Лекція 3

Лекція 3

Центральний процесор. Внутрішня пам’ять ПК

 

Процесор

Процесор - головна мікросхема комп'ютера, його "мозок". Він дозволяє виконувати програмний код, що знаходиться у пам'яті і керує роботою всіх пристроїв комп'ютера. Швидкість його роботи визначає швидкодію комп'ютера. Конструктивно, процесор - це кристал кремнію дуже маленьких розмірів. Процесор має спеціальні комірки, які називаються регістрами. Саме в цих регістрах містяться команди, які виконуються процесором, а також дані, якими оперують ці команди. Робота процесора полягає у вибиранні з пам'яті у певній послідовності команд та даних і виконанні їх. На цьому і базується виконання програм. У ПК обов'язково має бути присутній центральний процесор (Central Rpocessing Unit - CPU), який виконує всі основні операції. Часто ПК оснащений додатковими сопроцесорами, орієнтованими на ефективне виконання специфічних функцій, такими як, математичний сопроцесор для обробки числових даних у форматі з плаваючою точкою, графічний сопроцесор для обробки графічних зображень, сопроцесор введення/виведення для виконання операції взаємодії з периферійними пристроями.

Основними параметрами процесорів є:

• тактова частота,

• розрядність,

• робоча напруга,

• коефіцієнт внутрішнього домноження тактової частоти,

• розмір кеш пам'яті.

Тактова частота визначає кількість елементарних операцій (тактів), що виконуються процесором за одиницю часу. Тактова частота сучасних процесорів вимірюється у МГц (1 Гц відповідає виконанню однієї операції за одну секунду, 1 МГц=106 Гц). Чим більша тактова частота, тим більше команд може виконати процесор, і тим більша його продуктивність. Перші процесори, що використовувалися в ПК працювали на частоті 4,77 МГц, а сьогодні робочі частоти найсучасніших процесорів досягли позначки в 2 ГГц (1 ГГц = 103 МГц).

Розрядність процесора показує, скільки біт даних він може прийняти і обробити в свої регістрах за один такт. Розрядність процесора визначається розрядністю командної шини, тобто кількістю провідників у шині, по якій передаються команди. Сучасні процесори сімейства Intel є 32-розрядними.

Робоча напруга процесора забезпечується материнською платою, тому різним маркам процесорів відповідають різні материнські плати. Зараз робоча напруга процесорів не перевищує 3 В. Пониження робочої напруги дозволяє зменшити розміри процесорів, а також зменшити тепловиділення в процесорі, що дозволяє збільшити його продуктивність без загрози перегріву.

Коефіцієнт внутрішнього домноженнятактової частоти - це коефіцієнт, на який слід помножити тактову частоту материнської плати, для досягнення частоти процесора. Тактові сигнали процесор отримує з материнської плати, яка з чисто фізичних причин не може працювати на таких високих частотах, як процесор. На сьогодні тактова частота материнських плат складає 100-133 МГц. Для отримання більш високих частот у процесорі відбувається внутрішнє домноження на коефіцієнт 4, 4.5, 5 і більше.

 

Кеш-пам'ять. Обмін даними всередині процесора відбувається набагато швидше ніж обмін даними між процесором і оперативною пам'яттю. Тому, для того щоб зменшити кількість звертань до оперативної пам'яті, всередині процесора створюють так звану надоперативну або кеш-пам'ять. Коли процесору потрібні дані, він спочатку звертається до кеш-пам'яті, і тільки якщо там потрібні дані відсутні, відбувається звертання до оперативної пам'яті. Чим більший розмір кеш-пам'яті, тим більша ймовірність, що необхідні дані знаходяться там. Тому високопродуктивні процесори оснащуються підвищеними обсягами кеш-пам'яті. Розрізняють кеш-пам'ять першого рівня (виконується на одному кристалі з процесором і має об'єм порядку декілька десятків Кбайт), другого рівня (виконується на окремому кристалі, але в межах процесора, з об'ємом в сто і більше Кбайт) та третього рівня (виконується на окремих швидкодійних мікросхемах із розташуванням на материнській платі і має обсяг один і більше Мбайт). У процесі роботи процесор обробляє дані, що знаходяться в його регістрах, оперативній пам'яті та зовнішніх портах процесора. Частина даних інтерпретується як власне дані, частина даних - як адресні дані, а частина - як команди. Сукупність різноманітних команд, які може виконати процесор над даними, утворює так звану систему команд процесора. Чим більший набір команд процесора, тим складніша його архітектура, тим довший запис команд у байтах і тим довша середня тривалість виконання команд. Так, процесори Intel, які використовуються в IBM-сумісних ПК, нараховують більше тисячі команд і відносяться до так званих процесорів із розширеною системою команд - CISC-процесорів (CISC - Complex Instruction Set Computing). На противагу CISC-процесорам розроблено процесори архітектури RISC із скороченою системою команд (RISC - Reduced Instruction Set Computing). При такій архітектурі кількість команд набагато менша, і кожна команда виконується швидше. Таким чином, програми, що складаються з простих команд виконуються набагато швидше на RISC-процесорах. Зворотна сторона скороченої системи команд полягає в тому, що складні операції доводиться емулювати далеко не завжди ефективною послідовністю простіших команд. Тому CISC-процесори використовуються в універсальних комп'ютерних системах, а RISC-процесори - у спеціалізованих. Для ПК платформи IBM PC домінуючими є CISC-процесори фірми Intel, хоча останнім часом компанія AMD виготовляє процесори сімейства AMD-K6, які мають гібридну архітектуру (внутрішнє ядро цих процесорів виконане по RISC-архітектурі, а зовнішня структура - по архітектурі CISC). В комп'ютерах IBM PC використовують процесори, розроблені фірмою Intel, або сумісні з ними процесори інших фірм, що відносяться до так званого сімейства x86. Родоначальником цього сімейства був 16-розрядний процесор Intel 8086. В подальшому випускалися процесори Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486 із модифікаціями, різні моделі Intel Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro, Pentium II, Celeron, Pentium III. Найновішою моделлю фірми Intel є процесор Pentium IV. Серед інших фірм-виробників процесорів слід відзначити AMD із моделями AMD-K6, Athlon, Duron та Cyrix.

 

Внутрішня пам'ять

Під внутрішньою пам'яттю розуміють всі види запам'ятовуючих пристроїв, що розташовані на материнській платі. До них відносяться:

• оперативна пам'ять,

• постійна пам'ять,

• енергонезалежна пам'ять.

 

Оперативна пам'ять RAM (Random Access Memory).

