Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

KT-p22

.pdf
Скачиваний:
13
Добавлен:
30.05.2015
Размер:
830.32 Кб
Скачать

ключение устройств Bluetooth к службам,предоставляемым другими устройствами.

Учитывая открытость сети, в интерфейсе Bluetooth уделено определенное внимание технологии защиты передаваемых данных. Основой системы безопасности интерфейса Bluetooth является сеансовый ключ (Bond). Сеансовый ключ генерируется в процессе соединения двух устройств и используется для идентификации и шифрования передаваемых данных. Для генерации ключа применяются самые различные параметры,от заранее известных обоим устройствам значений,до физических адресов устройств. Комбинируя защиту на уровне соединения с защитой на уровне приложений,можно получить защищенные соединения с достаточной стойкостью.

1.1.4. Другие компоненты системной платы

1.1.4. Разъем процессора

Специализированное гнездо под микросхему процессора появилось с процессоров семейства Intel 80486. До этого процессор впаивался в системную плату как обычная микросхема без возможности замены. На системной плате может располагаться один или более разъемов или гнезд для поддержания процессора. Тип гнезда определяет тип процессора, который может использоваться системной платой.

Стандарты на процессорные гнезда и разъемы были определены фирмой Intel. Большинство процессоров, используют квадратное гнездо

(Socket) под процессор,где использовалась технология ZIF (Zero Insertion Force - установка с нулевым усилием вставки). С появлением процессора Pentium II вместо квадратного гнезда используется разъем (Slot) под процессорный картридж (его необходимость обуславливалась размещением кэш-памяти второго уровня на плате процессора). Большого распространения процессорные разъемы не получили,так как с появлением Pentium III произошел возврат к традиционному квадратному гнезду (кэш память второго уровня удалось интегрировать в сам кристалл процессора). Информация о процессорных разъемах приведена в приложении 1.

Количество выводов микросхемы процессора,и,соответсвенно,процессорного разъема определяется размером шин адреса,данных,питания и служебной шины процессора.

Шина данных. Чем больше разрядность данных,тем выше производительность компьютера. Для передачи данных в современных процессорах используют отдельную магистраль - шину данных. Это параллельная шина, то есть каждый разряд данных передается по отдельной линии. Чем выше

разрядность шины,тем больше линий. Шина данных в процессоре i286 была 16-разрядной,в процессоре i386 разрядность шины данных увеличена до

31

32. Начиная с процессора Pentium и до нынешнего Pentium 4 используется 64-разрядная шина, хотя исполнительные устройства ядра остаются при этом 32-разрядными.

Шина адреса. Чем выше разрядность адресной шины,тем большее число ячеек памяти можно использовать для хранения данных,тем больше адресуемая память вычислительной системы. Шина адреса в процессоре i286 была 24-разрядной,что позволяло адресовать 16 Мбайт физической памяти. i386, i486 и Pentium имели адресную шину шириной 32 бит и адресовали 4 Гбайт физической памяти. Шина адреса также является параллельной,то есть увеличение ее разрядности влечет увеличение числа адресных выводов процессора. Так,в процессоре Pentium III адресная шина насчитывает 36 разрядов,что позволило расширить адресуемую память до 64 Гбайт,а на разъеме прибавилось четыре вывода.

Служебная шина. Третья группа сигналов,необходимая процессору для работы, относится к служебным. С их помощью чипсет и процессор обмениваются командами и запросами, по служебной шине осуществляется тактирование и синхронизация процессора,управление напряжением питания.

Число сигналов управления и, соответственно, количество выводов разъема,необходимое для обмена служебными сигналами,зависит от ар­ хитектуры процессора и чипсета, количества поддерживаемых команд и инструкций. С усложнением архитектуры число служебных линий и сигналов управления увеличивается. Так,процессор i286 имел 18 выводов служебной

шины,а процессор Pentium - уже 83.

 

Шина питания.

Тип разъема

 

Для питания каждого элемента процессора (не-

сколько десятков-сотен

памяти

Питание, В

миллионов) неоходимо подать ток.

