Уровни кэш-памяти

Кэш-память впервые появилась в компьютерах с процессором 80486. Тогда она устанавливалась на материнской плате. Сегодня процессоры имеют несколько уровней кэш-памяти. Чем меньше номер уровня, тем легче доступ процессора к кэшу и выше быстродействие. По историческим и техническим причинам наиболее распространено двухуровневое кэширование. Быстрее всего работает кэш-память первого уровня, интегрированная в процессор. Она имеет неболь­шой объем, причем команды и данные кэшируются по отдельности. Кэш пер­вого уровня всегда работает на той же частоте, что и процессор.

У семейств процессоров 80486 и Pentium кэш второго уровня состоял из «быстрых» микросхем памяти, установленных на материнской плате. Но, пусть и быстрая, эта память работала на частоте материнской платы, и поэтому ее эффективность была невелика.

Приблизить кэш-память второго уровня к процессору впервые удалось фирме Intel. Первые модели процессора Pentium // выпускались в виде конст­руктива, включающего процессор и кэш-память второго уровня, работающую на повышенной частоте.

На тот момент интегрировать кэш второго уровня в процессор не удалось из-за проблем с его охлаждением. С тех пор технология продвинулась дальше, и у современных процессоров кэш второго уровня также располагается в кристалле и работает на частоте процессора.

Если объем обрабатываемых данных меньше размера кэш-памяти, произ­водительность процессора существенно повышается. Например, процессор Athlon обеспечивает пятикратный рост производительности, если данные цели­ком помещаются в кэш-память первого уровня, и четырехкратный — если загру­жена кэш-память второго уровня.

Современный процессор обычно содержит 256-512 Кбайт кэш-памяти вто­рого уровня. Некоторые процессоры работают и с кэш-памятью третьего уров­ня (располагается на материнской плате).

В процессоре Pentium III объем кэш-памяти первого уровня составляет 32 Кбайт. Половина служит для кэширования инструкций, вторая половина — для данных. В процессоре Pentium 4 система кэширования первого уровня изме­нена. Вместо команд процессора кэшируются уже декодированные микро­инструкции (объем около 90 Кбайт). Кэш данных ради быстродействия сокращен вдвое и составляет всего 8 Кбайт. Кэш второго уровня в разных моделях процессоров составляет от 128 до 512 Кбайт.

У процессоров фирмы AMD кэш работает эффективнее. Кэш-память пер­вого уровня у процессоров Athlon и Duron — 128 Кбайт. Она также распределя­ется пополам между командами и данными. У процессоров Athlon кэш второго уровня — 256 Кбайт, у процессоров Duron — 64 Кбайт. Кэш у процессоров фирмы AMD — эксклюзивный; полный объем кэш-памяти является суммой объемов первого и второго уровней (384/192 Кбайт). У процессоров Intel кэш инклюзивный, кэш второго уровня поглощает кэш первого уровня.

Конвейерная архитектура

Как правило, рост производительности процессора происхо­дит при сокращении среднего числа тактов, нужных на выполнение команды. Но есть и другие методы повышения производительности. В частности, все современные процессоры имеют конвейерную архитектуру.

Первоначально процессор семейства х86 выполнял команды поочередно: закончил одну — перешел к следующей. Но многие команды требуют для своего выполнения несколько тактов. Современные процессоры способны выполнять операции параллельно — подобно тому, как при сборке автомобилей на конвей­ере в работе находится сразу несколько машин.

Разбиение команды на конвейерные операции увеличивает время ее выпол­нения (в тактах) по сравнению с предыдущими моделями процессоров, но общая производительность повышается. Увидеть это можно на следующем при­мере.

Пусть в процессоре без конвейера каждая из команд А, Б и С занимает два такта. Временная диаграмма выполнения этих команд приведена на рис. 2.3.

Для выполнения всех трех команд нужно шесть тактов. Процессор конвей­ерной архитектуры может начинать выполнение новой команды на каждом такте. Команды переходят с одной стадии конвейера на другую, так что их выполнение разворачивается одновременно.

Рис. 2.3. Последовательное выполнение команд в отсутствие конвейера

Если в таком процессоре те же команды А, В и С требуют по три такта, диаграмма выполнения может выгля­деть так (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Параллельное выполнение команд на конвейере

Все закончено за пять тактов. Хотя каждая команда выполняется медленнее, чем в предыдущем примере, общая производительность выше. Это произошло потому, что последующие команды добавляют к затратам времени всего один такт, хотя сама команда выполняется существенно дольше. Чем длиннее коман­ды, тем больший выигрыш дает конвейеризация.