Пам'ять RAM - це масив кристалічних комірок, що здатні зберігати дані. Вона використовується для оперативного обміну інформацією (командами та даними) між процесором, зовнішньою пам'яттю та периферійними системами. З неї процесор бере програми та дані для обробки, до неї записуються отримані результати. Назва "оперативна" походить від того, що вона працює дуже швидко і процесору не потрібно чекати при зчитуванні даних з пам'яті або запису. Однак, дані зберігаються лише тимчасово при включеному комп'ютері, інакше вони зникають. За фізичним принципом дії розрізняють динамічну пам'ять DRAM і статичну пам'ять SRAM. Комірки динамічної пам'яті можна представити у вигляді мікроконденсаторів, здатних накопичувати електричний заряд. Недоліки пам'яті DRAM: повільніше відбувається запис і читання даних, потребує постійної підзарядки. Переваги: простота реалізації і низька вартість. Комірки статичної пам'яті можна представити як електронні мікроелементи - тригери, що складаються з транзисторів. У тригері зберігається не заряд, а стан (включений/виключений). Переваги пам'яті SRAM: значно більша швидкодія. Недоліки: технологічно складніший процес виготовлення, і відповідно, більша вартість. Мікросхеми динамічної пам'яті використовуються як основна оперативна пам'ять, а мікросхеми статичної - для кеш-пам'яті. Кожна комірка пам'яті має свою адресу, яка виражається числом. В сучасних ПК на базі процесорів Intel Pentuim використовується 32-розрядна адресація. Це означає, що всього незалежних адрес є 232, тобто можливий адресний простір складає 4,3 Гбайт. Однак, це ще не означає, що саме стільки оперативної пам'яті має бути в системі. Граничний розмір обсягу пам'яті визначається чіпсетом материнської плати і зазвичай складає декілька сот мегабайт. Оперативна пам'ять у комп'ютері розміщена на стандартних панельках, що звуться модулями. Модулі оперативної пам'яті вставляють у відповідні роз'єми на материнській платі. Конструктивно модулі пам'яті мають два виконання - однорядні (SIMM - модулі) та дворядні (DIMM - модулі). На комп'ютерах з процесорами Pentium однорядні модулі можна застосовувати лише парами (кількість роз'ємів для їх встановлення на материнській платі завжди парне). DIMM - модулі можна встановлювати по одному. Комбінувати на одній платі різні модулі не можна. Основними характеристиками модулів оперативної пам'яті є:об'єм пам'яті та час доступу. SIMM- модулі є об'ємом 4, 8, 16, 32 мегабайти; DIMM - модулі - 16, 32, 64, 128, 256 Мбайт. Час доступу показує, скільки часу необхідно для звертання до комірок пам'яті, чим менше, тим краще. Вимірюється у наносекундах. SIMM - модулі - 50-70 нс, DIMM - модулі - 7-10 нс.

 

Постійна пам'ять ROM (Read Only Memory)

В момент включення комп'ютера в його оперативній пам'яті відсутні будь-які дані, оскільки оперативна пам'ять не може зберігати дані при вимкненому комп'ютері. Але процесору необхідні команди, в тому числі і відразу після включення. Тому процесор звертається за спеціальною стартовою адресою, яка йому завжди відома, за своєю першою командою. Ця адреса вказує на пам'ять, яку прийнято називати постійною пам'яттю ROM або постійним запам'ятовуючим пристроєм (ПЗП). Мікросхема ПЗП здатна тривалий час зберігати інформацію, навіть при вимкненому комп'ютері. Кажуть, що програми, які знаходяться в ПЗП, "зашиті" у ній - вони записуються туди на етапі виготовлення мікросхеми. Комплект програм, що знаходиться в ПЗП утворює базову систему введення/виведення BIOS (Basic Input Output System). Основне призначення цих програм полягає в тому, щоб перевірити склад та працездатність системи та забезпечити взаємодію з клавіатурою, монітором, жорсткими та гнучкими дисками.

 

Енергонезалежна пам'ять CMOS

Робота таких стандартних пристроїв, як клавіатура, може обслуговуватися програмами BIOS, але такими засобами неможливо забезпечити роботу з усіма можливими пристроями (у зв'язку з їх величезною різноманітністю та наявністю великої кількості різних параметрів). Але для своєї роботи програми BIOS вимагають всю інформацію про поточну конфігурацію системи. З очевидних причин цю інформацію не можна зберігати ні в оперативній пам'яті, ні в постійній. Спеціально для цих цілей на материнській платі є мікросхема енергонезалежної пам'яті, яка по технології виготовлення називається CMOS. Від оперативної пам'яті вона відрізняється тим, що її вміст не зникає при вимкненні комп'ютера, а від постійної пам'яті вона відрізняється тим, що дані можна заносити туди і змінювати самостійно, у відповідності з тим, яке обладнання входить до складу системи. Мікросхема пам'яті CMOS постійно живиться від невеликої батарейки, що розташована на материнській платі. У цій пам'яті зберігаються дані про гнучкі та жорсткі диски, процесори і т.д. Той факт, що комп'ютер чітко відслідковує дату і час, також пов'язаний з тим, що ця інформація постійно зберігається (і обновлюється) у пам'яті CMOS. Таким чином, програми BIOS зчитують дані про склад комп'ютерної системи з мікросхеми CMOS, після чого вони можуть здійснювати звертання до жорсткого диска та інших пристроїв.

