Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Базовые понятия вычислительных машин и систем).pdf

4. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу вся информация (как данные, так и команды) кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.

Огромным преимуществом фон-неймановской архитектуры является ее простота, поэтому данная концепция легла в основу большинства компьютеров общего назначения. Фон-неймановская архитектура – не единственный вариант построения вычислительных машин, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-неймановских машин.

Таким образом, на основании этих принципов можно утверждать, что современная вычислительная машина – техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществлять вычислительный процесс, заданный программой, и выдавать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.^[13]

В наиболее распространенных настольных компьютерах класса Desktop в качестве конструктивной основы используется системная или материнская плата (motherboard), на которой располагаются все основные системные узлы компьютера, а также несколько разъемов (слотов) системной шины для подключения дочерних плат – плат расширения (интерфейсных модулей, контроллеров, адаптеров). Как правило, современные системные платы допускают замену процессора, выбор его тактовой частоты, замену и наращивание оперативной памяти, выбор режимов работы других узлов.

Центральное процессорное устройство (ЦПУ; англ, central processing unit, CPU, дословно – «центральное обрабатывающее устройство») – это электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющие машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда его называют микропроцессором или просто процессором.

Процессор заменяет практически всю «жесткую логику», которая понадобилась бы в случае традиционной цифровой системы. Он выполняет арифметические функции (сложение, умножение и т.д.), логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т.д.), временное хранение кодов (во внутренних регистрах), пересылку кодов между узлами микропроцессорной системы и многое другое. Количество таких элементарных операций, выполняемых процессором, может достигать нескольких сотен.

---

Развитие вычислительной техники сопровождается совершенствованием центральных процессоров. При проектировании новых моделей процессоров разработчики основывались на принципах совместимости, т.е. разные модели процессоров, различающиеся по производительности, должны были «уметь» выполнять одни и те же команды. Новое семейство процессоров должно было иметь единую архитектуру, т.е. новая модель процессора разрабатывается на основе какой-либо существующей архитектуры.^[14]

Под термином архитектура процессора понимают совокупность и способ объединения компонентов процессора, а также его совместимость с определенным набором команд.

Знание этих двух моментов дает возможность грамотно организовать интерфейс аппаратных и программных средств вычислительной системы. Например, с точки зрения программиста, архитектура процессора – это способность процессора выполнять набор машинных кодов, а с точки зрения проектирования компьютерных составляющих архитектура процессора – это отражение основных принципов внутренней организации определенных типов процессоров.

Но даже процессоры с одинаковой архитектурой могут существенно отличаться друг от друга. Эти различия обусловлены разнообразием процессорных ядер, которые обладают определенным набором характеристик. Наиболее частым отличием являются различные частоты системной шины, а также размеры кэша второго уровня и технологические характеристики, по которым изготовлены процессоры. Очень часто смена ядра в процессорах из одного и того же семейства требует также замены процессорного разъема, а это влечет за собой проблемы с совместимостью материнских плат. Но производители постоянно совершенствуют ядра и вносят постоянные, но незначительные изменения в ядро. Такие нововведения называют ревизией ядер и, как правило, обозначаются цифро-буквенными комбинациями.

Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

Микроархитектура микропроцессора – это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали. Макроархитектура – это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.^[15]

В настоящее время доминирующее положение на рынке центральных процессоров занимает семейство процессоров фирмы «Intel» с архитектурой х86, в котором декларируется программная совместимость моделей процессоров сверху вниз. Современные процессоры представляют собой сложные высокотехнологичные устройства и описываются целым рядом показателей. Важнейшими характеристиками процессора являются следующие.

---

1. Тактовая частота (clock rate) – это число элементарных операций (тактов), производимых за 1 секунду. Измеряется в герцах (Hz, Гц) и их производных по системе СИ – килогерцах (kHz, кГц) мегагерцах (MHz, МГц), гигагерцах (GHz, ГГц).

Тактовая частота центрального микропроцессора определяет производительность как самого процессора, так и в целом всей компьютерной системы. Тем не менее, с развитием современных технологий, таких как, например, суперскалярность, и созданием многоядерных процессоров нельзя установить прямо пропорциональную зависимость между тактовой частотой процессора и его производительностью.

2. Разрядность – максимальное число одновременно обрабатываемых двоичных разрядов. Разрядность МП обозначается т/п/к и включает:

• т — разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

• п — разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

• к — разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями т/п/к = 16/8/20.

3. Количество вычислительных ядер на одном процессорном кристалле. Многоядерность как способ повышения производительности процессоров используется с относительно недавнего времени, но признана самым перспективным направлением их развития. Разработаны прототипы процессоров, содержащие около 100 ядер. Эффективность вычислительных ядер разных моделей процессоров отличается. Но в любом случае, чем ядер больше, тем процессор производительнее.^[16]

4. Количество потоков. Чем больше потоков, тем лучше. Количество потоков не всегда совпадает с количеством ядер процессора. Так, благодаря технологии Hyper-Threading 4-ядерный процессор Intel Core i7—3820 работает в восемь потоков и во многом опережает 6-ядерных конкурентов.

