Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора.pdf

Северный мост (также известный как концентратор контроллера памяти) подключается непосредственно к процессору, к системной памяти через шину памяти и к южному мосту через внутреннюю шину. Он также обычно подключается к высокоскоростному слоту для видеокарты через шину с ускоренным графическим портом (AGP) или шину PCI Express (PCI-E) в зависимости от типа слота. Связь, обрабатываемая через северный мост (т. Е. Между ЦП, памятью и видеокартой), требует использования высокоскоростных шин. CPU получает быстрый доступ к памяти через контроллер памяти, встроенный в северный мост. [21, стр.87]

Те части системы, которым не требуются (относительно) высокоскоростная связь, подключены к северному мосту через южный мост (также известный как концентратор контроллера ввода / вывода). Шины, соединяющие южный мост с разъемами материнской платы и встроенными периферийными устройствами, такими как встроенный графический адаптер, обычно являются шинами PCI. Шина с низким уровнем вывода (LPC) соединяет южный мост с BIOS и с микросхемой Super I / O, которая обеспечивает интерфейс управления для устройств с низкой пропускной способностью, таких как клавиатура и мышь, а также устройства, которые подключаются через последовательный или параллельный порт. У более высокоскоростных интерфейсов, таких как IDE, SATA и USB, есть свои собственные шины. [26, стр.92]

2.1 Периферийные устройства

Компьютерная периферия - это устройство, которое подключено к компьютеру, но не является частью архитектуры основного компьютера. Основными элементами компьютера являются центральный процессор, блок питания, материнская плата и компьютерный корпус, который содержит эти три компонента. Технически говоря, все остальное считается периферийным устройством. Тем не менее, это несколько узкое представление, поскольку для функционирования компьютера требуются различные другие элементы, такие как жесткий диск и оперативное запоминающее устройство (или ОЗУ).

Каждое внутреннее устройство имеет контроллер (от английского слова controller – устройство управления). Для внешних устройств эту функцию выполняет контроллер порта, к которому это устройство подключено. Этот контроллер порта ввода-вывода автоматически перестраивается в режим работы с внешним устройством, подключаемым к этому порту. [25, стр.91]

Большинство людей используют термин «периферийное устройство» более свободно, чтобы ссылаться на устройство, внешнее по отношению к корпусу компьютера. Вы подключаете устройство к компьютеру для расширения функциональности системы. Например, рассмотрите принтер. Когда принтер подключен к компьютеру, вы можете распечатать документы. Еще один способ взглянуть на периферийные устройства - это то, что они зависят от компьютерной системы. Например, большинство принтеров не могут делать много, и они становятся функциональными только при подключении к компьютерной системе.

Типы периферийных устройств

Существует множество различных периферийных устройств, но они подразделяются на три категории:

Устройства ввода, такие как мышь и клавиатура

Устройства вывода, такие как монитор и принтер

Устройства хранения данных, такие как жесткий диск или флэш-накопитель

Некоторые устройства попадают в более чем одну категорию. Рассмотрим привод CD-ROM; вы можете использовать его для чтения данных или музыки (ввода), и вы можете использовать его для записи данных на компакт-диск (вывод). [24, стр.72]

Периферийные устройства могут быть внешними или внутренними. Например, принтер представляет собой внешнее устройство, которое вы подключаете с помощью кабеля, в то время как дисковод оптических дисков обычно находится внутри корпуса компьютера. Внутренние периферийные устройства также называются интегрированными периферийными устройствами. Когда большинство людей относятся к периферийным устройствам, они обычно означают внешние.

Таким образом, понятие о том, что именно является «периферийным», является несколько размытым. Для настольного компьютера клавиатура и монитор считаются периферийными устройствами - вы можете легко подключить и отключить их и при необходимости заменить. Для портативного компьютера эти компоненты встроены в компьютерную систему и не могут быть легко удалены.