 

 

Центральний процесор

Центральний процесор (ЦП) або центральний процесорний пристрій (ЦПУ) (англ. central processing unit — CPU) — процесор машинних інструкцій, частина апаратного забезпечення комп'ютера або програмованого логічного контроллера, що відповідає за виконання основної частки робіт по обробці інформації — обчислювальний процес. Сучасні ЦПУ, що виконуються у вигляді окремих мікросхем (чіпів), що реалізовують всі особливості, властиві даного роду пристроям, називають мікропроцесорами. З середини 80-х останні практично витіснили інші види ЦПУ, унаслідок чого термін став все частіший і частіший сприйматися як звичайний синонім слова «мікропроцесор». Проте, це не так: центральні процесорні пристрої деяких суперкомп'ютерів навіть сьогодні є складними комплексами великих (БІС) і надвеликих (СБІС) інтегральних схем. Спочатку термін Центральний процесорний пристрій описував спеціалізований клас логічних машин, призначених для виконання складних комп'ютерних програм. Унаслідок досить точної відповідності цього призначення функціям комп'ютерних процесорів, що існували у той час, він природним чином був перенесений на самі комп'ютери. Початок застосування терміну і його абревіатури по відношенню до комп'ютерних систем був покладений в 60-х роках XX століття. Пристрій, архітектура і реалізація процесорів з тих пір неодноразово мінялися, проте їх основні виконувані функції залишилися тими ж, що і раніше. Ранні ЦПУ створювалися у вигляді унікальних складових частин для унікальних, і навіть єдиних у своєму роді, комп'ютерних систем. Пізніше від дорогого способу розробки процесорів, призначених для виконання однієї єдиної або декількох вузькоспеціалізованих програм, виробники комп'ютерів перейшли до серійного виготовлення типових класів багатоцільових процесорних пристроїв. Тенденція до стандартизації тих, що комп'ютерних комплектують зародилася в епоху бурхливого розвитку напівпровідникових елементів, мейнфреймов і мінікомп'ютерів, а з появою інтегральних схем вона стала ще популярнішою. Створення мікросхем дозволило ще більше збільшити складність ЦПУ з одночасним зменшенням їх фізичних розмірів. Стандартизація і мініатюризація процесорів привели до глибокого проникнення заснованих на них цифрових пристроїв в повсякденне життя людини. Сучасні процесори можна знайти не тільки в таких високотехнологічних пристроях, як комп'ютери або автомобілі, але і в калькуляторах, мобільних телефонах і навіть в дитячих іграшках. Більшість сучасних процесорів для персональних комп'ютерів загалом засновані на тій або іншій версії циклічного процесу послідовної обробки інформації, винайденого Джоном фон Нейманом. Д. фон Нейман придумав схему споруди комп'ютера в 1946 році. Найважливіші етапи цього процесу приведені нижче. У різній архітектурі і для різних команд можуть потрібно додаткові етапи. Напр., для арифметичних команд можуть потрібно додаткові звернення до пам'яті, під час яких проводиться прочитування операндів і запис результатів. Відмітною особливістю архітектури фон Неймана є те, що інструкції і дані зберігаються в одній і тій же пам'яті.

Етапи циклу виконання:

1. Процесор виставляє число, що зберігається в регістрі лічильника команд, на шину адреси, і віддає пам'яті команду читання;

2. Виставлене число є для пам'яті адресою; пам'ять, отримавши адресу і команду читання, виставляє вміст, що зберігається за цією адресою, на шину даних, і повідомляє про готовність;

3. Процесор отримує число з шини даних, інтерпретує його як команду (машинну інструкцію) зі своєї системи команд і виконує її; Якщо остання команда не є командою переходу, процесор збільшує на одиницю (у припущенні, що довжина кожної команди рівна одиниці) число, що зберігається в лічильнику команд; в результаті там утворюється адреса наступної команди;

4. Знову виконується п. 1.

