ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.06.2021
Просмотров: 1844
Скачиваний: 5
21
S
R
Q
0
0
запрещено
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
хранение бита
Проанализируем возможные комбинации значений входов R и S триггера, используя его схему и
таблицу истинности схемы ИЛИ—НЕ
1.
Если на входы триггера подать S="1", R="0", то (независимо от состояния) на выходе Q верхнего
вентиля появится "0". После этого на входах нижнего вентиля окажется R="0", Q="0" и выход
станет равным "1".
2.
Точно так же при подаче "0" на вход S и "1" на вход R на выходе
появится "0", а на Q — "1".
3.
Если на входы R и S подана логическая "1", то состояние Q и
не меняется.
4.
Подача на оба входа R и S логического "0" может привести к неоднозначному результату, поэтому
эта комбинация входных сигналов запрещена.
Поскольку один триггер может запомнить только один разряд двоичного кода, то для
запоминания байта нужно 8 триггеров, для запоминания килобайта, соответственно, 8 х 2
10
= 8192
триггеров. Современные микросхемы памяти содержат миллионы триггеров.
Сумматор —
это электронная логическая схема, выполняющая суммирование двоичных чисел.
Сумматор служит, прежде всего, центральным узлом арифметико-логического устройства
компьютера, однако он находит применение также и в других устройствах машины.
Многоразрядный двоичный сумматор, предназначенный для сложения многоразрядных
двоичных чисел, представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров, с рассмотрения которых
мы и начнём. Условное обозначение одноразрядного сумматора на рис.
При сложении чисел A и B в одном
i
-ом разряде приходится иметь дело с тремя цифрами:
1.
цифра a
i
первого слагаемого;
2.
цифра b
i
второго слагаемого;
3.
перенос p
i–1
из младшего разряда.
В результате сложения получаются две цифры:
1.
цифра c
i
для суммы;
2.
перенос p
i
из данного разряда в старший.
Таким образом, одноразрядный двоичный сумматор есть устройство с тремя входами и двумя
выходами, работа которого может быть описана следующей таблицей истинности:
Входы
Выходы
Первое
слагаемое
Второе
слагаемое
Перенос
Сумма
Перенос
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
22
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
Если требуется складывать двоичные слова длиной два и более бит, то можно использовать
последовательное соединение таких сумматоров, причём для двух соседних сумматоров выход переноса
одного сумматора является входом для другого.
Например
, схема вычисления суммы C = (с
3
c
2
c
1
c
0
) двух двоичных трехразрядных чисел A = (a
2
a
1
a
0
) и B = (b
2
b
1
b
0
) может иметь вид:
6.Назначение и основные элементы центрального процессора. Основные характеристики
процессоров
Архитектура x86 впервые была реализована в собственных процессорах компанией Intel в конце 70-
ых годов, а в ее основу были положены вычисления со сложным набором команд (CISC). Свое название
эта архитектура получила от последних двух цифр, которыми заканчивались кодовые наименования
моделей ранних изделий Intel - пользователи со стажем наверняка помнят еще 286-е (80286), 386-е
(80386) и 486-е (80486) «персоналки», являвшиеся мечтой любого компьютерщика конца 80-ых, начала
90-ых годов.
На сегодняшний день архитектура x86 была также реализована и в процессорах компаний AMD,
VIA, SiS, Cyrix и многих других.
Основными характеристиками процессоров, по которым их принято разделять на современном
рынке, являются:
фирма производитель
серия
количество вычислительных ядер
тип установочного разъема (сокет)
тактовая частота.
Производитель (бренд)
. На сегодняшний день все центральные процессоры для настольных
компьютеров и ноутбуков разделены на два больших лагеря под марками Intel и AMD, которые вместе
покрывают около 92% общего мирового рынка микропроцессоров. Несмотря на то, что из них доля Intel
ёсоставляет примерно 80%, эти две компании уже много лет с переменным успехом конкурируют
между собой, пытаясь завлечь покупателей под свои знамена.
