Процесор и шини (презентация)
Изтегли презентациятаЦентралния процесор (CPU - Central Processing Unit) обикновено е най-големия чип на дънната платка. Той е сърцето на компютърната система, изпълнява инструкциите и борави с данните. Представлява малка капсулирана силицева пластина с вградени микроелектронни елементи (транзистори). Процесорите дълго време представляваха един-единствен чип, който се свързваше към различни по размер гнезда (sockets) върху дънната платка.
В действителност при някои процесори това все още е така, но много от по-новите модели се произвеждат върху отделна платка с интегрални схеми, която се поставя в специален процесорен слот върху дънната платка. Той е основният определящ фактор за това дали компютърът е бърз или бавен в сравнение с други компютри. Процесорът е най-сложният компонент на компютърната система. Процесорите играят толкова важна роля, че компютрите често се дефинират и описват само на базата на процесора, който имат. Например: “Моят компютър е Pentium III” или “Аз имам K7”.
Най-важните характеристики, които трябва да се знаят за един нов процесор, са следните:
Историята на микропроцесорите води началото си от 1971 година, когато още никому неизвестната фирма Intel пуска първия микропроцесор I4004. Неговите характеристики в сравнение с днешните процесори-гиганти са плачевни. Той имал разрядност 4 бита, тактова честота 108 кHz, можел да адресира 60 байта памет и производителност 0,06 MIPS (Millions of Instructions Per Second). Процесорът съдържал 2300 транзистора. Със създаването на първия микропроцесор започнала великата епоха на компютризация. По системата на командите и архитектурата си се различават 2 вида процесори: CISC, RISC.
CISC - Complete Instruction Set Computer - процесори с пълен набор инструкции. Такива процесори започват да се произвеждат от 1971 година от компанията Intel. Компанията бързо се разраства и нейната продукция става изключително търсена на световния пазар. През 1978 година компанията пуска модела i8086, което дава начало на производството на семейството процесори x86. Всички модели на това семейство не могат да бъдат причислени към СISC процесорите, тъй като 486 процесорът имал комбинирана архитектура - CISC-процесор и RISC-ядро. Моделът 486 става последния от семейството на x86, а на смяна идва новото семейство на Pentium-ите. Освен компанията Intel съществуват и други компании-гиганти, произвеждащи CISC-процесори, като AMD, Cyrix, IDT .
RISC - Reduced (Restricted) Instruction Set Computer - процесори със съкратена система команди. Такива процесори обикновено имат набор еднородни регистри с универсално предназначение, и тяхната система от команди се отличава с относителна простота. Такива процесори намират приложение на UNIX сървърите. В световен мащаб се произвеждат множество разновидности на RISC процесорите. Например компанията Motorola произвежда както 16-т разрядни, така и 24-ри разрядни процесори, а компанията Analog Devices произвежда 16-т и 32 разрядни процесори. Освен тези компании съществуват още компаниите Texas Instruments и Sun.
Микропроцесорът си има часовник, който синхронизира и задава скоростта на всички операции в един машинен цикъл. Скоростта на системния часовник в една компютърна система се измерва като честота, изразена като цикли в секунда. Тя се контролира от кварцов кристал в малък метален контейнер. Когато към краищата на кристала се подаде напрежение, той започва да осцилира (вибрира) с определена честота, която зависи от неговата форма и големина. Тези вибрации генерират променлив ток с честота, хармонична с честотата на трептене на кристала. Това променливо напрежение е и честотата на часовника. Обикновено тя е от порядъка на на няколко милиона цикъла в секунда. Бързодействието на процесора (тактова честота) се измерва в Мегахерци.
1 МHz означава един милион такта в секунда.Мегахерцовата характеристика определя до голяма степен производителността на процесора. Съвременните процесори имат тактова честота 300, 333, 400, 450, 500, 550, 650, 700, 800 MHz., а по-новите процесори Pentium 4 са с честота 1.5 до 2 GHz. Един цикъл е най-малкият интервал от време, който може да съществува в работата на процесора. Всяко действие продължава най-малко един, а обикновено и повече цикли. Например за прехвърляне на данни от и към паметта на процесора 8086 са му необходими четири цикъла плюс състояние за изчакване. Състоянието на изчакване е цикъл, при който процесорът не извършва никакво действие, за да не изпревари останалата част от компютъра. За същото нещо на процесора 80286 са му необходими два цикъла плюс състояние на изчакване.
