Основные направления развития архитектуры микропроцессоров

В настоящее время для повышения производительности процессоров используются следующие направления: многоядерность, многонитевая архитектура, вычисления с явным параллелизмом в командах.

Многоядерность. На одном кристалле создаются несколько микропроцессоров их работа организуeтся по принципу мультипроцессорных систем. При этом производительность растет, сохраняя в приемлемых границах энергопотребление и тепловыделение. Многоядерные процессоры эффективно работают, решая мультимедийные задачи (видео, компьютерные игры и др.).

Многонитевая архитектура базируется на том, что одна задача не в состоянии полностью загрузить все ресурсы процессора. Поэтому на одном процессоре осуществляется запуск нескольких задач одновременно, при этом распараллеливание программ осуществляется аппаратными средствами МП.

Вычисления с явным параллелизмом в командах использует технологию очень длинного командного слова. Распараллеливание алгоритма между исполнительными модулями производится компилятором на этапе создания машинного кода, когда команды объединяются в связки и не конкурируют между собой за ресурсы микропроцессора. При этом упрощается блок управления на кристалле.

 

2.7.2. Память компьютера. Оперативное запоминающее устройство.

Память компьютера подразделяется на внутреннюю и внешнюю.

К внутренней памяти относят оперативная память (ОЗУ), кэш-память и специальную память. К внешней памяти компьютера относят накопители на жёстких магнитных дисках, накопители на компакт-дисках и д.р. Основные параметры, характеризующие любую память это объем, энергозависимость и скорость обмена.

Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или RAM (Random Access Memory) – памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаясь к ней по её номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняются одному байту. Информация в ОЗУ сохраняется всё время, пока на схемы памяти подаётся питание, то есть она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ или DRAM (Dynamic RAM) и статическое ОЗУ или SRAM (Static RAM). Один двоичный разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе, разряжение конденсаторов компенсируется, периодическими циклами регенерации (подзарядки), что тоже требует времени. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического ОЗУ, двоичный разряд которого представляет собой триггер на четырёх или шести транзисторах, через который ток либо течет, либо не течет, регенерация ему не требуется. Однако из-за большего числа элементов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Например, современные СБИС динамических ОЗУ способны хранить 256 – 1024 Мбайт информации, а схемы статических ОЗУ только 256 – 512 Кбайт. Кроме этого статические ОЗУ более энергоёмки и значительно дороже. Обычно, в качестве оперативной или видео памяти используется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В кэш память из динамической памяти заносятся команды и данные, которые процессор будет выполнять в данный момент.

Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения её производительности. Одним из способов увеличения быстродействия динамического ОЗУ является размещение в одном корпусе микросхемы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов. Байт с нулевым адресом находится в первом модуле, байт с первым адресом находится во втором модуле, байт со вторым адресом находится в первом модуле и т.д. Поскольку, обращение к памяти состоит из нескольких этапов: установка адреса, выбор ячейки, чтение, восстановление, то эти этапы можно совместить во времени для разных модулей. Другим способом увеличения быстродействия является чтение из памяти содержимого ячейки с заданным адресом и нескольких ячеек, расположенных рядом. Они сохраняются в специальных регистрах защёлках. Если следующий адрес указывает на одну из уже считанных ячейках, то её содержимое читается из защёлки.

 

Конструктивно оперативная память выполняется в виде модулей памяти - сменных плат с микросхемами памяти, т.е. память может наращиваться или модернизироваться.

Рис 2.10. Модули памяти SIMM вверху и DIMM внизу.

Модули могут иметь один ряд контактов SIMM (устаревшая) и два DIMM

В настоящее время наиболее широкое распространение имеют модули DDR-2 SDRAM (double-data-rate two synchronous dynamic random access memory) — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных, второе поколение.

В многоядерных архитектурах применяются модули DDR-3 SDRAM.

Несмотря на разработку новых типов схем динамических ОЗУ, снижающую время обращения к ним, это время все ещё остаётся значительным и сдерживает дальнейшее увеличение производительности процессора. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта память называется кэш-памятью (от английского Cache – запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ и сравнимо со скоростью работы самого процессора.

Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратиться к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем, в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объём порядка 32-128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объём порядка 256 Кбайт – 2 Мбайта. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, её объём может составлять 16 - 1000 Мбайт.

