Когда появился идентификационный номер компьютера и какие возможности это дает?

12.Назовите фирмы, занимающиеся выпуском процессоров.

13.Какие преимущества дает компьютеру многоядерность?

14.Какие процессоры планируются к выпуску в ближайшее время?

77

Глава 6. ПАМЯТЬ И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

6.1. Определения. Единицы емкости памяти

Самой важной частью машины является процессор или микропроцессор (в зависимости от типа машины), а микропроцессор содержит запоминающее устройство или память.

Под памятью или запоминающим устройством (ЗУ), понимается устройство для запоминания, хранения и представления информации.

ѐмкости. Ёмкость памяти измеряется битами или байтами.

Бит – это двоичный разряд, элементарная единица информации, принимающая значение 0 или 1.

Слово «бит» – это аббревиатура от BInary digiT, придумана в 1946 г. американским ученым-статистиком Джоном Тьюки.

Байт – это общепринятая единица информации, используемая для указания объема памяти, скорости передачи информации и других характеристик ЭВМ. Один байт информации состоит из 8 битов. При представлении символьной информации каждая буква, цифра или другой знак занимают 1 байт.

Слово байт( BYTE) – это аббревиатура слов BinarY TErm Современные электронные устройства для обработки информации

(ПК, планшеты, смартфоны и т. п.) имеют память (ОЗУ) от нескольких сотен Килобайт (КБ) до десятков Гигабайт (ГБ). Емкость жестких дисков измеряется в сотнях Гигабайт (ГБ) или Терабайтах (ТБ).

Значения единиц измерения информации, используемые для определения емкости памяти в настоящее время, следующие:

1 Килобайт=210 байт=1024 Байтам;

1 Мегабайт=220 байт=1024 Килобайтам;

1 Гигабайт=230 байт=1024 Мегабайтам;

1 Терабайт=240 байт=1024 Гигабайтам;

1 Петабайт=250 байт=1024 Терабайтам; 1 Экзабайт=260 =байт=1024 Петабайтам; 1 Зеттабайт=270 байт=1024 Экзабайтам; 1 Йоттабайт=280 байт=1024 Зеттабайтам.

Часто емкость ОЗУ измеряется числом машинных слов. Длина слова кратна байту, т .е. равна 8, 16, 32, 64 битам.

78

Например, емкость ОЗУ компьютера СМ-4 в двухбайтовых словах - 128 килослов (Кслов).

Чтобы проиллюстрировать возможности современных ЭВМ, приведем примеры того, сколько информации может храниться в 100 МБ памяти:

50000 страниц текста или около 150 романов;

свыше 150 цветных слайдов высокого качества;

аудиозапись 1,5 часовой речи;

10 минутный фильм качества CD-стерео;

15 секундный фильм высокого качества;

1000-летний протокол операций с банковским счетом крупной фирмы.

В настоящее время ученые всего мира работают над созданием квантовых компьютеров и, хотя еще нет даже модели таких машин, они знают как должен будет работать квантовый компьютер, для него придумана новая минимальная единица памяти –кубит или q-бит (quantum bit), способная хранить в одном разряде более, чем одно значение.

6.2. Принципы устройства памяти

Производительность и вычислительные способности ЭВМ

взначительной мере определяются организацией и характеристиками имеющейся у нее памяти. Так как стоимость памяти составляет существенную часть общей стоимости ЭВМ, то в целях оптимизации объема, быстродействия и стоимости, память строится по иерархическому принципу, включающих несколько еѐ типов и отличающихся организацией характеристиками и назначением.

Минимальный элемент памяти – бит способен хранить минимально возможный объем информации – одну цифру двоичного исчисления. Биты

впамяти любого вида объединяются в байты – восьмерки битов, каждый байт имеет свое имя. Зная имя байта, можно совершать с ним две основные операции: читать из байта и записывать в байт Для именования байтов принято использовать неотрицательные целые числа и говорить о номерах или адресах байтов.

Взаимодействие процессора с памятью производится с помощью проводов, называемых шинами адресов и данных. По шине адреса передается в ту или в другую сторону адрес байта, а по шине данных – сам байт для записи в память или чтения из памяти (рис. 6.1) передачи адресов и байтов происходят одновременно.

79

Число проводов в шине данных называется разрядностью шины. Обычно разрядность равна 8, 16, 32 или 64 битам. Если шина восьмиразрядная, за одно обращение к памяти можно передать 1 байт или один адрес, а если 16-разрядная, то 2 байта данных и последовательно два адреса этих двух байтов и т. д. Шина адреса тоже может иметь разрядность. По 20-разрядной шине можно передавать одновременно 220=1048576 адресов и, соответственно, обслуживать 1 МБ памяти. Для работы на 20-разрядной шине, с памятью более 1 МБ, нужно разбить адрес на две части и передавать в два приема. Такой метод называется мультиплексирование, он позволяет иметь большее количество адресов за счет увеличения времени на передачу адреса.