У современных процессоров конвейер состоит из 10-20 стадий. Удлинение кон­вейера повышает его эффективность и ведет к росту тактовой частоты. Но эффек­тивное использование конвейера требует бесперебойной подачи команд. Напри­мер, если данные для команды В получаются в результате выполнения команды А, то выполнить эти команды в параллельном режиме не удастся. Современ­ным процессорам приходится «хитрить» — они начинают выполнять очередное действие до того, как стало точно известно, что оно понадобится. Если удается «угадать» (а так происходит более чем в 90% случаев), все срабатывает эффек­тивно. Если операция оказалась ненужной, конвейер сбрасывается, что ведет к значительной потере времени. Производители процессоров ищут тонкий баланс, учитывающий длину конвейера и качество предсказания нужных операций.

Таблица 2.1. Основные поколения процессоров

Семейство	Номинальные тактовые частоты	Дополнения к системе команд	Нововведения и особенности
Устаревшие процессоры
8086	4,77 МГц		Первый процессор, открывший линейку компьютеров IBM PC
80286	6-12 МГц		IBM PC/AT
80386	8-40 МГц		Новый режим работы процессора (protected mode)
80486	20-120 МГц		Интегрированный арифметический сопроцессор. Внутреннее умножение частоты. Кэш-память второго уровня. Массовый выпуск совместимых процессоров разными фирмами
Pentium и аналоги	66-550 МГц	MMX,3DNow! (не во всех моделях)	Оригинальный процессор фирмы Intel достиг частоты 233 МГц, другие фирмы выпускали совместимые процессоры и с более высокими частотами. Появление «рейтингов производительности»
Pentium II, Celeron	266-533 МГц	ММХ	Две аналогичные линии процессоров отличаются внешней частотой и объемом кэш-памяти второго уровня. Кэш-память перенесена в конструктив процессора (у процессоров Celeron — в кристалл)
Современные процессоры
Pentium III, Celeron	450-1400 МГц	ММХ, SSE	Кэш-память в кристалле и работает на частоте ядра процессора. Под этим названием объединены два семейства процессоров
Athlon, Duron	500-? МГц	ММХ, Extended 3DNow	Первая независимая линейка, конкурентоспособная с процессорами фирмы Intel
Pentium 4, Celeron	1400-? МГц	ММХ, SSE, SSE 2	Эта серия процессоров оптимизирована для производительных систем. Команды SSE 2 вводят еще один режим работы процессора

3.2.3. Внешние устройства ПК

По назначению ВУ можно разделить на:

• устройства ввода данных;

• устройства вывода данных;

• устройства хранения данных;

• устройства обменом данными.

3.2.3.1. Устройства ввода данных

1. Клавиатура – служит для ввода алфавитно-цифровых данных, а также команд управления. Она относится к стандартным средствам ПК. Ее основные функции не нуждаются в поддержке специальными системными программами – драйверами, т. к. необходимое программное обеспечение есть в ПЗУ в составе BIOS. Принцип действия клавиатуры состоит в следующем.

1. При нажатии на клавишу специальная микросхема, встроенная в клавиатуру, выдает код клавиши (скан-код).

2. Скан-код поступает в микросхему, выполняющую роль порта клавиатуры (порт находится на материнской плате).

3. Порт клавиатуры выдает процессору номер прерывания (9).

4. Получив прерывание, процессор обращается в специальную память ОП, в которой находится вектор прерываний (список адресов программ, обслуживающих конкретное прерывание).

5. Процессор выполняет программу, которая находится по адресу взятому из вектора прерываний. Простейшая программа обработки клавиатурного прерывания находится в ПЗУ, но можно поставить вместо нее свою программу, если изменить данные в векторе прерываний.

6. Программа-обработчик прерывания находит скан-код, записывает его в регистры процессора и определяет символ, соответствующий данному коду.

7. Программа –обработчик записывает символ в специальную область ОП, которая называется буфером клавиатуры и прекращает свою работу.

8. Процессор заканчивает обработку прерывания и возвращается к отложенной работе.

9. Введенный символ хранится в буфере до тех пор, пока его не заберет оттуда та программа, для которой он предназначался. Если символы поступают чаще, чем забираются, то возникает эффект переполнения буфера.

2. Мышь – это устройство управления манипуляторного типа. Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением указателя мыши на экране монитора. Принцип действия заключается в следующем.