Термин «периферийный» также не означает, что он не является существенным для функции компьютера. Некоторые устройства, такие как принтер, могут быть отключены, и компьютер будет работать нормально. Однако удалите монитор настольного компьютера, и он становится практически бесполезным. [21, стр.85]

Быстродействующие периферийные устройства, например, жесткие диски, могут работать с оперативной памятью в режиме прямого доступа. Это означает, что контроллеры этих устройств могут записывать/считывать данные из ячеек оперативной памяти, минуя обработку этих данных процессором. Подобный режим позволяет не перегружать процессор. [19, стр.82]

Некоторые периферийные устройства персонального компьютера могут иметь и собственную оперативную память, а также собственный специализированный процессор для автономной обработки данных. Это позволяет еще больше разгрузить основной процессор и основную оперативную память. К таким устройствам относится, например, видеокарта, которая осуществляет вывод информации на экран монитора. [15, стр.79]

2.2. Понятие о принципах работы ЭВМ, системная шина

В основу архитектуры современных вычислительных машин заложен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип предоставляет возможность потребителю индивидуально осуществлять необходимую конфигурацию компьютера и при необходимости произвести его модернизацию. Модульная организация ЭВМ основывается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль состоит из трех многоразрядных шин: шину данных, шину адреса и шину управления. Шины представляют собой многопроводные линии [13, стр.21]

2.2.1 Шина данных

На этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, данные, считанные из ОЗУ, могут быть переданы в процессор для обработки, а впоследствии принятые данные могут быть отосланы в противоположную сторону в ОЗУ для хранения. Таким образом, данные по шине могут пересылаться от устройства к устройству в любом направлении. Разрядность шины данных определяется мощностью процессора, т. е. число бит, которые процессор обрабатывает за такт. По мере развития компьютерных технологий размер процессоров непрерывно возрастало. [14, стр.29]

Процессор

Оперативная память

Шина адресная (8, 16, 32 64 бит) ____

Шина данных (16, 20, 24, 32 бит) ____

Шина управления_________________

МАГИСТРАЛЬ

__

Устройства ввода

Долговременная память

Устройства вывода

Сетевые устройства

Схема 1. Структура ЭВМ

Магистрально-модульное устройство компьютера

2.2.2 Шина адреса

Выбор устройства или места памяти, где данные передаются или откуда считываются данные, производится процессором. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет собственный адрес. Адрес направляется по адресной шине, где сигналы пересылается в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина). [9, стр.78]

Емкость адресной шины обозначает пространство адресов процессора, т.е. число ячеек памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N =2I , где I — Емкость адресной шины.

Разрядность шины адреса непрерывно возрастала и в вычислительных машинах составляла 32 бит. Следовательно, максимально возможное количество адресуемых ячеек оперативной памяти равнялась:

N == 232 = 4 294 967 296.

С 1970-х годов (1975 Cray-1) в суперкомпьютерах применяются 64-разрядные архитектуры, на обычных ЭВМ и серверах с процессорами RISC семейства в основном с 1990-х годов. В персональных компьютерах (PowerPC 64, x86-64) они массово используются С 2003 года.

64-битный регистр способен хранить один из 264 = 18 446 744 073 709 551 616 в значении. Процессор с 64-разрядной адресацией памяти может напрямую обращаться к 16 экзабайт (16 миллионов терабайт) памяти. [10, стр.29]

2.2.3 Шина управления

Шина управления является (частью) шины ЭВМ, используемой центральными процессорами для связи с другими устройствами внутри компьютера. Шина управления передает команды от ЦП и возвращает сигналы состояния от устройств. В то время как адресная шина содержит информацию о том, с каким устройством взаимодействует ЦП. Шина данных переносит фактические данные, которые обрабатываются, например, если данные считываются или записываются на устройство, соответствующая строка (чтение или запись) будет активной (логический нуль). [17, стр.65]

Другие коммуникационные шины также взаимодействуют с процессором, но являются внешними по отношению к системе, такие как универсальная последовательная шина, RS-232, сеть контроллеров (CAN), eSATA и другие. Внешние периферийные устройства могут быть настроены для использования внутренней шины, и это было характерно для компьютеров, которые использовали «карты расширения» для подключения продуктов к внутренней шине. Однако в дальнейшем были разработаны другие системы связи с шиной, такие как USB.

Системная шина может быть «расширена» для связи с другими компьютерами через шасси, называемое объединительной платой. Внутренние шины имеют очень высокую пропускную способность и низкую задержку. Несколько компьютеров могут монтироваться в стойку на одной объединительной панели для очень быстрой связи между компьютерами.

Рисунок 1 - Архитектура ЭВМ

В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены общие принципы архитектуры фон Неймана которая была впервые опубликована Джоном фон Нейманом в 1945 году. [25, стр.71]

В результате этих методов и ряда других, вычисления и программирование стали более быстрее, гибкими и эффективными, а также с инструкциями в подпрограммах, выполняющих гораздо более вычислительную работу. Часто используемые подпрограммы не требуют перепрограммирования для каждой новой проблемы, а могут храниться в “библиотеках” и при необходимости считываться в память. Таким образом, большая часть программы может быть собран с библиотекой. ОЗУ стала местом сборки, в котором хранятся части другого вычисления, обрабатываются по блокам и собираются для формирования окончательных результатов. Существует два типа ОЗУ: SRAM (Статическое ОЗУ) и DRAM (Динамическое ОЗУ). [24, стр.13]

Архитектура фон Неймана является эталонной моделью для программируемых вычислительных машин. Основной принцип заключается в том, что память, на которой работает процессор, содержит как программные инструкции, так и данные для обработки. Эта структура считалась с самого начала теоретически ограниченным. Система соединения между данными и инструкциями программы, так называемая шина данных и команд, может стать узким местом связи между процессором и памятью. Никаких проблем не было, пока обработка инструкции была медленнее, чем скорость предоставления данных для обработки. До 1990-х годов процессор был самым медленным устройством в компьютере, а скорость шины все еще была достаточной. В то время так называемое «узкое место» фон Неймана было простой теоретической проблемой. Начиная с середины 1990-х годов, ускорение тактовой частоты центрального процессора (ЦП) ускоряет скорость оперативной памяти (ОЗУ), делая фактическое выполнение быстрее, чем передача данных. [8, стр.99]

В настоящее время сочетание памяти и шины формирует «узкое место» фон Неймана, которое в основном преодолевается кешированием, что в основном означает интеграцию быстрой, но небольшой памяти непосредственно в ЦП. Вот почему скорость ЦП обычно увеличивается параллельно с длиной строк кэша. Однопоточная обработка, которая приводит к нескольким процессам, проходящим через один и тот же однопоточный канал и доступ ко всем своим данным через один интерфейс памяти, привела к тому, что современные процессоры имеют больше кэша, чем логические. Это кэширование требуется, чтобы поддерживать высокоскоростные последовательные процессоры. Другой способ ускорения вычислений без увеличения тактовой частоты - это так называемые векторные вычисления. Хотя обычная инструкция, такая как сложение или умножение, обычно влияет только на скаляры, были введены векторные регистры и векторные инструкции, которые выполняют одну и ту же операцию на нескольких скалярах или на векторах за один такт.

Независимо от того, что делается для повышения производительности, нельзя уйти от того факта, что инструкции могут выполняться только по одному и могут выполняться только последовательно. Оба этих фактора сдерживают эффективность процессора. [12, стр.67]

Даже самый быстрый процессор выполняет команды в том порядке, в котором они находятся в конкретной программе. Это означает, что неправильная или неэффективно написанная программа ухудшит производительность процессора. Во многих случаях даже хорошо написанная программа ухудшается во время ее перевода в машинные инструкции. Метод динамического выполнения позволяет процессору оценить последовательность команд программы и "выбрать" наилучшую последовательность обработки команд. Например, команда 2 может быть выполнена до окончания обработки команды 1. Результаты выполнения команд расположены в первоначальном порядке для обеспечения правильного выполнения программы. Если программа написана неправильно, такое избирательное переупорядочение команд позволяет процессору лучше использовать свои ресурсы, что повышает его производительность. [11, стр.87]