Микропроцесори (cpu – Central Processing Unit). Спецификация на процесорите



Дата23.12.2016
Размер131.35 Kb.

Микропроцесори

Микропроцесори (CPU – Central Processing Unit). Спецификация на процесорите


Микропроцесорите могат да се идентифицират по различни признаци, но съществуват два основни параметъра, които определят до голяма степен работоспособността им. Това са ширина (разрядност) и скорост на микропроцесора. Скоростта на микропроцесорите се определя от честотата на управляващите импулси, която се измерва в мегахерци (MHz) и гигахерци (GHz) – брой тактове за секунда. Колкото по-голяма е тактовата честота, толкова по-голям брой операции се извършват за единица време. Ширината на микропроцесор се определя от спецификацията на три основни елемента: регистри, шини за данни и шини за адреси в паметта. Освен тези основни параметри, за качествата на микропроцесорите имат значение и следните допълнителни показатели: тип и големина на кеш-паметта, брой и степени (дълбочина) на конвейерните вериги, технологии ММХ, 3DNow! и Enhanced 3Dnow и други.

Бързодействие на микропроцесорите. Кварцов стабилизиран генератор контролира тактовите честоти в компютърните системи. В съвременните компютри основният тактов генератор е вграден в чипсета на дънната платка, а в по-старите системи се изпълняваше като отделен елемент. Когато на кварцовата пластина на тактовия генератор се подаде напрежение, той започва да вибрира (трепти) с хармонична честота, която се определя от размерите на кристала. Трептенията на кристала генерират променлив ток с честота, хармонична с честотата на трептене. Този променлив ток представлява тактуващ сигнал, който формира последователност от действия изпълнявани от електронните логически схеми. Съвременните компютърни системи изпълняват милиони тактове за секунда, което съответства на милиони херци (MHz).

Един такт на тактовия генератор е най-малкият интервал от време за микропроцесора. Всяко действие изисква поне един такт, но обикновено за по-сложни действия се изискват по няколко такта. Различните времена (тактове) за изпълнение на дадена инструкция прави сравнението на компютърните системи по бързодействие доста трудно. Може два микропроцесора да работят на една и съща честота и единият да е по-бърз от другия. Така например, един i80486 микропроцесор изпълнява два пъти повече инструкции от i80386 за същия брой тактове. Затова той се смята за по-бърз микропроцесор въпреки същата тактова честота. По-същият начин един Pentium микропроцесор изпълнява повече инструкции от 80486 микропроцесор. Това се дължи на допълнителните елементи включени в организацията на работа на микропроцесорите.

Друг важен фактор, който влияе върху бързодействието на микропроцесорите е, че практически всички модерни процесори от i80486 работят с някакъв множител спрямо скоростта на дънната платка (системната шина). Например Pentium 4 2.8GHz работи със скорост, която е 21/4 (5.25 ) пъти по-голяма от тази на дънната платка (533 MHz). До средата на 1998 година повечето дънни платки работеха с 66 MHz или по-малка. През април същата година Intel пусна на пазара чипсети и микропроцесори проектирани да работят със 100 MHz. През 2000 и 2001 година скоростта на системната шина достигна 266 и 400 MHz, а за Pentium 4 и до 533 MHz. По принцип, скоростта на процесорната шина се избира така, че да отговаря на типа на паметта, която се използва в компютърната система.

Обикновено скоростта на дънната платка и множителят на честотата на микропроцесора могат да се настройват посредством джъмпери или други механизми за конфигуриране (Setup програма на BIOS). Модерните системи използват схема за синтезиране на променлива честота, която обикновено се намира в чипсета и контролира както честотата на системната шина, така и на микропроцесора. По този начин честотата на микропроцесора може да се настрои така, че да е по-голяма от посочената в паспорта му. Това се нарича оверклокване (издуване, изпържване) на микропроцесора. В много случаи това е допустимо, тъй като основните производители Intel и AMD обикновено преосигуряват своите продукти и допускат работа с по-висока честота. Това крие и известни рискове, тъй като при по-висока честота, топлинното натоварване на микропроцесорите става по-голямо и ако охлаждането не е ефективно може да се получи повреда на процесора.