Рис. 6.1. Взаимодействие процессора с памятью

Для того чтобы компьютер знал что нужно делать с информацией – записывать или считывать, шина адреса и шина данных дополняются еще двумя проводами – один называется запрос чтения, другой –запрос записи. Если по одному из них передается 1 бит информации, то производится соответствующая операция. Передача 1 сразу по двум

в зависимости от вида памяти в микро-, милли-, наноили биллионных секунды.

Под шириной доступа понимается количество считываемой/записываемой за одно обращение к памяти информации, измеряется в битах. Время доступа и ширина доступа определяют производительность операций с памятью ЭВМ.

80

6.3 Виды памяти

Для работы с компьютером в него нужно ввести информацию, которую он будет обрабатывать, т. е. загрузить его память – запоминающее устройство.

Важной разновидностью ЗУ является оперативная память или ОЗУ. Именно здесь хранятся программа и данные, необходимые для немедленного решения каждой конкретной задачи. В любом компьютере ОЗУ обеспечивает гибкость его работы и быстродействие. Это быстрая память компьютера.

Реализуется ОЗУ по-разному. Существуют магнитные ОЗУ, состоящие из большого числа магнитных ферритовых колец, каждое из которых можно намагничивать в одном или другом направлении и этим запоминается один бит информации (рис. 6.2). Сколько колец в таком ОЗУ, столько бит информации, оно может запомнить. Магнитные ОЗУ громоздки, им на смену пришли более быстрые и компактные, состоящие из большого числа триггеров – специальной схемы, способной запомнить один бит информации.

Существует еще сверхоперативная память (СВОП) для временного хранения промежуточных результатов. Она представляет собой набор электронных ячеек памяти – регистров, поэтому эту память еще называют регистровой. Регистр – это последовательность триггеров.

Другим видом запоминающего устройства в компьютере является

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое служит для хранения программ и данных, постоянно необходимых для работы компьютера. К числу таких программ относится, например, самая главная программа BIOS (Basic Input Output System), служащая для загрузки ОС. Их составляют заранее, а затем хранят в ПЗУ. Информация, хранящаяся в ПЗУ энергонезависима, т. е. она сохраняется после выключения компьютера. отличается ПЗУ тем, что позволяет только считывание записанной информации. Для того чтобы стереть или записать новую информацию в ПЗУ, необходимы специальные устройства – праграмматоры и стиратели, а также время порядка 1 часа. Стирание осуществляется через специальное окошко в корпусе микросхемы, либо электрическим способом путем подачи повышенного напряжения на специальные входы программирования.

81

Рис. 6.2. Память реализованная с помощью ферритовых колец

В 1989 г. фирмой Intel была выпущена на рынок флэш-память– электронное стираемое программируемое ПЗУ. Флэш-память, обладая свойствами ПЗУ, в то же время позволяет ее быстро перепрограммировать.

Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ)

используется для записи новых программ и данных, с которыми будет работать пользователь далее постоянно. Этот вид памяти занимает промежуточное место между ОЗУ и ПЗУ.

Еще один тип внутренней памяти ЭВМ, время доступа к которой не более нескольких десятков наносекунд – это кэш-память. Этот вид памяти, ранее используемый только в суперЭВМ и мощных ПК, в настоящее время атрибут всех персональных компьютеров. Так, ПК Tulip 4/100 имеет кэш-память объемом 256 КБ, что соответствует памяти ПК 1980-х годов. Кэш-память устанавливается на быстродействующих БИС, ее быстродействие должно соответствовать скорости работы АЛУ и УУ.

Кэш-память применяется для хранения наиболее часто используемых программ и данных, осуществляет своего рода связующий буфер между быстрыми устройствами ЦП и более медленной ОП и позволяет получать существенный временной выигрыш. Работу кэшпамяти можно описать следующим образом. Всякий раз, когда процессор намерен прочитать некоторый байт, сначала проводится анализ: есть ли байт с этим адресом в быстрой кэш-памяти. Если он там есть, то происходит чтение из кэш-памяти. Если нет, то байт копируется из основной памяти в кэш-память и передается процессору. Таким образом, кэш-память повышает производительность компьютера.

Время доступа для современных ЭВМ следующее: СВОП – 5-15, Кэш – 10-50, ПЗУ – 30-200, ОП – 50-150 нс. Естественно, развитие элементной базы постоянно корректирует эти цифры в сторону уменьшения.

82