Существует

мнемоническое правило для расчета минимального числа выводов питания

микросхем: «один ампер на один вывод». Однако в такой микросхеме,

SIMM-30,

как процессор,действует еще целый ряд факторов,ведущих к росту числа

SIPP

выводов питания: многослойная архитектура кристалла,борьба с наводками и прочие. Поэтому применительно к современным процессорам можно сформулировать правило: «четыре вывода питанияSIMMна один-72 ампер». Выводы питания называются Vcc (плюс питания), Vss (земля) и VTT (терминаторы). Так, в разъеме Socket 775 выводов Vcc - 226 штук,выводов VTT - 24, выводов Vss

- 273.

Разъемы под модули памяти

Для установки оперативной памяти на системной плате ПК имеется некоторое количество специальных разъемов. Технология модульности памяти стала использоваться с систмных плат 2-го поколения. Такая потребность возникла по нескольким причинам: возможность наращивания, простота установки,уменьшения,площадки под память на системной плате.

Количество разъемов определяет максимальный объем оперативной

32

памяти,который можно установить на данную модель системной платы (описывается в руководстве). Некоторые модели системных плат переходного периода оснащались разъемами под разные модули памяти (устаревающие и перспективные).

Слоты расширения

Почти половину площади материнской платы занимают слоты (разъемы) расширения. Именно в них вставляются дополнительные устройства, такие как видеокарты, звуковые карты, различные адаптеры, внутренние модемы и т.п.

Блок регуляторов напряжения

Данный элемент платы (точнее, несколько элементов) формирует уровни напряжения,которые не вырабатывает блок питания (+3.3, +5, +12,-5, -12 В). Для многих сложных электронных устройств снижение питание - это возможность повышения частоты с приемлимым теплоотделением,например, центральный процессор,оперативная память,шина AGP и некоторые другие

(0.8-3 В).

Генератор частоты

Генератор формирует набор частот для всех компонентов системной платы - процессора, внутренней памяти, синхронных шин, портов вводавывода и других компонентов частота работы которых синхонизируется системной платой.

1.2. Центральный процессор (CPU)

Центральный процессор (CPU) - процессор вычислительной системы, который выполняет основные операции по обработке информации и управляет работой других (вспомогательных) процессоров.

1.2.1. Основные понятия

Центральный процессор является сложным микроэлектронным устройством, в структуре которого можно выделить следующие основные модули: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), блок управления, регистры общего и специального назначения,кэш-память,дополнительные

компоненты для повышения производительности.

Степень интеграции

Степень интеграции микросхемы (чипа) показывает,сколько посадочных мест (транзисторов) распологается на единице площади в кристалле.

Разрядность процессора

33

Разрядность процессора показывает какое количество бит информации прцессор может обрабатывать одновременно. Современные процессоры имеют 64 разрядную архитектуру,более старые модели - 4, 8, 16 или 32 разряда.

Тактовая частота

Тактовая частота процессора - основная характеристика быстродействия центрального процессора,она определяеткак быстро происходитсмена состояний в исполнительных и других устройствах. По тактовой частоте происходит синхронизация всех действий внутри процессора.

Адресация памяти

CPU находится в прямом контакте с оперативной памятью ПК. Данные, которые обрабатывает CPU, должны временно располагаться в оперативной памяти и для дальнейшей обработки снова могут быть востребованы из памяти. Эта характеристика определяетмаксимальный объем памяти с которым может работать процессор (определяется размером шины адреса).

Архитектура процессора

Микропроцессор представляет собой сложное электронное устройство для выполнения различных операций. Любой процессор поддерживает определенный набор команд,которые может исполнять,и содержит набор внутренних ячеек памяти,регистров,с которыми может работать гораздо быстрее,чем с внешней памятью. Различают несколько типов архитектуры микропроцессоров - CISC, RISC, MISC, VLIW.

Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд

(CISC - Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel

с архитектурой x86. Эта архитектура является практическим стандартом для процессоров микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд,некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

В свою очередь, RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer) означает ограниченный набор команд и большое число внутренних регистров. В этой архитектуре команды обработки обрабатываются отдельно от команд работы с памятью,и делается упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом,

чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика вы-

34

полнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную,а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата.

Первый процессор RISC был создан корпорацией IBM в 1979 г. и имел шифр IBM 801. В настоящее время процессоры RISC получили широкое распространение. Современные процессоры RISC характеризуются следующим:

-упрошенный набор команд,имеющих одинаковую длину;

-большинство команд выполняются за один такт процессора;

-отсутствуют макрокоманды, усложняющие структуру процессора и уменьшающие скорость его работы;

-взаимодействие с оперативной памятью ограничивается операциями пересылки данных;

-резко уменьшено число способов адресации памяти (не используется косвенная адресация);

-используется конвейер команд,позволяющий обрабатывать несколько из них одновременно;

-применяется высокоскоростная память.

