инфопособие2011

 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 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 (IntelDeveloperForum) представила новые особенности семейства процессоров Intel® Core™ второго поколения, запуск которых запланирован на 2011 год. 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 IntelCore 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 в этом нуждается больше всего.

В 2012 году компания AMD планирует 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

сархитектурой 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

споддержкой 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 и соответствующий технологической норме 32 нм, для высокопроизводительных

ипредназначенных 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 двухядерный процессор не работает в два раза быстрее одноядерного?

7.Чем отличаются процессоры типа SISCи RISC?

8.Что понимается под «архитектурой» процессоров?

9.Что понимается под термином «совместимость процессоров снизу вверх»?

10.Что такое режим реальной адресации?

11.Что такое режим защищенной адресации?

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

13.Назовите фирмы, занимающиеся выпуском процессоров.

14.Какие преимущества дает компьютеру многоядерность?

15.Какие процессоры планируются к выпуску в ближайшее время? (Источник информации – ресурсы

Глава 6. ПАМЯТЬ И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

6.1 Определения. Единицы емкости памяти

Мы уже говорили, что 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, служащее для запоминания, хранения и представления информации.

Разные типы ЭВМ имеют, как и люди, разную память. Про человеческую память говорят, что она лучше или хуже, а про компьютерную, что компьютер обладает памятью большей или меньшей ѐмкости. Ёмкость же памяти измеряется битами или байтами.

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

Слово бит – это аббревиатура от BInarydigiT, придумана в 1946 году 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 BinarYTErm

Современные ПЭВМ имеют память (ОЗУ) от нескольких сотен Кбайт до десятка Мбайт. Емкость жестких дисков составляет несколько десятков или сотен Мбайт.

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

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

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.

6.2Принципы устройства памяти

Производительность и вычислительные способности ЭВМ в значительной мере определяются организацией и характеристиками имеющейся у нее памяти. Так как стоимость памяти составляет существенную часть общей стоимости ЭВМ, то в целях оптимального объема, быстродействия и стоимости, память строится по иерархическому принципу, включая несколько типов памяти, отличающихся организацией характеристиками и назначением.

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

Число проводов в шине данных называется разрядностью шины. Обычно разрядность равна 8, 16, 32 или 64 бит. Если шина восьмиразрядная, за одно обращение к памяти можно передать 1 байт или один адрес, а если 16разрядная, 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 мегабайт 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 запросчтение, другой –запросзаписи. Если по одному из них передается 1 бит информации, то производится соответствующая операция. Передача 1 сразу по двум проводам запрещена.

Основные характеристики памяти это ее объем в байтах и время доступа (запись/чтение в микро- и наносекундах (мкс и нс)). При этом под шириной доступа понимается объем считанной/записанной за одно обращение к памяти информации. Время доступа и ширина доступа определяют производительность операций с памятью ЭВМ.

6.3 Виды памяти

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

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 в 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.

Рис. 6.2. Память реализованная с помощью ферритовых колец

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 (BasicInputOutputSystem), служащая для загрузки ОС. Их составляют заранее, а затем хранят в ПЗУ. Информация, хранящаяся в ПЗУ энергонезависима, т. е. она сохраняется после выключения компьютера. ПЗУ отличается 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.

В 1989 году 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 супер-ЭВМ и мощных ПК, в настоящее время атрибут всех персональных компьютеров. Так, ПК Tulip 4/100 имеет кэш-

память объемом 256 Кбайт, что соответствует памяти ПК 80-х годов. Кэшпамять устанавливается на быстродействующих БИС и ее быстродействие должно соответствовать скорости работы АЛУ и УУ.

Кэш-память используется 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 кэш-памяти 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 в наносекундах для современных ЭВМ следующее: СВОП – 5-15, Кэш – 10-50, ПЗУ – 30-200, ОП – 50-150.Естественно, развитие элементной базы постоянно корректирует эти цифры в сторону уменьшения.

6.4 Структура памяти персонального компьютера

Современный персональный компьютер относится к машинам фоннеймановского типа, поэтому его память организована по иерархическому принципу, но в современных ПК, как можно убедиться глядя на рисунок 6.3, разновидностей памяти около полутора десятков. В этой иерархии традиционно выделяются следующие уровни:

1)регистровая память (часто ее также называют местной памятью – МП, регистрами общего назначения — РОНилисверхоперативным запоминающим устройством СОЗУ.

Регистровую или местную память образуют регистры общего назначения процессора, большая часть которых доступна программисту и предназначена для хранения адресов, операндов и результатов выполнения операций. Программно недоступные регистры выполняют вспомогательные функции при выполнении ряда команд. Число РОНов обычно лежит в пределах 16-64. Но при небольшой емкости этот уровень памяти имеет самое высокое быстродействие — время доступа не превышает 5-7 нс (10 в минус 9 степени).

