2.1 Процессор и память
Процессор и память – важные компоненты, которые позволяют компьютеру обрабатывать команды. Процессор выполняет команды, даваемые компьютеру. Эти команды сохраняются в памяти компьютера. В этом разделе вы изучите выполнение команд процессором и различные виды памяти в компьютере.
|
Последовательность чтения:
Предупреждение: В Parsons/Oja, Глава 2 – разделе B под READ-ONLY MEMORY, текст читается как "команды в ROM постоянны и единственный способ их изменить, – это заменить чип ROM". Эта информация больше не действительна, потому что современные чипы ROM – EEPROM (Электрически стираемая программируемая память только для чтения). EEPROM позволяет пользователю обновлять информацию, содержащуюся на чипе, используя электрический процесс, в тоже время, поддерживая его энергонезависимое состояние.
|
2.1.1 Процессор. Основы.
-
Процессор
-
Выполнение ЦПУ инструкций
-
Быстродействие: факторы и оценки
-
Типы процессоров
Процессор
Процессор компьютера, обычно именуется микропроцессором из-за его размера, который примерно соответствует размеру ногтя. (см. также http://ru.wikipedia.org/wiki/Процессор)
Рисунок 1. Микропроцессорный чип
Процессор обрабатывает все команды, даваемые компьютеру (например, сложить два числа, выполнить программные команды или печатать документы). Физически, процессор – отдельный чип, известный как интегральная микросхема (IC). Каждый чип делается из кремния и содержит миллионы упакованных на нем транзисторов.
Процессор Intel Pentium, произведенный 12 марта, 2003, имеет 77 миллионов транзисторов, и толщина самой маленькой линии на чипе составляет 0.13 микрона, или 0.00000013 метра. (Для спавки: 0.13 микрона составляет около 1/800 ширины человеческого волоса. Подробнее о процессорах Intel см. http://ru.wikipedia.org/wiki/список_микропроцессоров_Intel )
Процессор обычно называется Центральным Процессором (Central Processor Unit – CPU). Работа процессора – выполнять серии машинных команд. Эти команды – инструкции для выполнения задач, записанные в форме, понятной компьютеру.
Выполнение команд CPU
Команды сохраняются в памяти компьютера (RAM – random access memory), о которой будет рассказано в разделе 2.1.2 Типы памяти.
Есть два основных компонента CPU. Один – устройство управления, которое обращается к командам, сохраненным в оперативной памяти, интерпретирует их, а затем пересылает. Другой – АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО) (ALU), которое выполняет арифметические операции (сложение, вычитание, умножение, деление) и логические операции (больше чем, меньше чем, равно), необходимые для обработки команд.
Четыре шага, которые делает CPU, выполняя команду; называются циклом выборки-выполнения. Вот эти шаги:
1. Выборка – Устройство управления получает команду из памяти.
2. Интерпретация – устройство управления декодирует команду и направляет необходимые данные от памяти к арифметико-логическому устройству (ALU).
3. Выполнение – устройство управления дает команду ALU на выполнение необходимых арифметических или логических операций.
4. Сохранение – результат вычисления сохраняется в памяти.
Рисунок внизу показывает шаги, которые делает CPU для выполнения команды сложения двух чисел. Эта команда: Let R = X + Y.
Рисунок 2. Цикл выборки-выполнения
Другой компонент процессора – кэш, – специальная высокоскоростная память, которая запоминает данные, используемые чаще всего, чтобы повысить скорость выполнения команд. Кэш может повышать скорость выборки данных, потому что недавно использованные данные, снова могут быть использованы компьютером.
Уровень 1 (L1) память кэша или основная память кэша размещается на CPU, чтобы обеспечить самый быстрый доступ CPU к данным. Есть также более медленный кэш, кэш-память уровня 2 (L2) или вторичный кэш, расположенный между RAM и CPU (иногда на CPU). Если данные не найдены в обоих кэшах, они будут выбраны из оперативной памяти. Отметим, что данные быстрее выбираются из кэша L1, чем из кэша L2, который, в свою очередь, работает быстрее, чем оперативная память.
Рисунок ниже иллюстрирует, как части процессора согласуются с другими компонентами компьютера.
Рисунок 3. Вид процессора
Быстродействие: факторы и оценки
Скорость обработки команд контролируется внутренним тактовым генератором тактовых импульсов, известным как системные часы. Генератор посылает импульсы фиксированной периодичности, чтобы синхронизировать все компьютерные операции. Единица измерения циклов в секунду – герц (Hz). Один герц означает один цикл в секунду, один килогерц (kHz – kilohertz) – одна тысяча циклов в секунду, один мегагерц (MHz) – один миллион циклов в секунду, один гигагагерц (GHz) – один миллиард циклов в секунду. Циклы компьютерных часов тесно связаны с выполнением команд. Так, машина 3 GHz Pentium IV может выполнять больше команд в секунду, чем 2 GHz Pentium IV. Чем больше число герц, тем выше скорость выполнения команд процессором.
Так как процессоры стали быстрее, и емкость запоминающих устройств возросла, то стало возможным выполнять больше задач, чем ранее. Например, моментальная проверка орфографии может производиться непосредственно при наборе пользователем слов, тогда как некоторое время назад это было невозможно. Из-за ограниченных ресурсов предыдущие процессоры не могли позволить пользователю одновременно набирать текст и проверять правописание.