Новый подход к архитектуре процессора значительно сократил площадь,требуемую для него на кристалле интегральной схемы. Это позволило резко увеличить число регистров. В современном процессоре RISC уже используется более 100 регистров. В результате процессор на 20-30 % реже обращается к оперативной памяти,что также повысило скорость

обработки данных. Упростилась топология процессора, выполняемого в виде одной интегральной схемы, сократились сроки ее разработки, она стала дешевле.

Начиная с процессора Pentium корпорация Intel начала внедрять элементы RISC-технологий в свои изделия - внутренний уровень процессора исполнял RISC-инструкции,внешнее CISC.

VLIW processor – процессор,работающий с системой команд сверхбольшой разрядности.

Идея технологии VLIW заключается в том,что создается специальный компилятор планирования, который перед выполнением прикладной программы проводит ее анализ,и по множеству ветвей последовательности операций определяет группу команд, которые могут выполняться параллельно. Каждая такая группа образует одну сверхдлинную команду. Это позволяет решать две важные задачи. Во-первых,в течение одного такта выполнять группу коротких («обычных») команд. И, во-вторых, упростить структуру процессора. Этим технология VLIW отличается от суперскалярнос-

ти. В последнем случае отбор групп одновременно выполняемых команд происходит непосредственно в ходе выполнения прикладной программы (а

35

не заранее). Из-за чего усложняется структура процессора и замедляется скорость его работы.

MISC processor – процессор с минимальным набором длинных команд. Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно слово (связку,bound) размером 128 бит. Оперируя с одним словом,процессор получил возможность обрабатывать сразу несколько команд. Это позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность обрабатывать одновременно несколько потоков данных.

Процессор MISC, как и процессор RISC, характеризуется небольшим набором чаще всего встречающихся команд. Вместе с этим принцип команд VLIW обеспечивает выполнение группы команд за один цикл работы процессора. Порядок выполнения команд распределяется таким образом, чтобы в максимальной степени загрузить маршруты,по которым проходят потоки данных. Таким образом,архитектура MISC объединила вместе суперскалярную (многопоточную) и VLIW концепции. Компоненты процессора просты и работают с высокими скоростями.

Векторный процессор обеспечивает параллельное выполнение операции над массивами данных,векторами. Он характеризуется специальной архитектурой, построенной на группе параллельно работающих процессорных элементов. Векторная обработка увеличивает производительность процессора за счет того,что обработка целого набора данных (вектора) производится одной командой. Векторные компьютеры манипулируют массивами сходных данных подобно тому,как скалярные машины обрабатывают

отдельные элементы таких массивов. В этом случае каждый элемент вектора надо рассматривать как отдельный элемент потока данных. При работе в векторном режиме векторные процессоры обрабатываютданные практически параллельно,что делает их в несколько разболее быстрыми,чем при работе в скалярном режиме. Максимальная скорость передачи данных в векторном формате может составлять 64 Гбайт/с,что на два порядка быстрее,чем в скалярных машинах.

В настоящее время созданы однокристальные векторно-конвейерные процессоры,такие,как SX-6. Основными компонентами микропроцессора являются скалярный процессор и восемь идентичных векторных устройств, суммарная производительность которых составляет 64 Гфлопс. Примерами систем подобного типа являются, например, процессоры фирм NEC и Hitachi.

Матричный процессор имеет архитектуру,рассчитанную на обра­ ботку числовых массивов. Архитектура процессора включает в себя матрицу процессорных элементов, например 64 х 64, работающих одновременно.

Постпроцессор предназначен для реализации некоторых специальных функций,например управления базой данных.

36

Расширение набора команд

Режим работы

Реальный режим. Реальный режим (Real Mode) соответствует возможностям CPU 8086/8088, позволяя адресовать не более 1 Мбайт памяти. В реальный режим процессор переключается после аппаратного сброса или после включения питания компьютера.

Чтобы поддержать совместимость с ранее разработанными программами, все процессоры начиная с i80286 и кончая последними моделями Pentium могут работать под управлением операционной системы MS DOS в реальном режиме и используют при этом минимальные возможности процессора.