Рис. 6.3 Структурная схема памяти персонального компьютера

2)буферная память (кэш-память или просто кэш)занимает промежуточное положение между регистровой иосновной оперативной памятью занимает кэш-память. Большинство современных микропроцессоров имеет двухуровневый кэш. Первый уровень – внутренний кэш – располагается на кристалле процессора и работает на его тактовой частоте; второй уровень – внешний кэш – устанавливается на системной плате и работает на частоте шины. Объем внутреннего кэша обычно составляет 1-16 Кбайт, а внешнего – от 64 Кбайт до 1 Мбайта, обычно 256 или 512 Кбайт.

3)основная оперативная память и постоянная память (ОП и ПЗУ,

соответственно)

Следующий уровень иерархии занимает оперативная память. Ее размер в современных ПК составляет от 1 до 512 Мбайт и больше, а время доступа – от 70 до 200 нс. По организации и методу доступа постоянная память ничем не отличается от оперативной, поэтому ее относят к этому же иерархическому уровню. Объем ПЗУ редко превышает 64-128 Кбайт. Используется она в основном для хранения редко изменяющейся информации, например, программ базовой системы ввода-вывода (BasicInput/OutputSystem – BIOS).

4)внешняя память занимает верхний уровень структуры.Она реализуется в виде различных накопителей со сменными и несменными носителями (накопители на жестких и гибких магнитных дисках, стримеры, накопители на оптических дисках и т.д.). Эта память самая медленная, но самая большая по объему, в частности, информационная емкость накопителей на жестких дисках достигает нескольких сотен гигабайт. По этой причине ее иногда называют массовой.

5)кэшо которой уже упоминалось выше.

Реализация оперативной памяти на микросхемах динамического типа обеспечивает достаточно большую информационную емкость, но низкое быстродействие, поскольку время выборки для них лежит в пределах 70-200 нс.

Тактовые частоты современных микропроцессоров давно перешли рубеж 1 ГГц, и нетрудно сделать вывод о том, что низкое быстродействие основной оперативной памяти стало одним из основных сдерживающих факторов повышения производительности персональных компьютеров. И действительно, даже при времени выборки из памяти, равном 70 нс, считать из нее информацию за один цикл работы шины не представляется возможным. Следовательно, для согласования скорости работы процессора и памяти необходимо вводить дополнительные циклы ожидания, а это ведет к резкому снижению производительности системы. Реализация основной памяти на быстрых микросхемах статического типа приведет к существенному

удорожанию системы и снижению ряда ее эксплуатационных характеристик (увеличению габаритных размеров, веса, росту потребляемой мощности и т.д.).

Однако проблема может быть решена, если между медленной оперативной памятью и быстрым процессором поставить буферную память относительно небольшой емкости, но с возможностью работы на тактовой частоте цен трального процессора. Такая память получила название кэшпамяти, и предназначена она для согласования скорости работы процессора и основной памяти системы.

Кэш используется не только для обмена данными между центральным процессором и оперативной памятью, но также между оперативной памятью и внешними накопителями.

В основу работы кэш-памяти положен принцип локальности программ. Суть этого принципа заключается в следующем. Поскольку обращения к памяти носят не случайный характер, а выполняются в соответствии с исполняемой программой, то при считывании данных из памяти с высокой степенью вероятности можно предположить, что в ближайшем будущем она опять обратится к этим данным (принцип временной локальности). Кроме того, весьма вероятно и то, что в ближайшем будущем программа обратится к ячейке, которая следует за той, к которой она обращается в текущий момент времени (принцип пространственной локальности).

В соответствии с принципом временной локальности информацию

вбуфере целесообразно хранить в течение некоторого времени, а принцип пространственной локальности предполагает считывание в кэш нескольких соседних ячеек памяти, то есть блока информации. Каждый блок хранится

встроке буфера, а набор таких строк и составляет кэш-память.

Таким образом, информация из основной памяти загружается в кэш блоками по 2-4 слова и хранится в нем в течение некоторого времени. При обращении центрального процессора к оперативной памяти сначала проверяется наличие запрашиваемых данных в буфере, и, если их там не оказывается, осуществляется загрузка в кэш информационного блока из оперативной памяти. Следовательно, при правильной организации алгоритма работы буфера можно добиться того, что в подавляющем большинстве случаев процессор будет обращаться к нему, а не к более медленной оперативной памяти, что существенно повысит производительность системы.

Оперативную память условно можно разделить на четыре вида:

1.Обычная (стандартная) – Conventional.

Иногда ее называют нижняя память. Она простирается от 0 до 640 Кб. Стандартная память – это та самая память, с которой собственно и работает компьютер. Ее общий размер и остаток после загрузки драйверов мы видим,