Короткі теоретичні відомості. Інструкція до лабораторної роботи

Інструкція до лабораторної роботи

№ 1 “Архітектура процесорів”

з дисципліни

“Архітектура комп’ютерів”

Для студентів напрямів підготовки 6.0915 „Комп’ютерна інженерія”

6.0804 „Комп’ютерні науки”

Львів – 2011

Мета роботи.

1.1. Знати основні принципи побудови сучасних мікропроцесорів

1.2. Уміти визначати основні характеристики процесорів

1.3. Навчитись порівнювати характеристики та розпізнавати маркування процесорів різних фірм виробників.

Обладнання робочого місця.

2.1. Процесори різних фірм-виробників та з різними параметрами (не менше 2 шт.)

2.2. Олівець

2.3. Лінійка

Короткі теоретичні відомості.

3.1. Мікропроцесори

"Мозком" персонального комп'ютера є мікропроцесор, або центральний процесор — CPU (Central Processing Unit). Мікропроцесор виконує обчислення і обробку даних (за винятком деяких математичних операцій, здійснюваних в комп'ютерах, що мають співпроцесор) і, як правило, є найдорожчою мікросхемою комп'ютера. У всіх PC-сумісних комп'ютерах використовуються процесори, сумісні з сімейством мікросхем Intel, але випускаються і проектуються вони як самою Intel, так і компаніями AMD, Cyrix, IDT і Rise Technologies.

3.2. Параметри процесорів

Процесори можна класифікувати по двох основних параметрах: розрядності і швидкодії. Швидкодія процесора — досить простий параметр. Вона вимірюється в мегагерцах (Мгц); 1 Мгц дорівнює мільйону тактів в секунду. Чим вища швидкодія, тим краще (тим швидший процесор). Розрядність процесора — параметр складніший. У процесор входить три важливі пристрої, основною характеристикою яких є розрядність:

· шина введення і виведення даних

· внутрішні регістри

· шина адреси пам'яті.

3.3. Шина даних

Коли говорять про шину процесора, найчастіше мають на увазі шину даних, представлену як набір з'єднань для передачі або прийому даних. Чим більше сигналів одночасно поступає на шину, тим більше цих даних передається по ній за певний інтервал часу і тим швидше вона працює. Розрядність шини даних подібна кількості смуг руху на швидкісній автомагістралі; точно так, як і збільшення кількості смуг дозволяє збільшити потік машин по трасі, збільшення розрядності дозволяє підвищити продуктивність. Дані в комп'ютері передаються у вигляді цифр через однакові проміжки часу. Для передачі одиничного біта даних в певний часовий інтервал посилається сигнал напруги високого рівня (близько 5 В), а для передачі нульового біта даних — сигнал напруги низького рівня (близько 0 В). Чим більше кількість провідників, тим більше бітів можна передати за один і той же час.

Розрядність шини даних процесора визначає також розрядність банку пам'яті. Це означає, що 32-розрядний процесор, наприклад класу 486, прочитує з пам'яті або записує в пам'ять 32 біти одночасно. Процесори класу Pentium, включаючи Pentium III, Celeron, Pentium 4, Athlon і Duron, читають з пам'яті або записують в пам'ять 64 біт одночасно. Оскільки стандартні 72-контактні модулі пам'яті SIMM мають розрядність, рівну всього лише 32, в більшості систем класу 486 встановлюють по одному модулю, а в більшості систем класу Pentium — по два модулі одночасно. Розрядність модулів пам'яті DIMM рівна 64, тому в системах класу Pentium встановлюють по одному модулю, що полегшує процес конфігурації системи, оскільки ці модулі можна встановлювати або видаляти поодинці. Кожен модуль DIMM має таку ж продуктивність, як і цілий банк пам'яті в системах Pentium.