Управление записью и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически под управлением контроллера. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных, устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно, во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ как тестирование и начальной загрузки компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, то есть сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Постоянные запоминающие устройства можно разделить, по способу записи в них информации, на следующие категории:

- ПЗУ, программируемые однократно. Такие ПЗУ программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию.

- Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). ППЗУ позволяют перепрограммировать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ информации осуществляется или засветкой полупроводникового кристалла ультрафиолетовым излучением, или электрическим сигналом, повышенной мощности.

 

Память.

Подразделяется на внутреннюю и внешнюю.

В состав внутренней памяти входят оперативная память (ОЗУ), кэш-память и специальная память.

В состав внешней памяти компьютера входят: накопители на жёстких магнитных дисках; накопители на гибких магнитных дисках; накопители на компакт-дисках и д.р.

Внутреняя память.

Оперативная память.

ОЗУ или английское RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом. Это быстрое запоминающее устройство непосредственно связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Информация в ОЗУ сохраняется всё время, пока на схемы памяти подаётся питание, то есть она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ или DRAM (Dynamic RAM) и статическое ОЗУ или SRAM (Static RAM).

Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе. Периодически (»100 раз в сек) требуется подзаряжать конденсаторы – циклы регенерации. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на четырёх или шести транзисторах.

DRAM – простое, дешевое, поэтому более емкое. SRAM быстрое, энергоёмкое, дорогое. Современные СБИС динамических ОЗУ способны хранить 256 – 1024 Мбайт информации, а схемы статических ОЗУ только 256 – 512 Кбайт.

Обычно, в качестве оперативной или видео памяти используется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей кэш памяти. 2.7.3. Внутренние шины передачи информации.

Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина, как уже было сказано, делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется шириной – числом параллельных проводников для передачи информации. Другим важным параметром шины является тактовая частота шины – это частота, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать. Если ширина шины адреса равна n, то количество адресуемой памяти равно 2 ⁿ.

Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и её ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32-64.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Её ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом её работы или, как говорят, протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора (рис. 2.8.) или отдельным контроллером шины (рис. 2.5.).

Приведём примерный протокол работы системной шины. Первый такт работы шины инициируется процессором, когда ему требуется произвести обмен информации с каким-либо устройством. Процессор выставляет на шину адреса адрес порта внешнего устройства или ячейки памяти и устанавливает управляющие сигналы, показывающие какой тип обмена и с каким устройством или памятью, он собирается произвести. На втором такте работы процессор ожидает от устройства сигнала о его готовности к приёму или передаче информации. Второй такт может повторяться бесконечное число раз, пока не будет получен сигнал о готовности устройства. На третьем такте процессор выставляет на шину данных передаваемую информацию при записи, или открывает шину данных для приёма информации. На четвёртом такте происходит обмен информацией и работа протокола передачи заканчивается.

Несмотря на то, что производители компьютеров постоянно предлагают новые варианты протоколов работы общих шин, которые обеспечивает более высокую производительность операций обмена информацией, её пропускная способность оказывается недостаточной для обеспечения данными таких высокопроизводительных функциональных узлов как центральный процессор, и некоторых внешних устройств, таких, например, как видео подсистема с высоким качеством отображения. Поэтому разработчики предлагают включать в состав компьютера дополнительные шины, связывающие напрямую центральный процессор и отдельные наиболее быстродействующие устройства. Такие шины получили название локальных шин. Сейчас персональный компьютер может использовать до пяти различных шин. На рис.2.5.показана схема использования локальных шин для подключения к процессору запоминающего устройства и видеоконтроллера.

Ниже приведены обозначения и основные характеристики общих и локальных шин, применяемых в персональных компьютерах фирмы IBM.

Общая шина PCI (Peripheral Component Interconnect) применяется в настольных компьютерах, в настоящее время используется модификация PCI 2.1. Тактовая частота контроллера этой шины 66 МГц ширина шины адреса 32, а шины данных 64 разряда. Пиковая пропускная способность шины PCI 2.1 528 Мбайт/С.

Общая шина PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) применяется в переносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры сравнимые с параметрами шины PCI.

Локальная шина для подключения видеоконтроллера AGP (Accelerated Graphics Port) позволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Она ориентирована на массовую передачу видео данных. Имеет конвейерную организацию выполнения операций чтения/записи, что позволяет избежать задержек при обращении к модулям памяти. За один такт работы может передать два, четыре или восемь блоков данных, в зависимости от установленного режима работы. При установке режима параллельной передачи восьми блоков обеспечивает пиковую скорость передачи 2112 Мбайт/С. ПО НОВОЙ ВЕРСИИ.