В отличие от клавиатуры, мышь не является стандартным устройством и ПК не имеет для нее выделенного порта. Для нее нет и постоянного выделенного прерывания, а BIOS не содержит программных средств для обработки прерываний мыши. Следовательно, мышь нуждается в специальной управляющей программе – драйвере мыши. Драйвер устанавливается либо при первом подключении мыши, либо при установке ОС. Хотя мышь и не имеет выделенного порта на материнской плате, для работы с ней используют один из стандартных портов средства для работы с которым имеются в составе BIOS. Драйвер мыши нужен для интерпретации сигналов поступающих через порт. Компьютером управляют с помощью перемещения мыши по плоскости и нажатия на левую и правую кнопки. Принцип управления является событийным, т. е. перемещения мыши и нажатия на кнопки – это события с точки зрения ее программы-драйвера. Анализируя события, драйвер устанавливает, где это событие произошло, т. е. в каком месте экрана находился указатель. Эти данные передаются в программу, с которой работает пользователь. По ним программа определяет команду пользователя, которую она должна выполнить.

3. Специальные манипуляторы:

• Трекбол – в отличие от мыши, устанавливается стационарно, его шарик приводится в движение ладонью руки, он не нуждается в гладкой поверхности, поэтому широко используется в портативных ПК.

• Джойстик – манипулятор, используемый в игровых программах и тренажерах.

• Инфракрасная мышь – отличается от обычной наличием устройства беспроводной связи с системным блоком.

4. Устройства ввода графических данных: сканеры, графические планшеты (дигитайзеры), цифровые видеокамеры.

• Сканеры. С помощью сканера можно вводить любую информацию, в том числе и знаковую. В этом случае исходные данные вводятся в графическом виде, после чего обрабатываются с помощью программ распознавания образов. Наиболее распространены планшетные сканеры. Они предназначены для ввода графической информации с листа. Принцип действия сканера состоит в том, что луч света отраженный от поверхности листа фиксируется специальными элементами (ПЗС – приборы с зарядовой связью). Обычно эти элементы конструктивно оформляются в виде линейки, располагаемой по ширине листа. Затем либо лист перемещается при неподвижной установке линейки, либо наоборот – линейка перемещается при неподвижной установке листа. Основные характеристики планшетных сканеров:

  • Разрешающая способность – зависит от плотности расположения элементов ПЗС на линейке. Типичный показатель 600-1200 dpi (количество точек на дюйм).

  • Производительность – продолжительность сканирования одного листа бумаги.

  • Динамический диапазон – отношение яркости наиболее светлых участков изображения к яркости наиболее темных участков.

• Графические планшеты – предназначены для ввода художественной графической информации . Существует несколько различных принципов их действия, но в основе всех их лежит фиксация специального пера относительно планшета. Такие устройства могут использоваться художниками, т. к. позволяют им создавать экранные изображения привычными способами.

• Цифровые фотокамеры – эти устройства воспринимают графические данные с помощью ПЗС, объединенных в прямоугольную матрицу. Основным параметром является разрешающая способность, которая связана с количеством ПЗС в матрице. Лучшие потребительские модели имеют до 1млн ячеек ПЗС и обеспечивают разрешение изображения до 800х1200 точек. У профессиональных моделей эти параметры еще выше.

3.2.3.2. Устройства вывода данных

1. Монитор – это устройство визуального представления данных. Это основное устройство вывода информации. Его основными потребительскими параметрами являются:

• размер;

• шаг маски экрана;

• максимальная частота регенерации изображения;

Размер монитора – измеряется между противоположными углами трубки кинескопа по диагонали. Единица измерения - дюймы. Стандартные размеры: 14”, 15”, 17”, 19”, 20”, 21”. В настоящее время самыми универсальными являются мониторы 15” и 17”, а для операций с графикой лучше использовать мониторы 19”- 21”.

Изображение на экране монитора получается в результате облучения люминофорного покрытия остронаправленным лучом электронов, разогнанных в вакуумной колбе. Для получения цветного изображения люминофорное покрытие имеет точки трех типов, светящиеся красным, синим и зеленым цветом. Чтобы на экране все три луча сходились в одну точку, перед экраном ставят маску – панель с отверстиями. Часть мониторов оснащена маской из вертикальных проволочек, что усиливает яркость и насыщенность изображения. Чем меньше шаг между отверстиями маски, тем четче полученное изображение. Шаг маски измеряют в долях миллиметра. В настоящее время наиболее распространены мониторы с шагом маски 0,25 –0, 27 мм.

Частота регенерации (обновления) изображения показывает сколько раз в течение секунды монитор может полностью сменить изображение. Этот параметр зависит не только от свойств монитора, но и от настроек видеоадаптера. Частоту регенерации измеряют в Гц. Чем она выше, тем устойчивее изображение, тем меньше утомление глаз. Минимальным считается значение 75Гц, нормативным – 85 Гц, комфортным – 10Гц и более.