Процесор

Процесор — основна мікросхема комп'ютера, у якій і провадяться всі обчислення. Конструктивно процесор складається з осередків, схожих на осередки оперативної пам'яті, але в цих осередках дані можуть не тільки зберігатися, але й змінюватися. Внутрішні осередки процесора називають регістрами. Важливо також відзначити, що дані, що потрапили в деякі регістри, розглядаються не як дані, а як команди, що управляють обробкою даних в інших регістрах. Серед регістрів процесора є й такі, які залежно від свого змісту здатні модифікувати виконання команд. Таким чином, управляючи засиланням даних у різні регістри процесора, можна управляти обробкою даних. На цьому й засноване виконання програм.

З іншими устроями комп'ютера, і в першу чергу з оперативною пам'яттю, процесор зв'язаний декількома групами провідників, називаних шинами. Основних шин три: шини даних, адресна шина й командна шина.

Адресна шина. У процесорів Intel Pentium (а саме вони найпоширеніші в персональних комп'ютерах) адресна шина 32-розрядна, тобто складається з 32 паралельних ліній. Залежно від того, є напруга на якийсь із чи ліній ні, говорять, що на цій лінії виставлені одиниця або нуль. Комбінація з 32 нулів і одиниць утворить 32-розрядну адресу, що вказує на одну з осередків оперативної пам'яті. До неї й підключається процесор для копіювання даних з осередку в один зі своїх регістрів.

Шина даних. По цій шині відбувається копіювання даних з оперативної пам'яті в регістри процесора й назад. У комп'ютерах, зібраних на базі процесорів Intel Pentium, шина даних 64-розрядна, тобто складається з 64 ліній, по яких за один раз на обробку надходять відразу 8 байтів.

Шина команд. Для того щоб процесор міг обробляти дані, йому потрібні команди. Він повинен знати, що варто зробити з тими байтами, які зберігаються в його регістрах. Ці команди надходять у процесор теж з оперативної пам'яті, але не з тих областей, де зберігаються масиви даних, а відтіля, де зберігаються програми. Команди теж представлені у вигляді байтів. Найпростіші команди укладаються в один байт, однак є й такі, для яких потрібно два, три й більше байти. У більшості сучасних процесорів шина команд 32-розрядна (наприклад, у процесорі Intel Pentium), хоча існують 64-розрядні процесори й навіть 128-розрядні.

Система команд процесора. У процесі роботи процесор обслуговує дані, що перебувають у його регістрах, у полі оперативної пам'яті, а також дані, що перебувають у зовнішніх портах процесора. Частина данных він інтерпретує безпосередньо як дані, частина даних — як адресні дані, а частина — як команди. Сукупність всіх можливих команд, які може виконати процесор над даними, утворить так називану систему команд процесора. Процесори, що ставляться до одного сімейства, мають однакові або близькі системи команд. Процесори, що ставляться до різних сімейств, розрізняються по системі команд і невзаємозамінні.

Процесори з розширеною й скороченою системою команд. Ніж ширше набір системних команд процесора, тим складніше його архітектура, тим длиннее формальний запис команди (у байтах), тим вище середня тривалість виконання однієї команди, обмірювана в тактах роботи процесора. Так, наприклад, система команд процесорів Intel Pentium у цей час нараховує більше тисячі різних команд. Такі процесори називають процесорами з розширеною системою команд — CISC-процесорами (CISC — Complex Instruction Set Computing).

На противагу CISC -процесорам у середині 80-х років з'явилися процесори архітектури RISC зі скороченою системою команд (RISC — Reduced Instruction Set Computing). При такій архітектурі кількість команд у системі набагато менше, і кожна з них виконується набагато швидше. Таким чином, програми, що складаються з найпростіших команд, виконуються цими процесорами багато швидше. Зворотний бік скороченого набору команд полягає в тому, що складні операції доводиться эмулировать далеко не ефективною послідовністю найпростіших команд скороченого набору.

У результаті конкуренції між двома підходами до архітектури процесорів зложився наступний розподіл їхніх сфер застосування:

CISC -процесори використають в універсальних обчислювальних системах;

RISC -процесори використають у спеціалізованих обчислювальних системах або устроях, орієнтованих на виконання однакових операцій.

Для персональних комп'ютерів платформи IBM PC довгий час випускалися тільки CISC -процесори, до яких ставляться й всі процесори сімейства Intel Pentium. Однак останнім часом компанія AMD приступилася до випуску процесорів сімейства AMD-K6, в основі яких лежить внутрішнє ядро, виконане по RISC -архітектурі, і зовнішня структура, виконана по архітектурі CISC. Таким чином, сьогодні з'явилися процесори, сумісні по системі команд із процесорами х86, але имеющие гібридну архітектуру.