5. Размер кэш-памяти — 2 и 3 уровня, иногда и 4 уровня. Кэш — это очень быстрая внутренняя память процессора, которая используется им как буфер для временного хранения информации, обрабатываемой в конкретный момент времени.

6. Скорость шины процессора (FSB, HyperTransport или QPI). Через эту шину центральный процессор взаимодействует с материнской платой. Ее скорость (частота) измеряется в мегагерцах, и чем она выше, тем лучше.

7. Технологический процесс. Чем выше степень интеграции (количество транзисторов на кристалле), тем меньше потребляемая электроэнергия процессора. От техпроцесса во многом зависит еще одна важная характеристика процессора — TDP.

---

8. Termal Design Point (TDP) — показатель, отображающий энергопотребление процессора, а также количество тепла, выделяемого им в процессе работы. Единицы измерения — ватты (Вт). TDP зависит от многих факторов, среди которых главными являются количество ядер, техпроцесс изготовления и частота работы процессора.

Кроме прочих преимуществ, «холодные» процессоры (с ТИР до 100 Вт) лучше поддаются разгону, когда пользователь изменяет некоторые настройки системы, вследствие чего увеличивается частота процессора. Разгон позволяет без дополнительных финансовых вложений увеличить производительность процессора на 15-25%, но это уже отдельная тема. В то же время проблему с высоким ТЭР всегда можно решить приобретением эффективной системы охлаждения.

9. Наличие и производительность видеоядра. Последние технические достижения позволили производителям помимо вычислительных ядер включать в состав процессоров еще и ядра графические. Такие процессоры, кроме решения своих основных задач, могут выполнять роль видеокарты.

10. Тип и максимальная скорость поддерживаемой оперативной памяти. Эти характеристики процессора необходимо учитывать при выборе оперативной памяти, с которой он будет использоваться. Нет смысла переплачивать за быстрые модули ОЗУ, если процессор не сможет реализовать все их преимущества.^[17]

Память (устройство хранения информации, запоминающее устройство) — часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных, используемая в вычислениях в течение определенного времени.

Память вычислительной машины обеспечивает поддержку одной из функций современного компьютера – способность длительного хранения информации (принципа фон Неймана, заложенного в основу современных вычислительных машин).

Память, как и центральный процессор, является неизменной частью вычислительной машины. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

Память вычислительной машины дискретна, состоит из набора последовательных ячеек памяти, каждая из которых имеет свой номер, называемый адресом. Ячейка памяти хранит состояние внешнего воздействия, запись информации. Эти ячейки могут фиксировать самые разнообразные физические воздействия. Они функционально аналогичны обычному электромеханическому переключателю, и информация в них записывается в виде двух четко различимых состояний – «1» и «0» («включено» и «выключено»).

---

В современной компьютерной технике часто используются физические свойства полупроводников, когда прохождение тока через полупроводник или его отсутствие трактуется как наличие логических сигналов 0 или 1. Для записи объема запоминающих устройств в цифровой вычислительной технике и количества памяти, используемой компьютерной программой, применяют термин «количество информации».

Специальные механизмы обеспечивают доступ (операцию записи и операцию чтения) к состоянию этих ячеек. Процесс доступа происходит под управлением контроллера памяти – отдельного специализированного устройства, которое управляет потоком данных от оперативной памяти к процессору.

Контроллер памяти может представлять собой отдельную микросхему или быть интегрирован в микросхему северный мост или микропроцессор.

Также различают операцию стирания памяти — занесение (запись) в ячейки памяти одинаковых значений.

Память в вычислительных устройствах имеет иерархическую структуру и обычно предполагает использование нескольких запоминающих устройств, имеющих различные характеристики.

Иерархия памяти – концепция построения взаимосвязи классов разных уровней памяти вычислительных систем на основе иерархической структуры.

Сущность необходимости построения иерархической памяти – необходимость обеспечения вычислительной системы (отдельного компьютера или кластера) достаточным объемом памяти, как оперативной, так и постоянной.

Различные виды памяти образуют иерархию, на различных уровнях которой расположены памяти с отличающимися временем доступа, сложностью, стоимостью и объемом. Возможность построения иерархии памяти вызвана тем, что большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещен в более быструю, но дорогую и поэтому небольшую память. Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительного комплекса.^[18]

В большинстве современных вычислительных систем используется следующая иерархия памяти.

1. Процессорная, или регистровая, память – это набор быстродействующих регистров процессора, организованный в регистровый файл – наиболее быстрый доступ (порядка 1 такта), но размером лишь в несколько сотен или, редко, тысяч байт.

2. Кэш микропроцессора – кэш (сверхоперативная память), используемый микропроцессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти.

---