prosdo.ru
добавить свой файл
1 2 3 4
ЛЕКЦИЯ №5. Классификация и функциональные характеристики.

5.1 Характеристики МП

5.2 Мониторинг температуры

5.3 Режимы работы процессора

5.4 Контрольные вопросы
5.1 ХАРАКТЕРИСТИКИ МП

"Мозгом" персонального компьютера является микропроцессор, или центральный процес­сор — CPU (Central Processing Unit). Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых в компьюте­рах, имеющих сопроцессор). Он является сегодня самым дорогостоящим компонентом ком­пьютера (правда, стоимость отдельных современных графических адаптеров бывает и выше). В компьютерах верхнего ценового сектора рынка его стоимость иногда превосходит стои­мость материнской платы в четыре раза. Создание микропроцессора обычно приписывают компании Intel, которая в 1971 году представила миру микросхему с номером 4004. И по сей день Intel продолжает контролировать рынок процессоров, хотя в последние годы ее несколь­ко потеснила компания AMD. Это значит, что все PC-совместимые компьютеры используют либо процессор Intel, либо совместимый с ним, произведенный одним из конкурентов (в ча­стности, AMD и VIA/Cyrix).

В настоящее время Intel доминирует на рынке процессоров, но так было далеко не всегда. Компания Intel прочно ассоциируется с изобретением первого процессора и его появлением на рынке. Но несмотря на это два наиболее известных в конце 1970-х годов процессора, ис­пользуемых в ПК, не принадлежали Intel (один из них, правда, являлся прямым аналогом процессора Intel). В персональных компьютерах того времени чаще всего использовались процессоры Z-80 компании Zilog и 6502 компании MOS Technologies. Сегодня в подобной си­туации оказались многочисленные клоны процессоров Intel Pentium, созданные компаниями AMD, Cyrix (теперь VIA), IDT и Rise Technologies. Более того, в некоторых случаях аналог приобретал большую популярность, чем оригинал. Компания AMD в последние годы заняла значительную часть рынка, но несмотря на это Intel все еще играет главенствующую роль на рынке процессоров ПК.

Микропроцессор (МП), или Central Processing Unit (CPU) — функционально законченное программно управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.
Основными параметрами микропроцессоров являются:

□ разрядность;

□ адресное пространство

□ рабочая тактовая частота;

□ размер кэш-памяти;

□ состав инструкций;

□ конструктив;

□ рабочее напряжение и т. д.
Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.

Следует заметить, что шина данных процессора также называется передней шиной (Front Side Bus — FSB), внутренней шиной процессора (Processor Side Bus — PSB) или просто шиной ЦПУ. Все эти термины обозначают шину, соединяющую процессор с основными компонента­ми набора микросхем системной платы (северный мост или концентратор контроллера памя­ти). Компания Intel отдает предпочтение терминам "FSB" и "PSB", в то время как в AMD ис­пользуют исключительно обозначение "FSB".

Понятие разрядности процессоров может вызвать некоторую путаницу. Все современные процессоры имеют 64-разрядную шину данных, однако это не делает их действительно 64-разрядными. Такие процессоры, как Pentium 4 и Athlon XP, являются 32-разрядными — именно такую разрядность имеют их снутренние регистры. В то же время шины ввода-вывода процессора являются 64-разрядными, а шины адреса — 32-разрядными (этот показатель вы­ше, чем у процессоров предыдущих поколений, например у Pentium или K6). Процессоры се­мейства Core 2, AMD Opteron и Athlon 64 являются полноценными 64-разрядными процес­сорами, поскольку имеют также 64-разрядные внутренние регистры.

Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных, представленную как набор соединений (или выводов) для передачи или приема данных. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определенный ин­тервал времени и тем быстрее она работает. Разрядность шины данных подобна количеству полос движения на скоростной автомагистрали; точно так же, как увеличение количества по­лос позволяет увеличить поток машин по трассе, увеличение разрядности позволяет повы­сить пропускную способность.


Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Для передачи единичного бита данных в определенный временной интервал посылается сиг­нал напряжения высокого уровня (около 5 В), а для передачи нулевого бита данных — сигнал напряжения низкого уровня (около 0 В). Чем больше линий, тем больше битов можно пере дать за одно и то же время. Современные процессоры, начиная с Pentium и Athlon и заканчи­вая Core 2 и Athlon 64 X2, и даже Itanium 2, имеют 64-разрядные внешние шины данных. Это означает, что все эти процессоры могут передавать в системную память (или получать из нее) одновременно 64 бит (8 байт) данных.

Представим себе, что шина — это автомагистраль с движущимися по ней автомобилями. Если автомагистраль имеет всего по одной полосе движения в каждую сторону, то по ней в одном направлении в определенный момент времени может проехать только одна машина. Если вы хотите увеличить пропускную способность дороги, например, вдвое, вам придется ее расширить, добавив еще по одной полосе движения в каждом направлении. Таким образом, 8-разрядную микросхему можно представить в виде однополосной автомагистрали, посколь­ку в каждый момент времени по ней проходит только 1 байт данных (один байт равен восьми битам). Аналогично этому 32-разрядная шина данных может передавать одновременно 4 байт информации, а 64-разрядная подобна скоростной автостраде с восемью полосами движения.
Адресное пространствоэто максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Шина адреса представляет собой набор проводников, по которым передается адрес ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются данные. Как и в шине данных, по каждому проводнику передается один бит, соответствующий одной цифре в адресе. Увеличение коли­чества проводников (разрядов), используемых для формирования адреса, позволяет увели­чить количество адресуемых ячеек.


Представьте себе следующее. Если шина данных сравнивалась с автострадой, а ее разряд­ность — с количеством полос движения, то шину адреса можно ассоциировать с нумерацией домов или улиц. Количество линий в шине эквивалентно количеству цифр в номере дома. Например, если на какой-то гипотетической улице номера домов не могут состоять более чем из двух цифр (десятичных), то количество домов на ней не может быть больше ста (от 00 до 99), т.е. 102. При трехзначных номерах количество возможных адресов возрастает до 103 (от

000 до 999) и т.д.

В компьютерах применяется двоичная система счисления, поэтому при 2-разрядной адре­сации можно выбрать только четыре ячейки (с адресами 00, 01, 10 и 11), т.е. 22, при 3-разрядной — восемь (от 000 до 111), т.е. 23, и т.д. К примеру, в процессорах 8086 и 8088 ис­пользуется 20-разрядная шина адреса, поэтому они могут адресовать 220 (1048576) байт, или 1 Мбайт памяти.
Вывод - шины данных и адреса независимы, и разработчики микросхем выбирают их разрядность по своему усмотрению, но, как правило, чем больше разрядов в шине данных, тем больше их и в шине адреса. Разрядность этих шин является показателем возможностей процессора: коли­чество разрядов в шине данных определяет способности процессора в обмене информацией, а разрядность шины адреса — объем памяти, с которым он может работать.
Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстродействие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов(1МГц=1млн тактов/с). Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП.

Тактовая частота определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. В новых материн­ских платах кварцевый резонатор может быть интегрирован в набор микросхем системной логики. Под воздействием электрического напряжения в кристалле кварца возникают коле­бания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой.


Быстродействие измеряется в мегагерцах, т.е. в миллионах циклов в секунду. Так­товый сигнал имеет форму синусообразной волны, расстояние между пиками которой и оп­ределяет частоту (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 - Графическое представление понятия тактовой частоты
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, первый обмен данными с памятью процессор

Pentium 4 выполняет минимум за три такта; последующие 3-6 операций обмена данными выполняются за один такт. Дополнительные циклы первой операции обмена данными назы­вают циклами 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.

Различное количество тактов, необходимых для выполнения команд, затрудняет сравне­ние производительности компьютеров, основанное только на их тактовой частоте (т.е. коли­честве тактов в секунду). Почему при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее другого? Причина кроется во внутренней архитектуре процессоров.

Процессор 486 обладает более высоким быстродействием по сравнению с 386-м, так как на выполнение команды ему требуется в среднем в два раза меньше тактов, чем 386-му; процес­сору Pentium требуется в два раза меньше тактов, чем 486-му. Таким образом, процессор 486 с тактовой частотой 133 МГц (типа AMD 5x86-133) работает даже медленнее, чем Pentium с тактовой частотой 75 МГц! Это происходит потому, что при одной и той же частоте Pentium выполняет вдвое больше команд, чем процессор 486.

К сожалению, в процессорах, более современных, чем Pentium III, сравнивать скорость стало еще сложнее, так как сама архитектура делает одни процессоры эффективнее других. Эта эффективность и определяет возможности процессоров, работающих на разных тактовых частотах. Чем меньше эффективность одного цикла, тем большую тактовую частоту должен иметь процессор для поддержания одного и того же быстродействия (и наоборот). Большинство пользователей привыкли ассоциировать тактовую частоту с быстродейст­вием процессора, и компания Intel использовала маркировку тактовой частоты в своей марке­тинговой политике. Это многих ввело в заблуждение и заставило поверить, что чем выше ско­рость процессора, тем лучше и быстрее работает вся система.

Кэш-память

Следует заметить, что, несмотря на повышение скорости ядра процессора, быстродействие памяти остается на прежнем уровне. При этом возникает вопрос, как добиться повышения производительности процессора, если память, используемая для передачи данных, работает довольно медленно? Ответ прост: использовать кэш. Попросту говоря, кэш-память представ­ляет собой быстродействующий буфер памяти, используемый для временного хранения дан­ных, которые могут потребоваться процессору. Это позволяет получать необходимые данные быстрее, чем при извлечении из оперативной памяти. Одним из дополнительных свойств, отличающих кэш-память от обычного буфера, являются встроенные логические функции. Кэш­-память можно по праву назвать "разумным" буфером.

Буфер содержит случайные данные, которые обычно обрабатываются по принципу "первым получен, первым выдан" или "первым получен, последним выдан". Кэш-память, в свою очередь, содержит данные, которые могут потребоваться процессору с определенной степенью вероятности. Это позволяет процессору работать практически с полной скоростью, без ожидания данных, извлекаемых из более медленной оперативной памяти. Кэш-память реализована в виде микросхем статической оперативной памяти (SRAM), установленных на системной плате или интегрированных в процессор.
Кеш устанавливаемая на плате МП, имеет три уровня:

□ L1 — память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП (впервые кэш L1 был введен в МП i486 и в МП i386SLC);

□ L2 — память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП Pentium II). Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины.

□ L3 - работает с такой же частотой как L1 и L2.

Как работает кэш-память


Для того чтобы разобраться в принципах работы кэш-памяти первого и второго уровней, прибегнем к аналогии.

Герой нашей истории (в данном случае — вы), вкушающий различные яства, выступает в роли процессора, который извлекает необходимые данные из памяти и проводит их обработ­ку. Кухня, на которой готовятся ваши любимые блюда, представляет собой основную опера­тивную память (модули DIMM DDR, DDR2 или DDR3). Официант является кэш-кон­троллером, а стол, за которым вы сидите, выступает в качестве кэш-памяти первого уровня. Роль кэш-памяти второго уровня играет тележка с заказанными блюдами, неспешно путеше­ствующая между кухней и вашим столом.

Роли распределены, и пора начинать нашу историю. Ежедневно примерно в одно и то же время вы обедаете в определенном ресторане. Входите в обеденный зал, садитесь за столик и за­казываете, например, хот-дог. Для того чтобы сохранить соответствие событий, предположим, что средняя скорость поглощения пищи равна одному биту в четыре секунды (цикл процессора 233 МГц составляет около 4 нс). А также определим, что повару (т.е. кухне) для приготовления каждого заказанного блюда потребуется 60 с (значит, скорость основной памяти — 60 нс).

Итак, при первом посещении ресторана вы садитесь за столик и заказываете хот-дог, после чего приходится ждать целых 60 секунд, пока приготовят заказанное блюдо. Когда официант наконец-то приносит заказ, вы, не спеша, со средней скоростью, принимаетесь за еду. Доев хот-дог, подзываете к себе официанта и заказываете гамбургер. Пока его готовят, вы снова ждете те же 60 секунд. Принесенный гамбургер съедается с той же скоростью. Подобрав последние крош­ки, снова зовете официанта и заказываете уже котлеты "по-киевски". После 60-секундного ожи­дания принесенное блюдо съедается с аналогичной скоростью. Затем вы решаете заказать на де­серт, скажем, яблочный пирог. Заказанный пирог вы получаете после ставшего привычным 60-секундного ожидания. Одним словом, обед состоит главным образом из длительных ожида­ний, которые перемежаются энергичным поглощением заказываемых блюд.


После того как два дня подряд ровно в 18.00 вы приходите в ресторан и заказываете одни и те же блюда в одной и той же последовательности, у официанта появляется дельная мысль: "Сегодня в 18.00 снова появится этот странный посетитель и сделает свой обычный заказ: хот-дог, гамбургер, котлеты "по-киевски" и яблочный пирог на десерт. Почему бы не пригото­вить эти блюда заранее? Я думаю, он должным образом оценит мои старания". Итак, вы при­ходите в ресторан, заказываете хот-дог и официант сразу же, без малейшей паузы, ставит пе­ред вами заказанное блюдо. После того как вы разделались с хот-догом и собираетесь заказать очередное блюдо, на столе появляется тарелка с гамбургером. Оставшаяся часть обеда прохо­дит примерно так же. Вы стремительно, со скоростью один бит в четыре секунды, поглощаете пищу, не ожидая, пока заказанное блюдо будет приготовлено на кухне. На сей раз, время обе­да заполнено исключительно тщательным пережевыванием пищи, и все благодаря смекалке и практичному подходу официанта.

Приведенный пример достаточно точно описывает работу кэш-памяти первого уровня в процессоре. Роль кэш-памяти первого уровня в данном случае играет поднос, на котором может находиться одно или несколько блюд. При отсутствии официанта пространство подноса пред­ставляет собой некий резервный запас (т.е. буфер) продуктов питания. Если буфер заполнен, значит, можно есть до тех пор, пока поднос не опустеет. Обдуманно пополнить его содержимое, к сожалению, некому. Официант представляет собой кэш-контроллер, предпринимающий опре­деленные меры и пытающийся решить, какие же блюда следует заранее поставить на стол в со­ответствии с вашими возможными пожеланиями. Подобно настоящему кэш-контроллеру, офи­циант воспользуется своим опытом для того, чтобы определить, какое блюдо будет заказано сле­дующим. Если он определит правильно, значит, не придется долго ждать.

Настал день четвертый. Вы появляетесь в ресторане, как обычно, ровно в 18.00 и начинае­те с привычного хот-дога. Официант, изучивший к тому времени ваши вкусы, уже пригото­вил хот-дог, и вы сразу же, не ожидая, приступаете к трапезе.


После хот-дога официант приносит вам гамбургер и вместо слов благодарности слышит: "Вообще-то, я гамбургер не заказывал. Принесите мне, пожалуйста, отбивную". Официант ошибся в своих предположениях, и вам снова придется ждать целых 6 минут, пока на кухне не приготовят заказанное блюдо. Подобное событие, т.е. попытка доступа к той части кэширован-ного файла, которая отсутствует в кэш-памяти, называется промахом кэша (cache miss). Как следствие, возникает пауза. Если говорить о системе Pentium 233 МГц, при каждом промахе кэ­ша быстродействие системы снижается до 16 МГц (т.е. до скорости оперативной памяти).

Кэш-память первого уровня большинства процессоров Intel имеет коэффициент совпаде­ния, равный примерно 90%. Это означает, что кэш-память содержит корректные данные 90% времени, а следовательно, процессор работает на полной скорости (в данном случае — с час­тотой 233 МГц) примерно 90% всего времени. Оставшиеся 10% времени кэш-контроллер об­ращается к более медленной основной памяти, во время чего процессор находится в состоя­нии ожидания. Фактически происходит снижение быстродействия системы до уровня опера­тивной памяти, скорость которой равна 60 нс, или 16 МГц.

В нашем примере быстродействие процессора примерно в 14 раз выше скорости опера­тивной памяти. В современных системах скорость памяти увеличилась с 16 МГц (60 нс) до 333 МГц (3,0 нс), в то время как тактовая частота процессоров выросла до 3 ГГц и более, т.е. память все еще в 7,5 раза (или более) медленнее процессора. Кэш-память позволяет компен­сировать эту разницу.

Основная особенность кэш-памяти первого уровня состоит в том, что она всегда интегри­рована в ядро процессора и работает на той же частоте. Это свойство в сочетании с коэффи­циентом совпадений, равным 90%, делает кэш-память важной составляющей эффективности системы.

Для того чтобы уменьшить ощутимое замедление системы, возникающее при каждом промахе кэша, следует обратиться к кэш-памяти второго уровня.


Развивая аналогию с рестораном, которая использовалась для объяснения работы кэш­памяти первого уровня, можно обозначить кэш-память L2 как сервировочный столик с "дежурными" блюдами, расположение которого позволяет официанту принести любое из имеющихся блюд через 15 секунд. В системе класса Pentium (Socket 7) кэш-память второго уровня установлена на системной плате, т.е. работает на тактовой частоте системной платы (66 МГц, или 15 нс). Рассмотрим ситуацию, когда вы заказываете блюдо, которого нет в числе ранее принесенных. В этом случае вместо того, чтобы отправиться на кухню и через 60 секунд принести приготовленное блюдо, официант, в первую очередь, проверяет столик с дежурны­ми блюдами. При наличии там заказанного блюда он возвращается уже через 15 секунд. Ре­зультат в реальной системе выражается в следующем: вместо снижения быстродействия сис­темы с 233 до 16 МГц и соответственно скорости основной памяти до 60 нс происходит из­влечение необходимых данных из кэш-памяти второго уровня, скорость которой равна 15 нс (66 МГц). Таким образом, быстродействие системы изменяется с 233 до 66 МГц.

Все современные процессоры содержат встроенную кэш-память второго уровня, которая работает на той же скорости, что и ядро процессора, причем скорости кэш-памяти первого и второго уровней одинаковы. Если описывать новые микросхемы с помощью аналогий, то в этом случае официант размещает столик с дежурными блюдами рядом с тем столиком, за которым сидите вы. При этом, если заказанного блюда на вашем столе нет (промах кэш­памяти первого уровня), официанту всего лишь необходимо дотянуться до стоящего рядом столика с дежурными блюдами (кэш-память второго уровня), что потребует гораздо меньше времени, чем 15-секундная прогулка на кухню, как это было в более ранних схемах.

Все еще развивая аналогию с рестораном, которая использовалась для объяснения работы кэш-памяти первого и второго уровней, можно обозначить кэш-память L3 как столик с до­полнительными блюдами. Если нужного блюда нет на первых двух столах, вероятно, его можно будет найти на третьем столе.
Состав инструкций — перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит классификационная группа МП (CISC, RISC, VLIW и т. д.). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми могут применяться эти процедуры. Дополнительные инструкции в небольших количествах вводились во многих МП (286, 486, Pentium Pro и т. д.). Но существенное изменение состава инструкций произошло в МП i386 (этот состав далее принят за базовый), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4.


следующая страница >>