Сумісність процесорів. Якщо два процесори мають однакову систему команд, то вони повністю сумісні на програмному рівні. Це означає, що програма, написана для одного процесора, може виконуватися й іншим процесором. Процесори, що мають різні системи команд, як правило, несумісні або обмежено сумісні на програмному рівні.

Групи процесорів, що мають обмежену сумісність, розглядають як сімейства процесорів. Так, наприклад, всі процесори Intel Pentium ставляться до так називаного сімейства х86. Родоначальником цього сімейства був розрядн-16-розрядний процесор Intel 8086, на базі якого збиралася перша модель комп'ютера IBM PC. Згодом випускалися процесори Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60,66,75,90,100,133; кілька моделей процесорів Intel Pentium MMX, моделі Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III і інших. Всі ці моделі, і не тільки вони, а також багато моделей процесорів компаній AMD і Cyrix ставляться до сімейства х86 і мають сумісність за принципом «зверху вниз».

Принцип сумісності «зверху вниз» - це приклад неповної сумісності, коли кожний новий процесор «розуміє» всі команди своїх попередників, але не навпаки. Це природно, оскільки двадцять років тому розроблювачі процесорів не могли передбачити систему команд, потрібну для сучасних програм. Завдяки такій сумісності на сучасному комп'ютері можна виконувати будь-які програми, створені в останні десятиліття для кожного з попередніх комп'ютерів, що належить тій же апаратній платформі.

Основні параметри процесорів. Основними параметрами процесорів є: робоча напруга, розрядність, робоча тактова частота, коефіцієнт внутрішнього множення тактової частоти й розмір кеш-пам'яті.

Робоча напруга процесора забезпечує материнська плата, тому різним маркам процесорів відповідають різні материнські плати (їх треба вибирати спільно). У міру розвитку процесорної техніки відбувається поступове зниження робочої напруги. Ранні моделі процесорів х86 мали робоча напруга 5 У. З переходом до процесорів Intel Pentium воно було знижено до 3,3 У, а в цей час воно становить менш 3 У. Причому ядро процесора харчується зниженою напругою 2,2 У. Зниження робочої напруги дозволяє зменшити відстані між структурними елементами в кристалі процесора до десятитисячних часток міліметра, не побоюючись електричного пробою. Пропорційно квадрату напруги зменшується й тепловиділення в процесорі, а це дозволяє збільшувати його продуктивність без погрози перегріву.

Розрядність процесора показує, скільки біт данных він може прийняти й обробити у своїх регістрах за один раз {за один такт). Перші процесори х86 минулого розрядн-16-розрядними. Починаючи із процесора 80386 вони мають розрядн-32-розрядну архітектуру. Сучасні процесори сімейства Intel Pentium залишаються розрядн-32-розрядними, хоча й працюють із розрядн-64-розрядною шиною даних (розрядність процесора визначається не розрядністю шини даних, а розрядністю командної шини).

В основі роботи процесора лежить той же тактовий принцип, що й у звичайних годинниках. Виконання кожної команди займає певну кількість тактів. У настінних годинниках такти коливань задає маятник; у ручних механічних годинниках їх задає пружинний маятник; в електронних годинниках для цього є коливальний контур, що задає такти строго певної частоти. У персональному комп'ютері тактові імпульси задає одна з мікросхем, що входить у мікропроцесорний комплект (чипсет), розташований на материнській платі. Чим вище частота тактів, що надходять на процесор, тим більше команд він може виконати в одиницю часу, тим вище його продуктивність. Перші процесори х86 могли працювати із частотою не вище 4,77 МГц, а сьогодні робочі частоти деяких процесорів уже перевершують 500 мільйонів тактів у секунду (500 МГц).

Тактові сигнали процесор одержує від материнської плати, що, на відміну від процесора, являє собою не кристал кремнію, а великий набір провідників і мікросхем. По чисто фізичних причинах материнська плата не може працювати з настільки високими частотами, як процесор. Сьогодні її межа становить 100-133 Мгц. Для одержання більше високих частот у процесорі відбувається внутрішнє множення частоти на коефіцієнт 3; 3,5; 4; 4,5; 5 і більше.

кеш-пам'ять

Обмін даними усередині процесора відбувається в кілька разів швидше, ніж обмін з іншими устроями, наприклад з оперативною пам'яттю. Для того щоб зменшити кількість звертань до оперативної пам'яті, усередині процесора створюють буферну область — так називану кеш-пам'ять. Це як би «сверхоперативна пам'ять». Коли процесору потрібні дані, він спочатку звертається в кеш-пам'ять, і тільки якщо там потрібних даних ні, відбувається його звернення до оперативної пам'яті. Приймаючи блок даних з оперативної пам'яті, процесор заносить його одночасно й у кеш-пам'ять. «Удалі» звернення до кеш-пам'яті називають влученнями в кэш. Відсоток влучень тим вище, чим більше розмір кеш-пам'яті, тому високопродуктивні процесори комплектують підвищеним обсягом кеш-пам'яті.

Нерідко кеш-пам'ять розподіляють по декількох рівнях. Кэш першого рівня виконується в тім же кристалі, що й сам процесор, і має обсяг порядку десятків Кбайт. Кэш другого рівня перебуває або в кристалі процесора, або в тім же вузлі, що й процесор, хоча й виконується на окремому кристалі. Кеш-пам'ять першого й другого рівня працює на частоті, погодженої із частотою ядра процесора.

Кеш-пам'ять третього рівня виконують на швидкодіючих мікросхемах типу SRAM і розміщають на материнській платі поблизу процесора. Її обсяги можуть досягати декількох Мбайт, але працює вона на частоті материнської плати.

3. Мікросхема ПЗУ й система BIOS

У момент включення комп'ютера в його оперативній пам'яті немає нічого - ні даних, ні програм, оскільки оперативна пам'ять не може нічого зберігати без підзарядки осередків більше сотих часток секунди, але процесору потрібні команди, у тому числі й у перший момент після включення.

Тому відразу після включення на адресній шині процесора виставляється стартер вый адреса. Це відбувається апаратно, без участі програм (завжди однаково) Процесор звертається по виставленій адресі за своєю першою командою й далечіней починає працювати по програмах.

Ця вихідна адреса не може вказувати на оперативну пам'ять, у якій поки нічого немає. Він указує на інший тип пам'яті — постійний запам'ятовувальний пристрій (ПЗУ). Мікросхема ПЗУ здатна тривалий час зберігати інформацію, навіть коли комп'ютер виключений. Програми, що перебувають у ПЗУ, називають «зашитими» - їх записують туди на етапі виготовлення мікросхеми.

Комплект програм, що перебувають у ПЗУ, утворить базову систему виводу-вводу-висновку (BIOS — Basic Input Output System). Основне призначення програм цього пакета полягає в тому, щоб перевірити склад і працездатність комп'ютерної системі й забезпечити взаємодія із клавіатурою, монітором, жорстким диском і дисководом гнучких дисків. Програми, що входять в BIOS, дозволяють нам спостерігати на екрані діагностичні повідомлення, що супроводжують запуск комп'ютера, а також втручатися в хід запуску за допомогою клавіатури.

Енергонезалежна пам'ять CMOS

Вище ми відзначили, що робота таких стандартних устроїв, як клавіатура, може обслуговуватися програмами, що входять в BIOS, але такими коштами не можна забезпечити роботу з усіма можливими устроями. Так, наприклад, виготовлювачі BIOS абсолютно нічого не знають про параметри наших твердих і гнучких дисків, їм не відомі ні склад, ні властивості довільної обчислювальної системи. Дли того щоб почати роботу з іншим устаткуванням, програми, що входять до складу BIOS, повинні знати, де можна знайти потрібні параметри. По очевидних причинах їх не можна зберігати ні в оперативній пам'яті, ні в постійному запам'ятовувальному пристрої.

Спеціально для цього на материнській платі є мікросхема «енергонезалежної пам'яті», за технологією виготовлення називана CMOS. Від оперативної пам'яті вона відрізняється тим, що її вміст не стирається під час вимикання комп'ютера, а від ПЗУ вона відрізняється тим, що дані в неї можна заносити й змінювати самостійно, відповідно до того, яке встаткування входить до складу системи. Ця мікросхема постійно подпитывается від невеликої батарейки, розташованої на материнській платі. Заряду цієї батарейки вистачає на те, щоб мікросхема не губила дані, навіть якщо комп'ютер не будуть включати кілька років.

У мікросхемі CMOS зберігаються дані про гнучкі й жорсткі диски, про процесор, про деякі інші устрої материнської плати. Той факт, що комп'ютер чітко відслідковує час і календар (навіть і у виключеному стані), теж пов'язаний з тим, що показання системних годин постійно зберігаються (і змінюються) в CMOS.

Таким чином, програми, записані в BIOS, зчитують дані про склад устаткування комп'ютера з мікросхеми CMOS, після чого вони можуть виконати звертання до жорсткого диска, а якщо буде потреба й до гнучкого, і передати керування тим програмам, які там записані.

4. Функції мікропроцесорного комплекту (чипсета)

Параметри мікропроцесорного комплекту (чипсета) найбільшою мірою визначають властивості й функції материнської плати. У цей час більшість чипсетів материнських плат випускаються на базі двох мікросхем, що одержали назву «північний міст» і «південний міст».

«Північний міст» управляє взаємозв'язком чотирьох устроїв: процесора, оперативної пам'яті, порту A GP і шини PCI. Тому його також називають четырехпортовым контролером.

«Південний міст» називають також функціональним контролером. Він виконує функції контролера твердих і гнучких дисків, функції мосту ISA — PCI, контролера клавіатури, миші, шини USB і т.п.

5. Шинні інтерфейси материнської плати

Зв'язок між всіма власної й підключати устройствами, що, материнської плати виконують її шини й логічні устрої, розміщені в мікросхемах мікропроцесорного комплекту (чипсета). Від архітектури цих елементів багато в чому залежить продуктивність комп'ютера.

ISA. Історичним досягненням комп'ютерів платформи IBM PC стало впровадження майже двадцять років тому архітектури, що одержала статус промислових стандартів ISA (Industry Standard Architecture). Вона не тільки дозволила зв'язати всі устрої системного блоку між собою, але й забезпечило просте підключення нових устроїв через стандартні рознімання (слоты). Пропускна здатність шини, виконаної по такій архітектурі, становить до 5,5 Мбайт/з, але, незважаючи на низьку пропускну здатність, ця шина продовжує використатися в комп'ютерах для підключення порівняно «повільних» зовнішніх устроїв, наприклад звукових карт і модемів.

EISA. Розширенням стандарту ISA став стандарт EISA (ExtendedISA), що відрізняється збільшеним розніманням і збільшеною продуктивністю (до 32 Мбайт/с). Як і ISA, у цей час даний стандарт уважається застарілим. Після 2000 року випуск материнських плат з розніманнями ISA/EISA і устроїв, що підключають до них, припиняється.

VLB. Назва інтерфейсу переводиться як локальна шина стандарту VESA (VESA Local Bus). Поняття «локальної шини» уперше з'явилося наприкінці 80-х років. Воно зв'язано тим, що при впровадженні процесорів третього й четвертого поколінь (Intel 80386 і Intel 80486) частоти основної шини (у якості основної використалася шина ISA/EISA) стало недостатньо для обміну між процесором і оперативною пам'яттю. Локальна шина, що має підвищену частоту, зв'язала між собою процесор і пам'ять в обхід основної шини. Згодом у цю шину «урізали» інтерфейс для підключення відеоадаптера, що теж вимагає підвищеної пропускної здатності, — так з'явився стандарт VLB, що дозволив підняти тактову частоту локальної шини до 50 МГц і забезпечив пікову пропускну здатність до 130 Мбайт/с.

Основным недоліком інтерфейсу VLB стало те, що гранична частота локальної шини й, відповідно, її пропускна здатність залежать від числа устроїв, підключених до шини. Так, наприклад, при частоті 50 Мгц до шини може бути підключений тільки один устрій (відеокарта). Для порівняння скажемо, що при частоті 40 Мгц можливе підключення двох, а при частоті 33 Мгц - трьох устроїв.

PCI. Інтерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect — стандарт підключення зовнішніх компонентів) був уведений у персональних комп'ютерах, виконаних на базі процесорів Intel Pentium. По своїй суті це теж інтерфейс локальної шини, що зв'язує процесор з оперативною пам'яттю, у яку врізані рознімання для підключення зовнішніх устроїв. Для зв'язку з основною шиною комп'ютера (ISA/ EISA) використаються спеціальні интерфейсные перетворювачі — мости PCI (PCI Bridge). У сучасних комп'ютерах функції мосту PCI виконують мікросхеми мікропроцесорного комплекту (чипсета).

Даний інтерфейс підтримує частоту шини 33 Мгц і забезпечує пропускну здатність 132 Мбайт/с. Останні версії інтерфейсу підтримують частоту до 66 Мгц і забезпечують продуктивність 264 Мбайт/із для 32-розрядних даних і 528 Мбайт/із для 64-розрядних даних.