Локальная шина USB. USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина), шина с последовательной передачей данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

Шина USB 1.0 впервые была представлена в 1994г, более скоростная версия USB 2.0 вышла в конце 2001 года, USB 3.0 появилась в 2008 году.

USB заменила устаревшие COM- и LPT-порты, позволила работать с большим количеством устройств, обеспечивая технологию «plug and play» горячего подключения и отключения устройств.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель два провода для приёма и передачи данных, а два — для электропитания периферийного устройства. К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда».

Шина ориентирована, имеет понятие «главное устройство» (он же контроллер USB) и периферийные устройства. Шина имеет древовидную топологию, поскольку периферийным устройством может быть разветвитель, имеющий несколько исходящих разъемов. Кабели USB ориентированы, то есть имеют физически разные наконечники к периферийному устройству и к контроллеру.

Версия USB 2.0 имеет три режима обмена данными:

· Low-speed, 10—1500 Кбит/c - используется для медленных устройств - клавиатуры, мыши, джойстика;

· Full-speed, 0,5—12 Мбит/с - для аудио и видеоустройств;

· Hi-speed, 25—480 Мбит/с - для видеоустройств и устройств хранения информации.

USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5,0 Гбит/с — что более чем на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0.
Версия 3.0 может подавать ток до 900 мА (USB 2.0 только 500 мА), что позволит избавиться от блоков питания во многих устройствах.

Шина USB получила широкое распространение к ней подключаются сейчас клавиатура, мышь, принтеры, флеш-память и многие другие устройства.

 

Кэш память

Несмотря на разработку быстрых типов динамических ОЗУ, время обращения к нему все ещё остаётся значительным и сдерживает дальнейшее увеличение производительности системы.

Одним из способов увеличения быстродействия динамического ОЗУ является размещение в одном корпусе микросхемы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов. Байт с нулевым адресом находится в первом модуле, байт с первым адресом находится во втором модуле, байт со вторым адресом находится в первом модуле и т.д. Поскольку, обращение к памяти состоит из нескольких этапов: установка адреса, выбор ячейки, чтение, восстановление, то эти этапы можно совместить во времени для разных модулей. Другим способом увеличения быстродействия является чтение из памяти содержимого ячейки с заданным адресом и нескольких ячеек, расположенных рядом. Они сохраняются в специальных регистрах защёлках. Если следующий адрес указывает на одну из уже считанных ячейках, то её содержимое читается из защёлки.

Чтобы исправить это дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Она называется кэш-памятью (от английского Cache – запас, наличка).

Современные ПК имеют:

-кэш первого уровня 16-128 Кбайт расположена на одном кристалле с процессором (работает на частоте процессора – самая высокая скорость обмена данными);

-кэш- второго уровня 256 Кбайт – 2 Мбайта расположена в корпусе процессора, но на отдельном кристалле;

-кэш-память третьего уровня расположена на системной плате 16 - 1000 Мбайт.

Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратиться к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем, в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ.

Управление записью и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных, устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно, во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

Специальная память

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ как тестирование и начальной загрузки компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, то есть сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания.

Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). ПЗУ, программируются однократно (не позволяют изменять записанную в них информацию).

Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ или Flash). ППЗУ позволяют перепрограммировать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ информации осуществляется или засветкой полупроводникового кристалла ультрафиолетовым излучением, или электрическим сигналом, повышенной мощности, для этого в корпусе микросхемы предусматривается специальное окно, закрытое кварцевым стеклом.

Важнейшая микросхема ППЗУ — модуль BIOS (базовая ситема ввода-вывода). Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой стороны — важный модуль любой операционной системы. В нем содержатся программы, предназначенные для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

Разновидность ПЗУ — CMOS RAM. Это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

2.7.4. Внешние запоминающие устройства

Внешняя память.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, она всегда энергонезависима, т.е. данные не уничтожаются при отключении электропитания.. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором.. ИнформацияДанные от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует проходят примерно по следующей цепочке:

 

Далее рассмотрим их разновидности.

Наибольшее распространение в настоящее время получили дисковые ВЗУ которые, в зависимости от типа носителя, можно разделить на магнитные и оптические.