Серия
– является одной из ключевых характеристик центрального процессора. Как правило, оба
производителя разделяют свою продукцию на несколько групп по их быстродействию, ориентации на
разные категории пользователей и различные сегменты рынка. Каждая из таких групп составляет
семейство или серию со своим отличительным названием, по которому можно понять не только
ценовую нишу продукта, но и в общем, его функциональные возможности.
23
На сегодняшний день в основе продукции компании Intelлежат пять основных семейств –
Pentium
(Dual-Core)
,
Celeron (Dual-Core)
,
Core i3, Core i5
и
Core i7
. Первые три нацелены на бюджетные
домашние и офисные решения, два последних лежат в основе производительных систем.
Количество вычислительных ядер
. Еще в прошлом десятилетии разделение процессоров по
количеству ядер не было вовсе, так как все они были одноядерными. Но времена меняются, и сегодня
одноядерные ЦП можно назвать анахронизмом, а на смену им пришли многоядерные собратья. Самыми
распространёнными из них являются двух и четырехъядерные чипы. Несколько меньше
распространены процессоры с тремя, шестью и восемью вычислительными ядрами.
Наличие в процессоре сразу нескольких ядер призвано увеличить его производительность, и как вы
понимаете, чем их больше, тем она выше. Правда при работе со старым, неоптимизированным под
многоядерные вычисления, программным обеспечением это правило может и не работать.
Тип разъема
. Любой процессор устанавливается в системную плату, на которой для этого
существует специальный разъем (гнездо) или по-другому - сокет (Socket). Процессоры разных
производителей, серий и поколений устанавливаются в разные типы разъемов. Сейчас, для настольных
ПК, таковых семь – четыре для чипов Intel и три для AMD.
Тактовая частота
– характеристика определяющая производительность процессора, измеряющаяся
в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц) и показывающая то количество операций, которое он может
проделать в секунду. Правда, проводить сравнение производительности разных моделей процессоров
только по показателю их тактовой частоты в корне неверно.
Дело в том, что для выполнения одной операции, разным чипам может потребоваться разное
количество тактов. Кроме того, современные системы при вычислениях используют конвейерную и
параллельную обработки, и могут за один такт выполнить сразу несколько операций. Все это приводит
к тому, что разные модели процессоров, имеющие одинаковую тактовую частоту, могут показывать
совершенно различную производительность.
Технологический процесс (технология производства)
При производстве микросхем и в частности кристаллов микропроцессоров в промышленных условиях
используется фотолитография – метод, которым с помощью литографического оборудования на
тонкую кремневую подложку наносятся проводники, изоляторы и полупроводники, которые и
формируют ядро процессора. В свою очередь используемое литографическое оборудование имеет
определенную разрешающую способность, которая и определяет название применяемого
технологического процесса.
Кремниевая пластина с чипами процессоров Intel
Чем же так важен технологический процесс, с помощью которого изготавливаются процессоры?
Постоянное совершенствование технологий позволяет пропорционально уменьшать размеры
полупроводниковых структур, что способствует уменьшению размера процессорных ядер и их
энергопотребления, а так же снижению их стоимости. В свою очередь снижение энергопотребления
уменьшает тепловыделение процессора, что позволяет увеличивать их тактовую частоту, а значит и
вычислительную мощность. Так же небольшое тепловыделение позволяет применять более
производительные решения в мобильных компьютерах (ноутбуки, нетбуки, планшеты).
Кремниевая пластина с чипами процессоров AMD
Первый процессор Intel с архитектурой x86, до сих пор являющейся основной для всех современных
ЦП, был произведен в конце 70-ых годов с помощью техпроцесса равному 3 мкм (микрометра). К
началу 2000-ых годов практически все ведущие производители микросхем, включая компании AMD и
Intel, освоили 0,13 мкм или 130 нм – технологический процесс. Большинство современных процессоров
изготавливаются по 32 нм – техпроцессу, а с середины 2012 года и по 22 нанометровой технологии.
Переход на более тонкий техпроцесс всегда является значимым событием для производителей
микропроцессоров. Ведь это, как было отмечено ранее, приводит к снижению стоимости производства
чипов и улучшению их ключевых характеристик, а значит, делает выпускаемую продукцию
разработчика более конкурентоспособной на рынке.
Энергопотребление и тепловыделение
На ранней стадии своего развития микропроцессоры потребляли совсем небольшое количество энергии.
Но с ростом тактовых частот и количества транзисторов в ядре чипов, этот показатель стал
стремительно расти. Практически не учитываемый на первых порах фактор энергопотребления на
сегодняшний день имеет колоссальное влияние на эволюцию процессоров.
24
Чем выше энергопотребление процессора, тем больше он выделяет тепла, которое может привести к
перегреву и выходу из строя, как самого процессора, так и окружающих его микросхем. Для отведения
тепла используются специальные системы охлаждения, размер которых, напрямую зависит от
количества выделяемого тепла процессором.
В начале 2000-ых годов тепловыделения некоторых процессоров выросло выше 150 Вт, а для их
охлаждения приходилось использовать массивные и шумные вентиляторы. Более того, средняя
мощность блоков питания того времени составляла 300 Вт, а это значит что более половины ее должно
было уходить на обслуживание «прожорливого» процессора.
Именно тогда стало понятно, что дальнейшее наращивание вычислительной мощности процессоров
невозможно без снижения их энергопотребления. Разработчики были вынуждены кардинально
пересмотреть процессорные архитектуры и начать активно внедрять технологии, способствующие
снизить тепловыделение.
Многоуровневый кэш
В процессе выполнения вычислений, микропроцессору необходимо постоянно обращаться к памяти для
чтения или записи данных. В современных компьютерах функцию основного хранения данных и
взаимодействия с процессором выполняет оперативная память.
Не смотря на высокую скорость обмена данными между двумя этими компонентами, процессору часто
приходиться простаивать, ожидая запрошенную у памяти информацию. В свою очередь это приводит к
снижению скорости вычислений и общей производительности системы.
Для улучшения этой ситуации, все современные процессоры имеют кэш – небольшой промежуточный
буфер памяти с очень быстрым доступом, использующейся для хранения наиболее часто
запрашиваемых данных. Когда процессору становятся необходимы какие-то данные, он сначала ищет
их копии в кэше, так как оттуда выборка необходимой информации произойдет гораздо быстрее, чем из
оперативной памяти.
Большинство микропроцессоров для современных компьютеров имеют многоуровневый кэш,
состоящий из двух или трех независимых буферов памяти, каждый из которых отвечает за ускорения
определенных процессов. Например, кэш первого уровня (L1) может отвечать за ускорение загрузки
машинных инструкций, второго (L2) – ускорение записи и чтения данных, а третьего (L3) – ускорение
трансляции виртуальных адресов в физические.
Одной из самых основных проблем, стоящих перед разработчиками, является нахождение оптимальных
размеров кэша. С одной стороны, большой кэш может содержать больше данных, а значит процент
того, что процессор найдет среди них нужные - выше. С другой стороны, чем больше размер кэша, тем
больше задержка при выборке данных из него.
Поэтому, кэши разных уровней имеют разный размер, при этом кэш первого уровня – самый
маленький, но и самый быстрый, а третьего – самый большой, но и самый медленный. Поиск данных в
них происходит по принципу от меньшего к большему. То есть процессор сначала пытается найти
необходимую ему информацию в кэше L1, затем в L2 и потом в L3 (при его наличии). При отсутствии
нужных данных во всех буферах происходит обращение к оперативной памяти.
В целом, эффективность работы кэша, особенно 3-его уровня, зависит от характера обращения
программ к памяти и архитектуры процессора. Например, в некоторых приложениях наличие кэша L3
может принести 20%-ый прирост производительности, а в некоторых не сказаться вовсе. Поэтому, на
практике вряд ли стоит руководствоваться характеристиками многоуровневого кэша, при выборе
процессора для своего компьютера.
Центральный процессор
Процессор персонального компьютера представляет собой микросхему, которая отвечает за выполнение
любых операций с данными и управляет периферийными устройствами. Он содержится в специальном
кремниевом корпусе, называемом кристаллом. Для краткого обозначения используют аббревиатуру —
ЦП
(центральный процессор) или
CPU
(от англ. Central Processing Unit – центральное обрабатывающее
устройство). На современном рынке компьютерных комплектующих присутствуют две конкурирующие
корпорации,
Intel и AMD
, которые беспрестанно участвуют в гонке за производительность новых
процессоров, постоянно совершенствуя технологический процесс.
25
Техпроцесс
Техпроцесс
— это размер, используемый при производстве процессоров. Он определяет величину
транзистора, единицей измерения которого является нм (нанометр). Транзисторы, в свою очередь,
составляют внутреннюю основу ЦП. Суть заключается в том, что постоянное совершенствование
методики изготовления позволяет уменьшать размер этих компонентов. В результате на кристалле
процессора их размещается гораздо больше. Это способствует улучшению характеристик CPU, поэтому
в его параметрах всегда указывают используемый техпроцесс. Например, Intel Core i5-760 выполнен по
техпроцессу 45 нм, а Intel Core i5-2500K по 32 нм, исходя из этой информации, можно судить о том,
насколько процессор современен и превосходит по производительности своего предшественника, но
при выборе необходимо учитывать и ряд других параметров.
Архитектура
Также процессорам свойственно такая характеристика, как архитектура — набор свойств, присущий
целому семейству процессоров, как правило, выпускаемому в течение многих лет. Говоря другими
словами, архитектура – это их организация или внутренняя конструкция ЦП.
Количество ядер
Ядро
– самый главный элемент центрального процессора. Оно представляет собой часть процессора,
способное выполнять один поток команд. Ядра отличаются по размеру кэш памяти, частоте шины,
технологии изготовления и т. д. Производители с каждым последующим техпроцессом присваивают им
новые имена (к примеру, ядро процессора AMD – Zambezi, а Intel – Lynnfield). С развитием технологий
производства процессоров появилась возможность размещать в одном корпусе более одного ядра, что
значительно увеличивает производительность CPU и помогает выполнять несколько задач
одновременно, а также использовать несколько ядер в работе программ.
Многоядерные
процессоры
смогут быстрее справиться с архивацией, декодированием видео, работой современных
видеоигр и т.д. Например, линейки процессоров Core 2 Duo и Core 2 Quad от Intel, в которых
используются двухъядерные и четырехъядерные ЦП, соответственно. На данный момент массово
доступны процессоры с 2, 3, 4 и 6 ядрами. Их большее количество используется в серверных решениях
и не требуется рядовому пользователю ПК.
Частота
Помимо количества ядер на производительность влияет
тактовая частота
. Значение этой
характеристики отражает производительность CPU в количестве тактов (операций) в секунду. Еще
одной немаловажной характеристикой является
частота шины
(FSB
– Front Side Bus)
демонстрирующая скорость, с которой происходит обмен данных между процессором и периферией
компьютера. Тактовая частота пропорциональна частоте шины.
Сокет
Чтобы будущий процессор при апгрейде был совместим с имеющейся материнской платой, необходимо
знать его сокет. Сокетом называют
разъем
, в который устанавливается ЦП на материнскую плату
компьютера. Тип сокета характеризуется количеством ножек и производителем процессора. Различные
сокеты соответствуют определенным типам CPU, таким образом, каждый разъём допускает установку
процессора определённого типа. Компания Intel использует сокет LGA1156, LGA1366 и LGA1155, а
AMD — AM2+ и AM3.