CPU се състои от две основни части:
(1) Аритметико-логическо устройство (ALU)
(2) Контролно устройство – Control Uni(CU).
Тези части на процесора обикновенно са свързани с електронни връзки, които наричаме шина. Шината действа като високоскоростна магистрала между тях. За временно съхранение на данни и инструкции процесорът използва специални клетки памет, наречени регистри.
Аритметико-логическото устройство изпълнява всички аритметични и логически функции: събиране, изваждане, умножение, деление и сравняване на две числа. Това устройство контролира скоростта на изчислителния процес и поради това е обект на голямо внимание от компютърните инженери. При по-старите микрокомпютри времето на изпълнение на една инструкция се измерваше в милисекунди (ms), а при новите в наносекунди (ns) или в пикосекунди (ps).
Контролното устройство е сложна електронна схема, която е отговорна за управлението и координирането на повечето от дейностите на компютъра. То не изпълнява инструкциите, а казва на отделни части на компютърната система какво да правят. То определя движението на електронните сигнали между главната памет и аритмико-логическото устройство,а също и контролните сигнали между централния процесор и входно–изходните устройства.
Процесорите работят, като извършват изчисления на базата на конкретни инструкции, които предоставя софтуерът, работещ на компютъра. Тези инструкции, които се зареждат в процесора при работа на дадено приложение, указват на процесора как да обработва порциите от данни, записани в оперативната памет (RAM) на компютъра. Така процесорите непрекъснато “препускат” през инструкции и данни, които се зареждат в тях от паметта на компютъра. Освен, че работят с основната памет, процесорите използват един специален тип бързодействаща памет, наричана “кеш-памет” (cache).
Кеш-паметта спомага за това, процесорите да бъдат по-продуктивни. Тя съхранява инструкции и данни, използвани наскоро от процесора. Благодарение на своята близост до главния изчислителен механизъм вътре в процесора и на факта, че процесорът често се нуждае от повторно използване на едни и същи инструкции и данни, кеш-паметта поддържа процесора активен и ускорява работата на компютъра като цяло. Всъщност през повечето време процесорите работят директно с различни типове кеш-памет, а тя от своя страна работи с основната оперативна памет. Така кеш-паметта служи като бързодействащ буфер между процесора и основната памет, прехвърляйки данните в процесора, когато се нуждае от тях или ги изисква.
Въпреки, че номиналното бързодействие на процесора е важен фактор при определяне на бързината, с която той извършва изчисления, има и други важни различия в това как различните процесори вършат своято работа вътрешно. Например много процесори изпълняват няколко изчисления едновременно. Технологията, която поддържа този метод, се нарича “конвейрна обработка” (pipelining). Освен това някои прескачат напред, за да изпълнят допълнителни изчисления, за които смятат, че работещата програма ще ги поиска, преди още програмата наистина да ги поиска. Това се нарича “спекулативно изпълнение” (speculative execution) и е една от многото сложни операции, които се срещат в съвременните процесори.
Различните процесори реализират тези методи по разнообразни начини, с което се обясняват многото разлики в цялостната производителност на чипа, независимо от неговото бързодействие в Mhz. Друг важен фактор в общата производителност на чипа е доколко са работоспособни различните процесорни схеми. Процесорите имат способност да работят непрекъснато и да дават резултати толкова бързо, колкото им се задават проблеми, над които да работят. Следователно в идеалния случай ще искаме да подаваме на процесора непрекъснат поток от данни, така че той да може да ги обработва с максимална скорост.
В действителност обаче различни забавяния, които се получават в компютърната система, често принуждават процесора да стои без работа за кратки периоди от време, през които той изчаква пристигането на следващите данни. Важен метод за компенсиране на тези забавяния е добавянето на специална бързодействаща памет в цялостната схема на процесора или компютъра. И в двата случая целта е процесорът да се накара да работи колкото е възможно повече, зощото това се трансформира директно в по-голямо общо бързодействие на компютъра.
Има различни видове микропроцесори. Най-старите процесори на фирмата Intel са XT процесорите (eXtended Technology) 8088 и 8086. Следващите модели процесори са АТ процесорите (Advanced Technology) 80286, 80386, 80486. Най-популярни днес са процесорите на фирмата Intel от фамилията Pentium, която включва стандартния Pentium, Pentium с технология ММХ, Pentium Pro, Celeron, Pentium II, Pentium Xeon, Pentium III и Pentium 4. MMX (MultiMedia Extension) или мултимедийни разширения, представлява комплект от допълнителни инструкции за обработка, които чипове, поддържащи ММХ могат да изпълняват. Други известни процесори са процесорите на фирмата ADM : K5, K6, K6-2, K6-3 и K7, Athlon, Duron; Cyrix 5x86, 6x86, 6x86MX, MediaGX, MII, Mxi; WinChip, WinChip2, WinChip3 на фирмата Centaur/ IDT, MP6 на Rise Technology; PowerPC на фирмите Motorola/ IBM и Alpha на Digital.
Шината представлява линейна магистрала от проводници за предаване на електрически сигнали, по която става преноса на данните в компютъра. Всяко устройство е свързано към някоя от шините ( от латинското omnibus – за всички), като чипсета изпълнява ролята на мост между отделните шини. Най-общо казано съществуват няколко типа шини :
Кеш паметта играе особено важна роля за производителността на процесора. Тя може в голяма степен да подобри коефицента на полезно действие на процесора, като му предоставя достъп до необходимите данни по-бързо, отколкото това прави обикновената оперативна памет. Чиповете на кеш паметта са не само по-бързи, но имат и по-бърза връзка с процесора.
Процесорът работи много по-ефективно, когато има по-бърз достъп до вече използвани данни и инструкции, или до „кеш паметта“. След като процесорът завърши това, над което е работил, той може да се обърне към нея, вместо към обикновената (и по-бавна) RAM памет, която се намира по-далеч и получаването на данни от нея изисква повече време.
Двата най-разпространени типа кеш-памет се означават като L1 (Level 1- ниво 1) и L2 (Level 2– ниво 2). Има и кеш-памет L3 (Level 3), но този вид не е много популярен. Въпреки, че в техническо отношение кеш-паметта е вид памет, в повечето случаи L1 и L2 са вградени в процесорния чип или в самата процесорна карта. Така че тя е по-скоро елемент на процесора, отколкото на паметта.
Всяко ниво на кеш паметта представлява отделна част памет и се третира от процесора независимо. По традиция кеш паметта L1 е по-малка от двете и се разполага в самия процесор, а L2 се разполага извън него, но в непосредствена близост.
Когато процесорът работи с няколко вида кеш памет, първо проверява кеш паметта L1, след това кеш L2 и накрая – основната памет. Реално кешът е прозрачен за процесора, тъй като CPU се обръща към RAM паметта чрез виртуални адреси, а кеш паметта използва своите механизми за да определи дали има съвпадение на даден адрес вътре в регистрите си. При съответствие на адрес кеш паметта подава данните към процесора, като обръщението към основната памет се прекратява.
Друга съществена разлика между кеш L1 и L2 е бързината, с която процесорът може да осъществява достъп до различните видове памет. Тъй като кеш паметта L1 е интегрирана във вътрешността на микропроцесора, тя обикновено работи със същата бързина, с каквато и централният процесор; така например при процесор с тактова честота 500 MHz, скоростта на връзката към кеш паметта L1 е също 500 MHz. Кеш паметта L2 се свързва при по-старите системи с процесора със същата скорост като на оперативната памет. Тази скорост се определя от „системната шина“ (system bus) на компютъра, което обикновено работи при 66, 100, 133 MHz, а при новите процесори Pentium 4 при 400 MHz. Ако кеш паметта се намира в самия процесор или на процесорната платка, както е при повечето процесори Pentium II и Pentium III, връзката процесор-кеш L2 става през така наречената „задна шина“ (backside bus). Тази шина работи по-бързо от системната шина, но наполовина от скоростта на процесора. Това се нарича „съотношение 1:2“. Така при процесор Pentium III с тактова честота 500 MHz, скоростта на връзката процесор – кеш L2 е 250 MHz. При системи, при които кеш паметта L2 е вградена в самия чип, има съотношение 1:1 между скоростта на процесора и скоростта на връзката процесор – кеш L2
Изтегли презентацията