Защищенный режим. Защищенный режим (Protected Mode) появился впервые в CPU 80286. В этом режиме CPU может адресовать до 16 Мбайт физической и до 1 Гбайта виртуальной памяти. Если физическая память полностью загружена, то “непоместившиеся” данные располагаются на жестком диске. Таким образом,CPU работает не с реальными,а с виртуальными адресами,которые управляются через специальные таблицы, с тем чтобы информацию можно было найти (или снова записать). Такую память называют виртуальной памятью.

Кроме расширения адресного пространства,новый метод адресации памяти позволяет изолировать адресные пространства отдельных задач друг от друга. При этом прикладная программа,работающая в среде операци-

онной системы,использующей защищённый режим,не может случайно или намеренно разрушить целостность самой операционной системы.

Кроме того,в защищенном режиме возможна поддержка мультизадачного режима (Multitasking). При этом CPU может выполнять различные программы в выделенные кванты времени,выпадающие на каждую изпрограмм (пользователю же кажется,что программы выполняются одновременно).

Взащищённом режиме программа может записывать данные только

вте области памяти,которые выделены ей операционной системой. Это повышает надёжность работы мультизадачных и мультипользовательских операционных систем. В последнем случае изолирование адресных пространств задач,принадлежащих отдельным пользователям,в хорошо спроектированной мультипользовательской операционной системе полностью исключает

такую ситуацию,когда после запуска одним пользователем недостаточно отлаженной программы приходится перезапускать всю систему.

Виртуальный режим. Впервые,начиная с процессора 386, CPU могут

эмулировать работу нескольких процессоров 8086 (максимум 256) и тем самым обеспечить многопользовательский режим таким образом, что на одном ПК могут быть запушены одновременно даже различные операционные системы.

Этот режим реализуется в рамках защищённого режима (процессор

37

может переключиться в виртуальный режим только из защищённого режима). В виртуальном режиме процессор способен выполнять программы, составленные для процессора i8086, находясь в защищённом режиме и используя аппаратные средства защищённого режима: мультизадачность, изолирование адресных пространств отдельных задач друг от друга,страничная виртуальная память.

1.2.2. Принципы построения и работы процессора

Процессор выполняетпрограмму,которая хранится в памяти. Программа представляет собой набор команд (инструкций) и данных. Последовательно считывая команды,процессор выполняет соответствующие действия. Каждая команда представлена несколькими байтами,причем длина ее не фиксирована и может составлять от 1 до 15 байт.

Впроцессоре можно выделить следующие основные части:

-блок целочисленных вычислений;

-блок вычислений с плавающей точкой;

-регистры;

-декодер инструкций;

-кэш-память (обычно несколько уровней);

-блок предсказания ветвлений;

-интерфейс шины;

-блок управления памятью.

Основная задача процессора - выполнять программу и делать это как можно быстрее. Самое простое решение - повышение тактовой частоты.

Конвейер. Прежде чем выполнить команду, процессор должен 1) прочитать из памяти часть программы; 2) определить длину инструкции; 3) определить адрес ячейки памяти,если она используется в данной команде; 4) выполнить команду; 5) сохранить результат. Как в любом конвейерном производстве,вся последовательность действий разбивается на этапы: выборка, декодирование,определение адреса,выполнение и сохранение. Как только очередная инструкция переходит на следующий этап,начинает выполняться новая. Такая технология обработки команд носит название конвейерной (pipeline) обработки. Каждая часть устройства называется ступенью конвейера,а общее число ступеней — длиной линии конвейера.

С ростом числа линий конвейера и увеличением числа ступеней / на

линии увеличивается пропускная способность процессора при неизменной тактовой частоте. Процессоры с несколькими линиями конвейера получили название суперскалярных. Pentium - первый суперскалярный процессор Intel. Здесь две линии,что позволяет ему при одинаковых частотах быть вдвое производительней i80486, выполняя сразу две инструкции за такт.

Во многих вычислительных системах,наряду с конвейером команд, используются конвейеры данных. Сочетание этих двух конвейеров дает

38

возможность достичь очень высокой производительности на определенных классах задач,особенно если используется несколько различных конвейерных процессоров,способных работать одновременно и независимо друг от друга.

Одной из наиболее высокопроизводительных вычислительных конвейерных систем считается CRAY. В этой системе конвейерный принцип обработки используется в максимальной степени. Имеется как конвейер команд,так и конвейер арифметических и логических операций. В системе широко применяется совмещенная обработка информации несколькими устройствами. Максимальная пиковая производительность процессора может составлять 12 Гфлопс.

Внеочередное исполнение. С введением второго конвейера возникла проблема «зависимости данных». Если последующая инструкция выполняется быстрее,чем предыдущая в параллельном конвейере,то она может закончиться раньше,нарушив очередность выполнения. Тем не менее в некоторых процессорах возможно внеочередное выполнение инструкций. При этом результат заносится в буфер,из которого данные выходят уже в порядке очередности.

Снятие зависимости данных. Возможны ситуации,когда выполнение очередной команды зависит от результата предыдущей. В этом случае выполнение такой команды останавливается до тех пор,пока не будет получен требуемый результат,что снижает общую производительность. Различают два типа зависимостей:

а) запись после чтения: первая команда читает данные из регистра или

памяти,вторая - пишет в этот же регистр или ячейку памяти. Очевидно, что,прежде чем производить запись,необходимо дождаться,пока будет выполнено чтение;

б) чтение после записи: обратная ситуация,когда до операции чтения необходимо дождаться выполнения записи.

Существует несколько методов уменьшения влияния зависимости данных на производительность. Это переименование регистров (register renaming), одновременное использование одних данных в обоих конвейерах (data forwarding) и запоминание промежуточных результатов для дальнейшего использования (data bypassing). Сразу отметим,что данные методы реализованы в разных процессорах по-разному,а в некоторых не применены совсем.

Переименование регистров. Хотя архитектурой х86 предусмотрено всего 16 регистров общего назначения,процессор может содержать гораздо больше внутренних регистров (128 и более) и при необходимости ассоциировать их с тем или иным регистром общего назначения. Такой

подход позволяет снять зависимость первого типа.

Одновременное использование данных и сохранение промежу-

39

точных результатов. Полное снятие зависимости второго типа невозможно, можно только уменьшить «простаивание» второго конвейера. Первый метод - одновременное использование данных (data forwarding). Например,если

первая инструкция выполняет какую-либо операцию,читая данные из памяти или регистра,а вторая использует эти данные,то процессор выполняет операцию чтения и результат посылает одновременно на . оба конвейера (operand forwarding). Возможна и другая ситуация: первая инструкция выполняет операцию,результат которой записывается память или регистр,после чего результат используется второй командой также для записи куда-либо. В этом случае полученный результат используется одновременно в двух

конвейерах (result forwarding). Кроме этих методов снятия зависимости данных, существует еще один -запоминание промежуточного результата для дальнейшего использования (data bypassing). Если первая инструкция сохраняет результат в памяти,а вторая использует эту же ячейку памяти,то результат передается сразу на второй конвейер, что позволяет избежать операции чтения из памяти. Таким образом,путем комбинации описанных выше методов при возникновении зависимости данных вынужденное простаивание конвейера можно свести к минимуму.

Контроль ветвлений программы. Если в программе встречается условный или безусловный переход,то после декодирования инструкции перехода и получения адреса процессор начинает считывать данные с нового адреса. Ясно,что до получения этого адреса конвейер простаивает. Подобная ситуация происходитдостаточно часто,поэтому для снижения «негативных» последствий ветвлений программы все переходы,встречающиеся в

программе,запоминаются в специальном буфере адресов переходов (branch target buffer). При выполнении инструкции перехода процессор проверяет наличие адреса в буфере и начинает чтение программы с этого адреса. В случае безусловного перехода создается таблица «истории» переходов, исходя из которой процессор решает,будет произведен переход или нет, и начинает выполнение инструкций с предсказанного адреса - так называемое опережающее исполнение (speculative execution). Понятно,что если адрес предсказан неправильно,то все выполнение прекращается,конвейер очищается и начинается исполнение с правильного адреса. Поэтому весьма важно,чтобы вероятность правильного прогноза была наиболее высокой.

Всовременных процессорах она лежит в пределах 80-97%.

1.2.3.Производители процессоров

Intel

В 1968 году сотрудники Fairchild Semiconductor: менеджер Боб Нойс (изобретатель интегральной микросхемы в 1959 году), Гордон Мур,возглавлявший научные исследования и конструкторские разработки и специалист в области химических технологий Энди Гроув при финансовой поддержке

40

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]