 

Даний цикл виконується незмінно, і саме він називається процесом (звідки і відбулася назва пристрою). Під час процесу процесор прочитує послідовність команд, що містяться в пам'яті, і виконує їх. Така послідовність команд називається програмою і представляє алгоритм корисної роботи процесора. Черговість прочитування команд змінюється у випадку, якщо процесор прочитує команду переходу — тоді адреса наступної команди може опинитися іншим. Іншим прикладом зміни процесу може служити випадок отримання команди останову або перемикання в режим обробки апаратного переривання. Команди центрального процесора є самим нижнім рівнем управління комп'ютером, тому виконання кожної команди неминуче і безумовно. Не проводиться ніякої перевірки на допустимість виконуваних дій, зокрема, не перевіряється можлива втрата цінних даних. Щоб комп'ютер виконував тільки допустимі дії, команди повинні бути відповідним чином організовані у вигляді необхідної програми. Швидкість переходу від одного етапу циклу до іншого визначається тактовим генератором. Тактовий генератор виробляє імпульси, службовці ритмом для центрального процесора. Частота тактових імпульсів називається тактовою частотою.

 

Багатоядерні процесори

Містять декілька процесорних ядер в одному корпусі (на одному або декількох кристалах). Процесори, призначені для роботи однієї копії операційної системи на декількох ядрах є високоінтегрованою реалізацією системи «Мультипроцесор». На даний момент масово доступні процесори з двома ядрами, зокрема Intel Core 2 Duo на ядрі Conroe і Athlon64X2 на базі мікроархітектури K8. У листопаді 2006 року вийшов перший четырехъядерный процесор Intel Core 2 Quad на ядрі Kentsfield, що є збіркою з двох кристалів Conroe в одному корпусі. 10 вересня 2007 року були випущені в продаж нативні (у вигляді одного кристала) четырехьядерные процесори для серверів AMD Quad-Core Opteron, що мали в процесі розробки кодову назву AMD Opteron Barсelona[1]. 19 листопада 2007 вийшов в продаж четырехьядерный процесор для домашніх комп'ютерів AMD Quad-Core Phenom[2]. Ці процесоры реалізують нову мікроархітектуру K8L (K10). 27 Вересня 2006 Intel продемонструвала прототип 80-ядерного процесора. Передбачається, що масове виробництво подібних процесорів стане можливе після переходу на 32-нанометровый техпроцесс, а це у свою чергу очікується протягом 5 років. Кешування Кешування — це використання додаткової швидкодіючої пам'яті (кеш-пам'яті) для зберігання копій блоків інформації з основної (оперативною) пам'яті, вірогідність звернення до яких найближчим часом велика. Розрізняють кеші 1-, 2- і 3-го рівнів. Кеш 1-го рівня має найменшу латентність (час доступу) але малий розмір, крім того кеші першого рівня часто делаются багатопортовими. Так процесори AMD K8 уміли проводити 64 битий запись+64 битий читання або два 64-бит читання за такт, процесори Intel Core можуть проводити 128 битий запись+128 битий читання за такт. Кеш 2-го рівня зазвичай має значно великі латентності доступу, але його можна зробити значно більше за розміром. Кеш 3-го рівня найбільший за об'ємом і досить повільний, але все таки він набагато швидший, ніж оперативна пам'ять.

 

Технологія виготовлення процесорів

Історія розвитку процесорів

            4-розрядний Intel 4004                                                    8-розрядні Intel 8080                                                             8-розрядні Intel 8080

Першим загальнодоступним мікропроцесором був 4-розрядний Intel 4004. Його змінили 8-розрядні Intel 8080 і  8-розрядні Intel 8080, що заклали основи архітектури всіх сучасних настільних процесорів. Але із-за поширеності 8-розрядних модулів пам'яті був випущений 8088, клон 8086 з 8-розрядною шиною пам'яті. Потім пройшла його модифікація 80186. У процесорі 80286 з'явився захищений режим з 24-бітовою адресацією, що дозволяв використовувати до 16 МБ пам'яті. Процесор Intel 80386 з'явився в 1985 році і привніс покращуваний захищений режим, 32-бітову адресацію, що дозволила використовувати до 4 ГБ оперативної пам'яті і підтримку механізму віртуальної пам'яті.