Цикл выборки-выполнения не обязательно жестко соответствует выполнению фиксированного числа команд. Иногда требуется два или более циклов для выполнения команды. И современные компьютеры иногда выполняют много команд в одном цикле. Поэтому, число выполненных команд не зависит от числа использованных циклов. Иногда, вместо тактовой частоты, машины сравниваются числом команд в секунду (IPS); это значение зависит как от количества операций в секунду, так и от того, какой вид смешивания команд (набора команд) выполняется. Машина, быстрая в финансовых вычислениях, возможно, не будет столь же быстра в графическом приложении, так как набор команд у нее будет другим.
Команды могут очень сильно отличаться. Некоторые сложные команды требуют множество циклов и занимают сравнительно много времени для выполнения. Другие команды могут быть очень простыми и занимают мало времени. Например, операция деления длится дольше, чем операция сложения. Хотя IPS – не лучший метод сравнения, он может быть полезен в сравнении похожих чипов.
Другой критерий сравнения работы компьютера – пропускная способность, – объем данных, который может передаваться в пределах определенного количества времени между компонентами компьютерной системы (скорость передачи от диска к системной плате) или через соединения с другими компьютерами. Пропускная способность выражается в битах в секунду (bps) или иногда в байтах в секунду (Bps) (напомним, что 8 битов равняются 1 байту).
Различные машины, однако, можно сравнить, выполняя стандартный набор команд с тщательным измерением и записью времени выполнения. Более точный способ измерить работу машины, –benchmarking, сравнивающий неравноправные системы или компоненты посредством стандартного набора команд или серии задач. Эталонное тестирование (benchmarking) может проверить что-либо от процессора до выполнения офисных приложений. При сравнении оценивается время, необходимое для выполнения команд. Например, в Intel тестировали свой процессор Pentium III при работе процессора над различными задачами. Также поступали и Advanced Micro Devices с их процессорами. Вы можете посмотреть различные benchmark results, (результаты эталонного тестирования) при сравнении процессоров AMD и Intel.
Вообще, хорошо знать, какие эталонные тесты использованы при оценке. Например, эталонный тест, который проверяет скорость графики, может быть неуместен, если используемые графические приложения отличны от тех, которые использовались при тестировании. Важно убедиться, что сравнения или требования основаны на одних эталонных тестах. Особенно ценны беспристрастные результаты эталонного тестирования независимыми организациями.
Типы процессоров
Intel – широко известный разработчик процессоров. Процессоры, производимые Intel, стали чрезвычайно популярными в персональном компьютере (PC) IBM, произведенном в 1981. IBM PC использовал процессоры семейства x86 от Intel и операционную систему (MS-DOS), предоставив Intel и Microsoft долю рынка на раннем этапе и увеличив признание продукции. Развитие процессоров Intel PC, с несколькими вариациями, продвинулась от 8086-го, через 80286-ой (или просто – 286, 80 часто пропускается), к 386-му и 486-му. 586 был переименован в Pentium по причинам легализации и маркетинга. Среди семейства Pentium – есть Pentium Pro, Celeron, и Pentium II, III, IV, М., и Xeon. Читать о истории процессоров Intel. Узнать о последних процессорах Intel.
Такие компании как Advanced Micro Devices (AMD) сейчас продают на рынке чипы процессора, совместимые с семейством Pentium. Эти чипы, под названием "Клоны (имитации Pentium)", обычно менее дорогие и иногда даже быстрее, чем продукция Intel. Продолжается борьба среди изготовителей чипов, чтобы обеспечить самые быстрые процессоры при самой низкой стоимости. Хотя Intel сохраняет большинство доли рынка для процессоров Pentium, чипы других продавцов находят широкое применение, особенно в менее дорогих системах, спроектированных для домашнего использования. Читать о процессорах AMD.
Другая широко применяемая архитектура процессора – PowerPC, используемая в семействе компьютеров Macintosh. PowerPC был основан на архитектуре IBM, а затем изменен Motorola и Apple. Серверы базы данных, хранящие большие количества данных, иногда проектируются с помощью семейства процессоров SPARC, созданных Sun Microsystems. Для устройств небольших размеров есть много специализированных семейств чипов процессоров, созданных для встроенных приложений, например в автомобилях или сотовых телефонах. Сотовый телефон – фактически сравнительно мощный компьютер с радиопередатчиком, как основным внешним устройством. Если вас заинтересовало, вы можете узнать о том, как работает сотовый телефон.
Вот также некоторые Веб-узлы, которые сравнивают характеристики CPU и цены на CPU. Если вы встречаете незнакомые термины, есть справочные ресурсы, например Geek.com или Webopedia. Сравнивая процессоры, имейте в виду, что некоторые процессоры с пометками "mobile" или "-M" в его имени указывают, что они могут использоваться для портативных компьютеров. Например, AMD Mobile Duron и Mobile Athlon XP – для портативных компьютеров (лаптопов). Процессоры для лаптопов, в общем, имеют меньшую скорость обработки для снижения энергопотребления и увеличения продолжительности жизни батареи. Intel "mobile" или "-M" процессоры для лаптопов и процессоры Transmeta (в настоящее время практически не используются) – в основном для лаптопов.