Важливим нововведенням, реалізованим цим стандартом, стала підтримка так називаного режиму plug-and-play, що згодом оформився в промисловий стандарт на самоустановлювальні устрої. Його суть полягає в тому, що після фізичного підключення зовнішнього устрою до рознімання шини PCI відбувається обмін даними між устроєм і материнською платою, у результаті якого устрій автоматично одержує номер використовуваного переривання, адреса порту підключення й номер каналу прямого доступу до пам'яті.

Конфлікти між устроями за володіння тими самими ресурсами (номерами переривань, адресами портів і каналами прямого доступу до пам'яті) викликають масу проблем у користувачів при установці устроїв, що підключають до шини ISA. З появою інтерфейсу PCI і з оформленням стандарту plug-and-play з'явилася можливість виконувати установку нових устроїв за допомогою автоматичних програмних засобів — ці функції багато в чому минулому покладені на операційну систему.

FSB. Шина PCI, що з'явилася в комп'ютерах на базі процесорів Intel Pentium як локальна шина, призначена для зв'язку процесора з оперативною пам'яттю, недовго залишалася в цій якості. Сьогодні вона використається тільки як шина для підключення зовнішніх устроїв, а для зв'язку процесора й пам'яті, починаючи із процесора Intel Pentium Pro використається спеціальна шина, що одержала назву Front Side Bus (FSB). Ця шина працює на дуже високій частоті 100-125 Мгц. У цей час впроваджуються материнські плати із частотою шини FSB 133 МГц і ведуться розробки плат із частотою до 200 Мгц. Частота шини FSB є одним з основних споживчих параметрів — саме він і вказується в специфікації материнської плати. Пропускна здатність шини FSB при частоті 100 МГц становить порядку 800 Мбайт/с.

AGP. Відеоадаптер — устрій, що вимагає особливо високої швидкості передачі даних. Як при впровадженні локальної шини VLB, так і при впровадженні локальної шини PCI відеоадаптер завжди був першим устроєм, «врізають» у нову шину. Сьогодні параметри шини PCI уже не відповідають вимогам відеоадаптерів, тому для них розроблена окрема шина, що одержала назву AGP (Advanced Graphic Port — удосконалений графічний порт). Частота цієї шини відповідає частоті шини PCI (33 МГц або 66 МГц), але вона має багато більше високу пропускну здатність — до 1066 Мбайт/з (у режимі чотириразового множення).

PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) — стандарт міжнародної асоціації виробників плат пам'яті для персональних комп'ютерів). Цей стандарт визначає інтерфейс підключення плоских карт пам'яті невеликих розмірів і використається в портативних персональних комп'ютерах.

USB (Universal Serial Bus -універсальна послідовна магістраль). Це одне з останніх нововведень в архитектурах материнських плат. Цей стандарт визначає спосіб взаємодії комп'ютера з периферійним устаткуванням. Він дозволяє підключати до 256 різних устроїв, що мають послідовний інтерфейс. Устрої можуть включатися ланцюжками (кожний наступний устрій підключається до попереднього). Продуктивність шини USB відносно невелика й становить до 1,5 Мбит/з, але для таких устроїв, як клавіатура, миша, модем, джойстик і т.п., цього досить. Зручність шини полягає в тому, що вона практично виключає конфлікти між різним устаткуванням, дозволяє підключати й відключати устрою в «гарячому режимі» (не виключаючи комп'ютер) і дозволяє поєднувати кілька комп'ютерів у найпростішу локальну мережу без застосування спеціального устаткування й програмного забезпечення.

Контрольні питання.

1. Які системи розташовані на материнській платі?

2. Оперативна пам'ять. Призначення та характеристики.

3. Процесор. Система команд процесора. Сумісність процесорів

4. Основні параметри процесорів

5. Призначення та рівні кеш-пам'яті

6. Призначення ПЗУ та CMOS пам'яті

7. Функції мікропроцесорного комплекту (чипсета)

8. Шинні інтерфейси материнської плати

Список літератури.

І. Основної:

1. Коляда А.Я. Курс информатики 10-11 класс, Донецк, 2000.

2. Симонович С.В. Информатика. Базовый курс. Харьков, 2001, 638 стр.

3. Семакін С.В. Інформатика, Київ, 2000.

4. Єфімова П.Я. Інформатика. Інформаційні технології, Київ, 2000, 425 стр.

ІІ. Додаткової:

5. Пушкар О.І. Інформатика. Комп'ютерні технології – К.: Видавничий центр «Академія»,2001.