Повечето процесори на Intel след Pentium II, а по-късно и процесорите на AMD излизат на пазара със заключени множители на честотата. Замисълът на тези мерки е да се попречи на недобросъвестни разпространители да премаркират процесорите (да ги продават като процесори с по-високи показатели). В този случай единственият начин за овърклокване на микропроцесорите е да се използва изменението на скоростта на системната шина (където това е възможно).

Множителят на честота се заключва посредством много малки спойки между няколко контактни точки върху повърхността на чипа. Това означава, че заключването може да се игнорира като се свържат или прекъснат връзките между определени контактни точки. Тази процедура е доста трудоемка тъй като връзките са много тънки и има опасност от повреда на други връзки.

Друг начин, който използват ентусиастите за постигане на по-високи скорости на микропроцесорите е промяна на напрежението, с което работи микропроцесорът. За голяма част от съвременните дънни платки напрежението за микропроцесорите се установява автоматично. При тях системата разпознава и установява правилното напрежение, като чете информация от определени изводи на процесора. Някои дънни платки (Intel) не позволяват ръчни настройки на тези показатели. Други позволяват промяна на напрежението с по една десета от волта нагоре или надолу от стандартната стойност. Чрез изменение на напрежението могат да се установят условия за стабилна работа на микропроцесорите при оверклокване.

Шини и регистри на микропроцесорите

Една от характеристиките, която определя бързодействието на микропроцесорите е ширината на неговите шини и регистри. Тази ширина се определя от броя на битовете информация, която могат да бъдат предадени от и към микропроцесора за един машинен цикъл (такт). Шината е група от проводници, по които се пренасят общи сигнали. Обикновено ширината на вътрешната шина и регистрите определя така наречената машинна дума – съвкупност от двоични цифри заемащи определен обем памет. Машинната дума за микропроцесорите Pentium е 32 бита (4 байта).



Шини за данни.

Процесорната шина е външната шина за данни. Колкото повече сигнали могат да бъдат изпращани едновременно, толкова повече данни могат да бъдат предавани за единица време. По-широката шина за данни е като магистрала с повече платна, което позволява по-голяма пропускателна способност за трафика.

Данните в компютъра се предават като цифрова информация, състояща се от нули и единици. В даден интервал от време всяка една от линиите на шината провежда 5V импулс (в новите системи по-ниско), с което се сигнализира бит със стойност 1, или 0V, с което сигнализира бит със стойност 0. Колкото повече са линиите, толкова повече битове могат да се изпратят наведнъж. Чиповете 286 и 386SX имат по 16 извода за предаване и приемане на такива данни, т.е те имат 16-битова шина за данни. Следващите модели на Intel (след 386DX и 486) имат два пъти повече изводи, предназначени за предаване на данни и следователно те са с 32-битова шина за данни. Модерните процесори от типа Pentium имат 64-битови външни линии за данни. Това значи, че всички процесори от Pentium, Athlon, Pentium 4, Itanium имат 64-битова шина за данни.

Друга важна роля на ширината на шината за данни е че тя дефинира и размера на банките памет от които се чете или записва информацията. Така например, 32-битов микропроцесор, какъвто е 486, чете и записва в паметта 32 бита едновременно. Процесорите Pentium четат и записват 64-бита. Тъй като стандартните 72-пинови модули памет с едноредово разположение на изводите SIMM са широки само 32 бита (другите изводи са за адреси и управляващи сигнали), те могат да се инсталират поединично в системите от типа 486, а в системите Pentium трябва да се комплектоват по двойки (за да осигурят 64 линии за данни). Новите модули памет с двуредово разположение на изводите DIMM са широки 64 бита и в системите Pentium те могат да се монтират поединично.



Шини за адреси.

Адресната шина е набор от проводници (линии), пренасящи адресираща информация - информация за описване на местоположението в пространството на паметта, където данните се изпращат или откъдето се четат. Както и при шината за данни, всеки проводник от адресната шина пренася един бит информация. Този единичен бит представлява отделна цифра от адреса на клетката в паметта. Колкото повече проводници се използват за формиране на адресите, толкова по-голям е общия брой възможни адреси на клетки в паметта. Размерът (ширината) на адресната шина определя максималното количество RAM памет (оперативна памет), която може да адресира микропроцесора.