Сучасна технологія виготовлення

У сучасних комп'ютерах процесори виконані у вигляді компактного модуля (розмірами близько 5?5?0,3 см) що вставляється в zif-сокет. Велика частина сучасних процесорів реалізована у вигляді одного напівпровідникового кристала, що містить мільйони, а з недавнього часу навіть мільярди транзисторів. У перших комп'ютерах процесори були громіздкими агрегатами, що займали часом цілі шафи і навіть кімнати, і були виконані на великій кількості окремих компонентів. На початку 70-х років ХХ століття завдяки прориву в технології створення БІС і СБІС (великих і надвеликих інтегральних схем), мікросхем, стало можливим розмістити всі необхідні компоненти ЦП в одному напівпровідниковому пристрої. З'явилися так звані мікропроцесори. Зараз слова мікропроцесор і процесор практично стали синонімами, але тоді це було не так, тому що звичайні (великі) і мікропроцесорні ЕОМ мирно співіснували ще принаймні 10-15 років, і лише на початку 80-х років мікропроцесори витіснили своїх старших побратимів. Треба сказати що перехід до мікропроцесорів дозволив потім створити персональні комп'ютери, які тепер проникли майже в кожен будинок. Перший мікропроцесор Intel 4004 був представлений 15 листопада 1971 року корпорацією Intel. Він містив 2300 транзисторів, працював на тактовій частоті 108 кГц і коштував 300$. За роки існування технології мікропроцесорів було розроблено безліч різної їх архітектури. Багато хто з них (у доповненому і вдосконаленому вигляді) використовується і понині. Наприклад Intel x86, що розвинулася спочатку в 32 битий IA32 а пізніше в 64 битий x86-64. Процесори архітектури x86 спочатку використовувалися тільки в персональних комп'ютерах компанії IBM (IBM РС), але в даний час все більш активно використовуються у всіх областях комп'ютерної індустрії, від суперкомп'ютерів до вбудовуваних рішень. Також можна перерахувати таку архітектуру як Alpha, Power, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC — архітектура) і IA-64 (EPIC — архітектура). Більшість процесорів використовуваних в даний час є Intel-совместимыми, тобто мають набір інструкцій і ін., як процесори компанії Intel. Найбільш популярні процесори сьогодні проводять фірми Intel, AMD і IBM. Серед процесорів від Intel: 8086, i286 (у російському комп'ютерному сленгу називається «двійкою», «двушка»), i386 («трійка», «троячка»), i486 («четвірка»), Pentium (i586)(«пень», «пеньок», «другий пень», «третій пень» і так далі Спостерігається також повернення назв: Pentium III називають «трійкою», Pentium 4 — «четвіркою»), Pentium II, Pentium III, Celeron (спрощений варіант Pentium), Pentium 4, Core 2 Duo, Xeon (серія процесорів для серверів), Itanium і ін. AMD має в своїй лінійці процесори Amx86 (порівняємо з Intel 486), Duron, Sempron (порівняємо з Intel Celeron), Athlon, Athlon 64, Athlon 64 X2, Opteron і ін. Майбутні перспективи В найближчих 10-20 років, швидше за все, зміниться матеріальна частина процесорів, з огляду на те, що технологічний процес досягне фізичних меж виробництва. Можливо, це будуть: Квантові комп'ютери Молекулярні комп'ютери Квантові процесори Процесори, робота яких цілком базується на квантових ефектах. В даний час ведуться роботи над створенням робочих версій квантових процесорів.