3.4. Шина адреси

Шина адреси є набором провідників; по них передається адреса елементу пам'яті, в яку або з якої пересилаються дані. Як і в шині даних, по кожному провіднику передається один біт адреси, відповідний одній цифрі в адресі. Збільшення кількості провідників (розрядів), використовуваних для формування адреси, дозволяє збільшити кількість комірок, що адресуються. Розрядність шини адреси визначає максимальний об'єм пам'яті, що адресується процесором.

У комп'ютерах застосовується двійкова система числення, тому при дворозрядній адресації можна вибрати тільки чотири комірки (з адресами 00, 01, 10 і 11), ^, при трирозрядній вісім (від 000 до 111) і т.д..

3.5. Режими процесора

Всі 32-розрядні і пізніші процесори Intel, починаючи з 386-го, можуть виконувати програми в декількох режимах. Режими процесора призначені для виконання програм в різних середовищах; у різних режимах можливості чіпа неоднакові, тому що команди виконуються по-різному. Залежно від режиму процесора змінюється схема управління пам'яттю системи і задачами.

Процесори можуть працювати в трьох основних режимах: реальному, захищеному і віртуальному реальному режимі (реальному усередині захищеного).

3.6. Реальний режим

У первинному IBM PC використовувався процесор 8088, який міг виконувати 16-розрядні команди, застосовуючи 16-розрядні внутрішні регістри, і адресувати тільки 1 Мбайт пам'яті, використовуючи 20 розрядів для адреси. Все програмне забезпечення PC спочатку було призначене для цього процесора; воно було розроблене на основі 16-розрядної системи команд і моделі пам'яті об'ємом 1 Мбайт. Наприклад, DOS, все програмне забезпечення DOS, Windows від 1.x до 3.x і всі додатки для Windows від 1.x до 3.x написані з розрахунку на 16-розрядні команди. Ці 16-розрядні операційні системи і додатки були розроблені для виконання на первинному процесорі 8088.

3.7. Захищений режим

Першим 32-розрядним процесором, призначеним для PC, був 386-й. Цей чіп міг виконувати абсолютно нову 32-розрядну систему команд. Щоб повністю використовувати перевагу 32-розрядної системи команд, були необхідні 32-розрядна операційна система і 32-розрядні додатки. Цей новий режим називався захищеним, оскільки програми, що виконуються в ньому, захищені від перезапису своїх областей пам'яті іншими програмами. Такий захист робить систему надійнішою, оскільки жодна програма з помилками вже не зможе так легко пошкодити інші програми або операційну систему. Крім того, програму, яка втратила свої дані, можна досить просто завершити без збитку для всієї системи.

Знаючи, що розробка нових операційних систем і додатків, що використовують переваги 32-розрядного захищеного режиму, займе якийсь час, Intel передбачила в процесорі 386 назад сумісний реальний режим. Завдяки цьому процесор 386 міг виконувати немодифіковані 16-розрядні додатки. Причому вони виконувалися набагато швидше, ніж на будь-якому процесорі попереднього покоління. Для більшості користувачів цього було досить; їм не потрібне все 32-розрядне програмне забезпечення — достатньо було того, щоб 16-розрядні програми, що були у них, працювали швидше. На жаль, через це процесор ніколи не працював в 32-розрядному захищеному режимі і всі можливості такого режиму не використовувалися.

3.8. Віртуальний режим

Для зворотної сумісності 32-розрядна система Windows 9x використовує третій режим в процесорі — віртуальний реальний режим. Віртуальний реальний, по суті, є режимом виконання 16-розрядного середовища (реальний режим), яке реалізоване усередині 32-розрядного захищеного режиму (тобто віртуально, а не реально). Виконуючи команди у вікні підказки DOS усередині Windows 95/98, ви створюєте віртуальний сеанс реального режиму. Оскільки захищений режим є достовірно багатозадачним, фактично можна виконувати декілька сеансів реального режиму, причому в кожному сеансі власне програмне забезпечення працює на віртуальному комп'ютері. І всі ці додатки можуть виконуватися одночасно, навіть під час роботи інших 32-розрядних програм.

Будь-яка програма, що виконується у віртуальному вікні реального режиму, може звертатися тільки до пам'яті об'ємом до 1 Мбайт, причому для кожної такої програми це буде перший і єдиний мегабайт пам'яті в системі. Іншими словами, якщо ви виконуєте додаток DOS у віртуальному реальному вікні, йому буде доступна пам'ять тільки об'ємом до 640 Кбайт. Так відбувається тому, що є тільки 1 Мбайт загальної оперативної пам'яті в 16-розрядному середовищі, а верхні 384 Кбайт зарезервовані для системи. Віртуальне реальне вікно повністю імітує середовище процесора 8088, і, якщо не враховувати швидкодію, програмне забезпечення виконуватиметься так, як воно виконувалося першим PC в реальному режимі. Кожна віртуальна машина одержує власні 1 Мбайт адресного простору і власний екземпляр реальних апаратних підпрограм управління апаратурою (базову систему введення-висновку), причому при цьому емулюються всі регістри і можливості реального режиму.

Віртуальний реальний режим використовується при виконанні програм у вікні DOS, а також при виконанні 16-розрядних програм, написаних для DOS або Windows 3.x, в Windows 95/98. При запуску додатку DOS операційна система Windows 9х створює віртуальну машину DOS, на якій цей додаток може виконуватися.

Важливо відзначити, що всі процесори Intel (а також Intel-сумісні AMD і Cyrix) при включенні живлення починають працювати в реальному режимі. При завантаженні 32-розрядна операційна система автоматично перемикає процесор в 32-розрядний режим і управляє ним в цьому режимі.

Хоча реальний режим використовується DOS і "стандартними" додатками DOS, є спеціальні програми, які "розширюють" DOS і дозволяють доступ до додаткової пам'яті XMS (понад 1 Мбайт). Вони іноді називаються розширювачами DOS і звичайно включаються як частина програмного забезпечення DOS, в якому використовуються. Протокол, що описує, як виконувати DOS в захищеному режимі, називається DPMI (DOS protected mode interface — інтерфейс захищеного режиму DOS). Він використовувався в Windows 3.x для звернення до додаткової пам'яті XMS при роботі додатків для Windows 3.x. Цей протокол дозволяв 16-розрядним додаткам використовувати пам'ять, що перевищує 1 Мбайт. Розширювачі DOS особливо часто застосовуються в іграх DOS; саме завдяки ним ігрова програма може використовувати набагато більший об'єм пам'яті, ніж стандартний (1 Мбайт), до якого може адресуватися більшість програм, що працюють в реальному режимі. Ці розширювачі DOS перемикають процесор в реальний режим і назад, а у разі запуску під управлінням Windows застосовують інтерфейс DPMI, вбудований в Windows, і тим самим дозволяють іншим програмам спільно використовувати частину додаткової пам'яті XMS системи.

3.9. Швидкодія процесора

Швидкодія комп'ютера багато в чому залежить від тактової частоти, звичайно вимірюваної в мегагерцах (Мгц). Вона визначається параметрами кварцового резонатора, що є кристалом кварцу, вміщений у невеликий металевий контейнер. Під впливом електричної напруги в кристалі кварцу виникають коливання електричного струму з частотою, визначуваною формою і розміром кристала. Частота цього змінного струму і називається тактовою частотою. Мікросхеми звичайного комп'ютера працюють на частоті декількох мільйонів герц. (герц — одне коливання в секунду.) Швидкодія вимірюється в мегагерцах, тобто в мільйонах циклів в секунду.

3.10. Тактова частота процесора і маркування тактової частоти системної плати.

Майже всі сучасні процесори, починаючи з 486DX2, працюють на тактовій частоті, яка дорівнює добутку коефіцієнту деякого множника і тактової частоти системної плати. Наприклад, процесор Celeron 600 працює на тактовій частоті, що в дев'ять разів перевищуює тактову частоту системної плати (66 Мгц), а Pentium III 1000 — на тактовій частоті, що в сім з половиною разів перевищує тактову частоту системної плати (133 Мгц). Більшість системних плат працювали на тактовій частоті 66 Мгц; саме таку частоту підтримували всі процесори Intel до початку 1998 року, і лише недавно ця компанія розробила процесори і набори мікросхем системної логіки, які можуть працювати на системній платі, розрахованій на частоту 1000 і більше Мгц. Переважно тактову частоту системної плати і множник можна встановити за допомогою перемичок або інших процедур конфігурації системної плати (наприклад, за допомогою вибору відповідних значень в програмі установки параметрів BIOS).

У сучасних комп'ютерах використовується генератор змінної частоти, звичайно розташований на системній платі; він генерує опорну частоту для системної плати і процесора. На більшості системної плат процесорів Pentium можна встановити одне з трьох або чотирьох значень тактової частоти. Сьогодні випускається безліч версій процесорів, що працюють на різних частотах, залежно від тактової частоти конкретної системної плати. Наприклад, швидкодія більшості процесорів Pentium у декілька разів перевищує швидкодію системної плати.

Під час виготовлення процесорів проводиться тестування при різних тактових частотах, значеннях температури і тиску. Після цього на них наноситься маркування, де вказується максимальна робоча частота у всьому використовуваному діапазоні температур і тиску, який може зустрітися в звичайних умовах.

3.11. Кеш-пам'ять

Слід відмітити, що не дивлячись на підвищення швидкості ядра процесора, швидкодія пам'яті залишається на досить низькому рівні. При цьому виникає питання: як добитися підвищення продуктивності процесора, якщо пам'ять, використовувана для передачі даних, працює досить повільно? Відповідь проста: "кеш". Простіше кажучи, кеш-пам'ять – це швидкодіючий буфер пам'яті, використовуваний для тимчасового зберігання даних, які можуть бути необхідні процесору в певний момент роботи. Це дозволяє отримувати необхідні дані швидше, ніж при видобуванні їх з оперативної пам'яті. Однією з додаткових властивостей, що відрізняють кеш-пам'ять від звичайного буфера, є вбудовані логічні функції. Кеш-пам'ять можна по праву назвати розумним буфером.

Буфер містить випадкові дані, які переважно обробляються за принципом "першим отриманий, першим виданий" або "першим отриманий, останнім виданий". Кеш-пам'ять, у свою черг|, містить дані, які можуть бути потрібні процесору із певною мірою вірогідності. Це дозволяє процесору працювати практично із повною швидкістю без необхідності очікування даних, які беруться з повільнішої оперативної пам'яті. Кеш-пам'ять реалізована у вигляді мікросхем статичної оперативної пам'яті (SRAM), встановлених на системній платі або вбудованих в процесор.

У сучасних ПК використовуються два рівні кеш-пам'яті, що отримали назву Кеш пам’яті першого (L1) і другого (L2) рівнів.

3.12. Кеш-пам'ять першого рівня

У всіх процесорах, починаючи з 486-го, є вбудований (першого рівня) кеш-контроллер з кеш-пам'яттю об'ємом8 Кбайт в процесорах 486DX, а також 32, 64 Кбайт і більше в сучасних моделях. Кеш — це швидкодіюча пам'ять, призначена для тимчасового зберігання програмного коду і даних. Звернення до вбудованої кеш-пам'яті відбуваються без станів очікування, оскільки її швидкодія відповідає можливостям процесора, тобто кеш-пам'ять першого рівня (або вбудований кеш) працює на частоті процесора.

Використання кеш-пам'яті згладжує традиційний недолік комп'ютера, що полягає в тому, що оперативна пам'ять має меншу швидкодію, ніж центральний процесор Завдяки кеш-пам'яті процесору не доводиться чекати, доки чергова порція програмного коду або даних поступить з відносно повільної основної пам'яті, що приводить до підвищення продуктивності.

Якщо дані, необхідні процесору, знаходяться вже у внутрішній кеш-пам'яті, то затримок не виникає. Інакше центральний процесор повинен отримувати дані з кеш-пам'яті другого рівня або (у менш складних системах) з системної шини, тобто безпосередньо з основної пам'яті.

Розділена (окремо команди і дані)

3.13. Кеш-пам'ять другого рівня

Сучасніші процесори містять вбудовану кеш-пам'ять другого рівня, яка працює на тій же швидкості, що і ядро процесора, причому швидкості кеш-пам'яті першого і другого рівнів однакові.

суміщена (разом команди і дані)

3.14. Конструкція і ефективність кеш-пам'яті

Попаданні (hit) s ghjvf[ (miss)

Коефіцієнт попадання кеш-пам'яті як першого, так і другого рівнів складає 90%. Таким чином, розглядаючи систему в цілому, можна сказати, що 90% часу вона працює із повною| тактовою частотою отримуючи дані з кеш пам’яті першого рівня. Десять відсотків часу дані витягуються з кеш-пам'яті другого рівня. Процесор працює з кеш-пам'яттю другого рівня лише 90% цього часу, а що залишилися 10% внаслідок промахів кеша — з повільнішою основною пам'яттю. Таким чином, об'єднуючи кеш-пам'ять першого і другого рівнів, отримуємо, що звичайна система працює з частотою процесора 90% часу, з частотою системної плати 9% часу (тобто 90% від 10% ) і з тактовою частотою основної пам'яті приблизно 1% часу (10% від 10%). Це ясно демонструє важливість кеш-пам'яті першого і другого рівнів; за відсутності кеш-пам'яті система часто звертається до ОП, швидкість якої значно нижча, ніж швидкість процесора.

Зміст роботи.

4.1. Ознайомитися з інструкціями та настановами викладача щодо виконання даної лабораторної роботи.

4.2. Ознайомитися із необхідних лабораторним стендом даної лабораторної роботи.

4.3. Розглянути усі представленні на лабораторній роботі мікропроцесори.

4.4. Записати розшифровку маркування мікропроцесорів різних фірм виробників (тактова частота, фірма виробник, рік випуску).

4.5. Написати висновок.

4.6. Здати звіт

5. Контрольні запитання.

5.1. Призначення мікропроцесора

5.2. Назвіть основні фірми-виробники сучасних процесорів які використовуються в комп’ютерній індустрії

5.3. Назвіть основні параметри мікропроцесорів

5.4. Що таке швидкодія процесора

5.5. Що таке розрядність процесора. Які ви знаєте розрядності процесорів?

5.6. Знати режими роботи процесорів

5.7. Що таке шина даних?

5.8. Що таке шина адрес?

5.9. Які ви знаєте режими процесора?

5.10. Принципи роботи ПК в реальному режимі процесора

5.11. Принципи роботи ПК при захищеному режимі

5.12. Принципи роботи ПК у віртуальному режимі

5.13. Що таке кеш-пам’ять?

5.14. Призначення кеш-пам’яті першого рівня?

5.15. Назвіть призначення кеш-пам’яті другого рівня

Література.

6.1. Бигелоу Стивен Устройство и ремонт персонального компьютера Книга 1 «Бином» Москва 2003

6.2. Гуржій А.М., Коряк С.Ф., Самсонов В.В., Скляров О.Я. Архітектура, принципи функціонування та керування ресурсами IBM PC. „Компанія СМІТ”, 2003.

6.3. Колесниченко О., Шишкин И. Аппаратные средства PC 4-е издание «БХВ- Петербург» Санкт-Петербург 2003

6.4. Мюллер Скотт. Модернизация и ремонт ПК. „Вильямс”, 2002.

Поиск по сайту: