Файл: Классификация, структура и основные характеристики современных микропроцессоров ПК (Архитектура микропроцессора ПК).pdf
Добавлен: 15.06.2023
Просмотров: 191
Скачиваний: 3
Сопроцессор является только обиходным названием для этого чипа. Полностью он называется математическим сопроцессором или Numeric Processing Unit (NPU) или Floating Point Processing Unit (FPU).
Наличие сопроцессора на материнской плате не является обязательным, поэтому на его месте может оказаться пустой разъем для дальнейшей установки сопроцессора. Исключением являются все CPU 486DX и выше - здесь сопроцессор интегрирован прямо в CPU. [9]
В первую очередь область применения сопроцессоров - научно-технические приложения, связанные с выполнением большого количества арифметических операций. Однако это не является ограничением использования. Обычно NPU ускоряет работу любой программы - даже программы обработки текстов, так как работа с текстовыми блоками и модулями требует сложных вычислений. Также сопроцессор существенно ускоряет обработку графических изображений и выполнение программ CAD.
Оперативная память
Элементы памяти составляют основу внутреннего функционирования любой вычислительной системы, так как с их помощью данные хранятся и могут быть вновь прочитаны при дальнейшей обработке.
Чтобы CPU мог выполнять программы, они должны быть загружены в оперативную память (в область памяти, доступную для программ пользователя). CPU имеет непосредственный доступ к данным, находящимся в оперативной памяти (Random Access Memory, RAM - память с произвольным доступом, ОЗУ), с другой же -"периферийной", или внешней, памятью (гибкими и жесткими дисками) процессор работает через буфер, являющийся разновидностью оперативной памяти, недоступной пользователю. Только после того, как программное обеспечение будет считано в RAM с внешнего носителя данных, возможна дальнейшая работа системы в целом. Оперативная память представляет собой самую быструю запоминающую среду компьютера. Принципиально имеет значение то, что информация может быть как записана в нее, так и считана.
Оперативная память имеет свои достоинства и недостатки:
- Благодаря малому времени доступа к памяти скорость обработки данных существенно возрастает. Если бы информация считывалась только с внешних носителей, то пользователь проводил бы в ожидании завершения выполнения той или иной операции много времени
- Недостатком оперативной памяти является то, что она является временной памятью. При отключении питания оперативная память полностью "очищается", и все данные, не записанные на внешний носитель, будут навсегда потеряны[12]
Оперативная память принадлежит к категории динамической памяти, т. е. ее содержимое во время эксплуатации должно "освежаться" через определенные интервалы времени.
Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку записана логическая 1. Если конденсатор разряжен, то в ячейку записан логический 0. В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неопределенно долго. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому записанная в динамическую память информация со временем будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих элементов через несколько миллисекунд полностью разрядятся. Во избежание потери информации существует процесс регенерации памяти (Refresh).
Оперативная память представляет собой плату (за исключением старых моделей PC, где микросхемы устанавливались прямо в материнскую плату), длинной около 8-и см., на которой размещены микросхемы DRAM (Dynamic RAM). Такая плата называется модулем и устанавливается в соответствующие слоты материнской платы. Наибольшее распространение в последнее время получили DIMM-модули. Также имели место SIP и SIMM-модули. Модули вставляются в специально предназначенные для них слоты на материнской плате, называемые банками (Banks).
Важной характеристикой (помимо объема) оперативной памяти является время доступа, которое характеризует интервал времени, в течение которого информация записывается в память или считывается из нее. Время доступа для внешних носителей, таких как гибкий или жесткий диски, выражается в миллисекундах, а для элементов памяти оно измеряется наносекундами.
Логическое распределение оперативной памяти
Логическое распределение оперативной памяти определяется не только применяемой операционной системой, но и особенностями аппаратной реализации IBM-совместимых PC. [10]
Можно выделить три важнейшие логические области оперативной памяти:
- Стандартная оперативная память (Conventional Memory) Важнейшая область памяти (первые 640 Кб). В ней расположена большая часть всех прикладных программ и данных.
- UMA (Upper Memory Area) Здесь находится информация, которая служит для сопряжения прикладных программ с различными картами расширений. (384 Кб расположенные между 640Кб и 1Мб)
- XMS (Extended Memory Specification) Вся память выше 1Мб. Используется Windows-приложениями
Контроллеры
Чтобы PC мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера - клавиатуры, дисководов для магнитных дисков и т. д. Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находится не снаружи компьютера, а встраиваются внутрь системного блока.
Результаты выполнения программ также выводятся на внешние устройства - монитор, диски, принтер и т. д.
Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памяти и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом- выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются целых два промежуточных звена
1. Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Некоторые контроллеры (контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.
2. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с CPU и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую обычно называют шиной. [8]
Шина представляет собой совокупность линий (проводов) по которым передается информация. Подробнее шины описаны ниже.
Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер ввода-вывода. Он управляет работой портов. Эти порты бывают следующих типов
- Параллельные LPT1-LPT3
- Асинхронные последовательные COM1-COM4
Разъемы параллельных и последовательных портов расположены на обратной стороне корпуса PC.
Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большой скоростью, чем последовательные (за счет использования большего числа проводов в кабеле). Принцип параллельной передачи данных подразумевает передачу восьми бит данных одновременно (параллельно) К параллельному порту обычно подключается принтер. (25-и контактный разъем)
При последовательной передаче данных биты передаются (или принимаются) один за другим. К последовательным портам подключаются модемы, мыши и др. (9-и, реже 25-и контактный разъем)
Шины
CPU и Chipset едва ли можно было использовать, если бы информация не циркулировала между отдельными элементами и устройствами. Проще сказать, что в распоряжении системы есть несколько линий, которые связывают элементы между собой. Эти линии обмена данными называют шиной (Bus).
Важнейшей характеристикой шины является так называемая разрядность шины (иногда говорят ширина шины), которая определяет количество данных, параллельно "проходящих" через нее (8, 16, 32 и 64 бит).
Шины по функциональному назначению делятся на три категории:
- шина данных. По этой шине происходит обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью.
- адресная шина. Служит для передачи адресов памяти.
- шина управления (системная шина). Управляет обменом данными, определяет какие данные куда необходимо доставить. [12]
Существует несколько типов шин различающихся техническими возможностями:
- ISA – первая 8-ми разрядная шина.
- AT Bus – 16-и разрядная шина, ставшая расширением шины ISA
- MCA – 32-х разрядная. Скорость передачи данных – до 20 Мб/с
- EISA – дальнейшее развитие шины ISA. Эта 32-х разрядная шина обеспечивала до 33 Мб/с
- VESA – расширение шины ISA для обмена видеоданными. Имела 32 разряда
- PCI – в основе этой шины заложены абсолютно новые принципы. Эта 32-х разрядная шина обеспечивала скорость передачи данных до 132 Мб/с (PCI 1.0) и до 264 Мб/с. в 64-х разрядной PCI 2.0
- USB – универсальная шина для подключения периферийных устройств (клавиатура, мышь, принтер и т.д.) Скорость передачи данных 12 Мб/с.
К шинам через специальные разъемы (слоты расширения) подключаются карты расширения, такие как графический адаптер, звуковые карты и т.д. В системе может насчитываться 5 – 8 таких слотов. Все они внешне отличаются друг от друга в соответствие с типом шины. Наиболее распространены в PC шины PCI (для высокоскоростных устройств) и шины ISA (для клавиатуры, мыши, звуковой карты и т.д.).
2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ ПК
2.1.Назначение и классификация микропроцессоров ПК
По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.
Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей. Изменять структуру процессора необходимо так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную архитектуру, т. е. в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все основные функциональные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).
Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной части разрядностью и возможностями подключения других устройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и др.). Интерфейс процессора содержит несколько десятков информационных шин данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ). [12]
Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.
На рис. 1.1,а показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.
Рис. 1.1 Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение для
реализации процессора в виде комплекта секционных БИС
Операционный процессор служит для обработки данных, управляющий процессор выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд. Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ. Интерфейсный процессор позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; он, по существу, является сложным контроллером для устройств ввода/вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти. [16]