Шината за данни и адресната шина са независими и могат да се използват произволни размери за всяка от тях. На практика обаче, чиповете с по-големи шини за данни имат и по-големи адресни шини. В следващата таблица са дадени размерите на адресните шини на микропроцесорите за РС компютри.

Таблица 4.1. Адресни шини за РС процесори



Процесорна фамилия

Адресна шина

Адресируема памет

088/8086

20-битов

1 МВ

286/386SX

24-битова

16 МВ

386DX/486/Pentium

32-битова

4 094 МВ

Pentium II, III, 4

36-битова

65 536 МВ

Itanium

44-битова

16 777 216 МВ

Вътрешни регистри (вътрешна шина за данни)

Регистрите представляват клетки памет за съхраняване на информация вътре в микропроцесора. Размерът на вътрешните регистри определя колко информация е способен да обработва процесорът едновременно и как той премества данните вътре между собствените си устройства. Преместването на данните между устройствата на микропроцесора се извършва по линии, които се наричат вътрешна шина за данни. Размерът на регистрите е същият както размерът (ширината) на вътрешните шини.

Когато микропроцесорът извършва някаква обработка на информацията той използва регистрите за да разположи данните преди обработката. Така например, процесорът може да събира числа, разположени в два регистъра и да записва резултата в трети регистър. Размерът на регистрите определя размера на данните върху които процесорът може да оперира. Големината на регистрите също определя и типа софтуер или командите и инструкциите, които процесорът може да изпълнява. Това означава, че процесорите с 32-битови регистри могат да изпълняват 32-битови инструкции, които обработват 32-битови данни. Всички микропроцесори от 386 до Pentium 4 имат 32-битови вътрешни регистри. Микропроцесорите от новото семейство IA-64 (Itanium) има 64-битови регистри.

Някои процесори имат вътрешна шина за данни и регистри, които са по-големи (по-широки) от външната шина за данни. Примери за такива структури са системите 8088 и 386SX.Всеки от тези чипове има два пъти по-широка вътрешна шина за данни и регистри в сравнение с външната процесорна шина. Такива системи се наричат хибридни дизайни и се явяват евтини версии на ‘истинските’ чипове. Така например, 386SX предава данните вътре в процесора по 32 бита едновременно, но при обмяна на данни с външните устройства и паметта комуникацията е ограничена до 16 бита. Това е позволило на проектантите да изготвят евтин вариант на дънна платка, което е било важно за този период.

Когато вътрешните шини са по-големи от външните, микропроцесорът се нуждае от два машинни цикъла за да запълни даден регистър с данни по външната шина. Процесорът 386SX може да запълни един регистър на два пъти по 16-битовата външна шина, докато 386DX извършва зареждането за един машинен цикъл.

При процесорите Pentium размерът на вътрешната и външната шина също е различен, но случая е обратен – външната шина е 64-битова, а вътрешната – 32-битова. Това на пръв поглед създава впечатление, че вътрешната шина и регистрите ще забавят трансфера на данните с външната шина, но трябва да се отбележи, че процесорите Pentium имат два вътрешни 32-битови конвейера за обработка на данните. Така един 32-битов Pentium може да се оприличи на два паралелни 32-битови чипа.


Памет в компютърните системи


Развитието на електронно-изчислителните машини (ЕИМ) е тясно свързано с усъвършенстване на системите и устройствата за съхранение на информацията (паметта). В много голяма степен характеристиките на паметта определят работоспособността и функционалните възможности на компютърните системи.

Във всеки компютър се вграждат няколко устройства за съхранение на информация, които имат различни характеристики и принцип на работа. Съществуват два основни типа памет: оперативна памет и външна памет (външни запомнящи устройства). Оперативната памет е необходима на компютърната система като работна памет в процеса на обработка на информацията. Затова тя трябва да е памет с бърз достъп и да има непосредствена връзка с процесора и другите управляващи устройства. Обикновено тя се изгражда от електронни елементи (тригери). В по-голямата си част тази памет е енергозависима.

Външните запомнящи устройства имат задача да съхраняват информацията за дълъг период от време. Обикновено те са с по-бавен достъп от оперативната памет. За да се осъществи достъп до информацията от външните устройства са необходими две стъпки: най-напред информацията се прехвърля в оперативната памет и след това се използва и обработва в нея.

Много често се използва аналогията с шкафове и папки за съхраняване на документи за онагледяване на функциите на паметта в компютърните системи. Ако се приеме, че шкафовете и папките служат за дълговременно съхраняване на информация (архив), те са аналогични на твърдия диск (CD-ROM, дискети) в компютърните системи. Оперативната памет може да се оприличи на бюрото (работната маса). Това позволява на човек, работещ на бюрото (действайки като процесор) да има директен достъп до който и да е документ (файл) върху бюрото. Файловете представляват програмите и документите, които могат да се заредят в паметта. За да работите с конкретен документ (файл), той трябва да бъде изваден от шкафа от определена папка и поставен върху бюрото. Ако бюрото е достатъчно голямо, може да се отворят няколко документа едновременно. По същия начин, ако компютърната система разполага с повече памет, могат да се стартират няколко програми и да се работи с няколко файла. Монтирането на по-голям харддиск към компютърната система е като поставяне на по-голям шкаф в офиса – могат да се съхраняват за постоянно повече папки с документи и книги. Добавянето на повече памет към компютърната система е като поставяне на по-голямо бюро за работа.

Аналогията и действителността на работа на компютърните системи се различават само по това, че когато даден файл се зареди в оперативната памет, той в действителност е копие на оригинала. Оригиналът продължава да се съхранява в харддиска. Това означава, че когато системата се изключва, всички файлове, намиращи се в оперативната памет трябва да бъдат записани обратно в харддиска, ако е извършена някаква промяна в тях. Промяната не се отразява автоматично в оригинала.
1. Оперативна памет в компютърните системи

Основната масова памет в персоналния компютър (оперативна памет – ОП) служи за съхраняване на оперативната информация, която е на разположение на CPU. Това е ‘склада’ в който микропроцесорът може да запише за временно съхранение информация или да прочете информация направо, без участието на други устройства. В известен смисъл ОП е работната площадка на CPU.

Когато се говори за паметта на един компютър, обикновено се има предвид RAM паметта или физическата памет в системата, която е изградена главно от електронни чипове или модули. Тя се използва от микропроцесора за да съхранява в нея активните програми и данните за тях. Този термин често се бърка със запаметяващо устройство (storage), което се използва за лентови и дискови устройства. Физически, основната памет е сбор от чипове или модули, които обикновено са инсталирани директно на дънната платка или в специални слотове върху дънната платка. Тези чипове може да изглеждат по различен начин, но за да функционират нормално, те трябва да са съвместими със системата, в която се инсталират.

След централния процесор, паметта е един от най-важните компоненти в компютърните системи. Това в голяма степен важи и за цената на тези елементи, въпреки, че в последно време цената на компютърната памет се понижи доста. В недалечното минало (до 1997 година) цената на паметта беше толкова висока, че надминаваше цената на златото за същото тегло (около $40 за мегабайт). Не случайно, станаха известни няколко крупни обири на компютърна памет, което често се случва със златото. До края на 1996 година цената на паметта падна до $4 на мегабайт, което е десетократно понижаване само в рамките на 1 година, а през 1997 година вече достигнаха стойност 50 цента за мегабайт. Едно голямо повишение на цената на паметта имаше през 1998 година вследствие на договореност между Intel и Rambus, а също така и поради силното земетресение в Тайван, един от най-големите производители на компютърна памет. След това цените постепенно се нормализираха и дори паднаха доста под достигнатото през 1997 година ниво.

Сега компютърната памет е с доста ниска цена, но и полезният й живот стана доста по-малък. С големи темпове се разработват нови видове памет и когато се ъпгрейдва дадена компютърна система, често се оказва, че тя не подържа новите типове памет.

Използваната в съвременните компютърни системи оперативна памет бива статична и динамична. Статичната памет (SRAM) е по-проста по отношение на организацията и е по-бърза. Тя може да работи с честотата на микропроцесора. Като електронни схеми, статичната памет е по-сложна и има повече структурни електронни елементи (транзистори). Затова тя е доста скъпа.


ROM памет

Първоначално повечето ROM памети (чипове) се произвеждаха с предварително установени в тях двоични данни. Тези ROM памети бяха наречени маскови, защото данните се формират в маски, от които с фотолитографски процес се произвеждат кристалите на ROM чипа. Този процес е икономически изгоден за производство на памети с постоянно записани данни, но ако се наложи промяна дори на един единствен бит трябва да се изготвя нов чип.



PROM памет. Това е ROM памет, която се произвежда кат празна (не записани двоични данни). За да стане използваема тя трябва да се програмира с въвеждане на необходимата информация.

Въпреки че се казва, че чиповете са празни, всъщност те предварително са заредени с двоични единици. За да се запълни с валидни данни PROM чипа трябва да се програмира със специално устройство (ROM програматор). Програмирането на PROM чиповете се нарича прогаряне, защото технически то се осъществява чрез прегаряне на определени свързващи жички в схемата. Всяка единица в PROM чипа може да се разглежда като стопяема жичка в схемата на всеки бит. Обикновено PROM схемите работят с 5V напрежение. Когато на определени битове в които трябва да се съдържат нули се подаде еднократно по-високо налягане (12V) стопяемата жичка прегаря и там се записва двоична нула. Тези чипове се наричат еднократно програмируеми, защото записаната информация не може да бъде променяна.



EPROM (Erasable PROM). Това е разновидност на PROM. Основната разлика от PROM паметта е възможността за изтриване на съдържанието на чипа и програмирането му отново. EPROM чипа се разпознава лесно по прозорчето от чист кварцов кристал в корпуса му. Това прозорче е разположено точно над кристала на чипа и самият чип може да се види през него.

Предназначението на прозорчето е през него да се пропуска ултравиолетова светлина. Изтриването на съдържанието на чипа се извършва чрез облъчване с интензивна ултравиолетова светлина. По тази причина прозорчето е направено от кварцов кристал. Обикновеното стъкло не пропуска ултравиолетова светлина, докато кварцовото стъкло я пропуска.

Ултравиолетовата светлина изтрива чипа, като предизвиква химическа реакция, която възстановява стопяемите връзки. По този начин всяка двоична нула се превръща в двоична единица и чипът се възстановява до първоначалното си състояние. За да се разтопи и възстанови стопяемата връзка, мястото трябва да се облъчи с интензивен поток ултравиолетова светлина с дължина на вълната 2.537 ангстрьома от близко разстояние (2-3 см) с продължителност от 5 до 15 минути. Това се извършва със специално устройство.

EEPROM / Флаш ROM памет (Electrically erasable PROM. Този тип памет се характеризират със способността си да се изтриват и препрограмират директно на платката върху която са монтирани. Използвайки такава памет може да се изтрият и препрограмират, намиращите се на дънната платка постоянни програми (BIOS), без да се сваля чипа от дънната платка.

Флаш паметта от известно време започна широко да се използва и като външен носител за съхраняване на информация. Особено приложение тя намира в преносимите компютри и в цифровите камери и фотоапарати. Флаш паметта е тип енергонезависима памет, която се разделя на блокове, а не на байтове. При нея се използва специален процес, познат като тунелен ефект на Фаулър-Нордхейм. С този процес се премахва заряда от управляемия гейт на транзистор формиращ клетките на паметта. Обикновено флаш паметта първо трябва да се изтрие преди да се програмира отново.



Скоростта, изискванията за слаб електрически ток при програмиране, компактният размер и някои други предимства, правят от флаш паметта един много перспективен външен носител на информация. На пазара вече се появиха доста производители, които предоставят CompactFlash устройства, които емулират дискови устройства с доста голяма памет. Обикновено те са проектирани за свързване към USB портове и са много удобни за временно съхраняване и пренасяне на информация.
Каталог: Phys Comp Scien
Phys Comp Scien -> Лекция 2 Математически и логически основи на компютърните системи
Phys Comp Scien -> Лекция 10 Операционна система Windows Развитие на операционна система Windows
Phys Comp Scien -> Лекция 8 Програмно осигуряване на компютърните системи
Phys Comp Scien -> Външни запомнящи устройства с магнитен носител
Phys Comp Scien -> Лекция 7 Периферни устройства
Phys Comp Scien -> 1 Директен достъп до паметта (dma – Direct Memory Access)
Phys Comp Scien -> Лекция 4 компютърна архитектура
Phys Comp Scien -> Лекция 3 Логически основи на еим. Логически електронни схеми Логически основи на еим
Phys Comp Scien -> Конспект По „Въведение в компютърните науки” Специалност Физика


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница