ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПК
Основными характеристиками ПК являются:
1. Быстродействие, производительность, тактовая частота.
Единицами измерения быстродействия служат:
§ МИПС (MIPS - Mega Instruction Per Second) – миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);
§ МФЛОПС (MFLOPS - Mega FLoating Operations Per Second) – миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);
§ КОПС (KOPS – Kilo Operations Per Second) для низкопроизводительных ЭВМ – тысяча неких усредненных операций над числами;
§ ГФЛОПС (GFLOPS – Giga FLoating Operations Per Second) – миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).
Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.
Пример 4.14. При отсутствии конвейерного выполнения команд и увеличении внутренней частоты у микропроцессора (см. подразд. 4.3) тактовый генератор с частотой 33 МГц обеспечивает выполнение 7 млн. коротких машинных операций (сложение и вычитание с фиксированной запятой, пересылки информации и др.) в секунду; с частотой 100 МГц – 20 млн. коротких операций в секунду.
2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.
Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.
3. Типы системного и локальных интерфейсов.
Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.
4. Емкость оперативной памяти.
Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт), реже в килобайтах (Кбайт). Напоминаем: 1 Мбайт = 1024 Кбайта = 10242 байт.
Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 8 Мбайт просто не работают либо работают, но очень медленно.
Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.
5. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера).
Емкость винчестера измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайта).
По прогнозам специалистов, многие программные продукты 1997 г. будут требовать для работы до 1 Гбайта внешней памяти.
6. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.
Сейчас применяются в основном накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 и 5,25 дюйма (1 дюйм = 25,4 мм). Первые имеют стандартную емкость 1,44 Мбайта, вторые – 1,2 Мбайта.
7. Виды и емкость КЭШ-памяти.
КЭШ-память – это буферная, не доступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейках электронной памяти.
Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20%.
8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.
9. Тип принтера.
10. Наличие математического сопроцессора.
Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.
11. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы (см. гл. 8-12).
12. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ.
Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере соответственно тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.
13. Возможность работы в вычислительной сети (см. гл. 6).
14. Возможность работы в многозадачном режиме.
Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.
15. Надежность.
Надежность – это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки на отказ.
16. Стоимость.
17. Габариты и масса.
МИКРОПРОЦЕССОРЫ
§ Типы микропроцессоров
§ Структура микропроцессора
§ Последовательность работы блоков ПК
ТИПЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
Общая характеристика
Микропроцессор,иначе, центральный процессор – Central Processing Unit (CPU) – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.
Для МП на БИС или СБИС характерны:
§ простота производства (по единой технологии);
§ низкая стоимость (при массовом производстве);
§ малые габариты (пластина площадью несколько квадратных сантиметров или кубик со стороной несколько миллиметров);
§ высокая надежность;
§ малое потребление энергии.
Микропроцессор выполняет следующие функции:
§ чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
§ чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств;
§ прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
§ обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;
§ выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.
Разрядность шины данных микропроцессора определяет разрядность ПК в целом; разрядность шины адреса МП – его адресное пространство.
Адресное пространство– это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.
Первый микропроцессор был выпущен в 1971 г. фирмой Intel (США) – МП 4004. В настоящее время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные.
Все микропроцессоры можно разделить на три группы:
§ МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд;
§ МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд;
§ МП типа MISC (Minimum Instruction Set Computing) с минимальным набором команд и весьма высоким быстродействием (в настоящее время эти модели находятся в стадии разработки).
Микропроцессоры типа CISC
Большинство современных ПК типа IBM PC (International Business Machine) используют МП типа CISC, характеристики наиболее распространенных из них приведены в табл. 4.5.
Таблица 4.5. Характеристики наиболее распространенных CISC МП
Примечания: 1. У микропроцессоров МП 80386, 80486 есть модификации с буквами SX, DX, SL и др. (80486SX, 80486DX), отличающиеся от базовой модели разрядностью шин, тактовой частотой, надежностью работы, габаритами, потреблением энергии, амплитудой напряжения и другими параметрами: DX практически совпадает с базовой моделью; SX и SL имеют, в частности, меньшую разрядность шин; SL и особенно SLE – энергосберегающие, ориентированы на использование в портативных ПК (Lap Top, Note Book).
2. Число элементов – это количество элементарных полупроводниковых элементов, размещенное в интегральной схеме МП.
Микропроцессоры 80486 DX и все последующие модели могут работать с умножением внутренней частоты. Например, у МП DX2 внутренняя частота в 2 раза, а у МП DX4 – в 3 раза выше тактовой. С увеличенной частотой работают только внутренние схемы МП, все внешние по отношению к МП схемы, в том числе расположенные и на системной плате, работают с обычной частотой.
Отметим некоторые характеристики МП:
§ начиная с МП 80386 используется конвейерное выполнение команд – одновременное выполнение разных тактов последовательных команд в разных частях МП при непосредственной передаче результатов из одной части МП в другую. Конвейерное выполнение команд увеличивает эффективное быстродействие ПК в 2 - 3 раза;
§ начиная с МП 80286 предусматривается возможность работы в вычислительной сети;
§ начиная с МП 80286 имеется возможность многозадачной работы (многопрограммность) и сопутствующая ей защита памяти;
§ начиная с МП 80386 обеспечивается поддержка режима системы виртуальных машин, т.е. такого режима многозадачной работы, при котором в одном МП моделируется как бы несколько компьютеров, работающих параллельно и имеющих разные операционные системы;
§ начиная с МП 80286 микропроцессоры могут работать в двух режимах: реальном (Real mode) и защищенном (Protected mode). В реальном режиме имитируется (эмулируется) работа МП 8086, естественно, однозадачная. В защищенном режиме возможна многозадачная работа с непосредственным доступом к расширенной памяти (см. подразд. 4.5) и с защитой памяти, отведенной задачам, от посторонних обращений.
Микропроцессоры 80586 (Р5) более известны по их товарной марке Pentium, которая запатентована фирмой Intel (МП 80586 других фирм имеют иные обозначения: К5 у фирмы AMD, Ml у фирмы Cyrix и др.).
Эти микропроцессоры имеют пятиступенную конвейерную структуру, обеспечивающую многократное совмещение тактов выполнения последовательных команд, и КЭШ-буфер для команд условной передачи управления, позволяющий предсказывать направление ветвления программ; по эффективному быстродействию они приближаются к RISC МП, выполняющим каждую команду как бы за один такт. Pentium имеют 32-разрядную адресную шину и 64-разрядную шину данных. Обмен данными с системой может выполняться со скоростью 1 Гбайт/с.
У всех МП Pentium имеется встроенная КЭШ-память, отдельно для команд, отдельно для данных; имеются специализированные конвейерные аппаратные блоки сложения, умножения и деления, значительно ускоряющие выполнение операций с плавающей запятой.
Микропроцессоры Pentium Pro. В сентябре 1995 г. прошли презентацию и выпущены МП 80686 (Р6), торговая марка Pentium Pro. Благодаря новым схемотехническим решениям они обеспечивают для ПК более высокую производительность. Часть этих новшеств может быть объединена понятием динамическое исполнение (dynamic execution), что в первую очередь означает наличие 14-ступенной суперконвейерной структуры (superpipelining), предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (branch prediction) и исполнение команд по предполагаемому пути ветвления (speculative execution).
Примечание. В программах решения многих задач, особенно экономических, содержится большое число условных передач управления. Если процессор может заранее предсказывать направление перехода (ветвления), то производительность его работы значительно повысится за счет оптимизации загрузки вычислительных конвейеров. В процессоре Pentium Pro вероятность правильного предсказания 90 % против 80 % у МП Pentium.
КЭШ-память емкостью 256-512 Кбайт – обязательный атрибут высокопроизводительных систем на процессорах Pentium. Однако у них встроенная КЭШ-память имеет небольшую емкость (16 Кбайт), а основная ее часть находится вне процессора на материнской плате. Поэтому обмен данными с ней происходит не на внутренней частоте МП, а на частоте тактового генератора, которая обычно в 2 - 3 раза ниже, что снижает общее быстродействие компьютера. В МП Pentium Pro КЭШ-память емкостью 256-512 Кбайт находится в самом микропроцессоре.
Микропроцессоры OverDrive. Интерес представляют также недавно разработанные МП OverDrive, по существу являющиеся своеобразными сопроцессорами, обеспечивающими для МП 80486 режимы работы и эффективное быстродействие, характерные для МП Pentium. Появились МП OverDrive, улучшающие характеристики и микропроцессоров Pentium.
Микропроцессоры типа RISC
Микропроцессоры типа RISC содержат набор только простых, чаще всего встречающихся в программах команд. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых. В этих МП на выполнение каждой простой команды за счет их наложения и параллельного выполнения тратится 1 машинный такт (на выполнение даже самой короткой команды из системы CISC обычно тратится 4 такта).
Некоторые микропроцессоры типа RISC: один из первых МП – ARM (на его основе выпускались ПК IBM PC RT) – 32-разрядный МП, имеющий 118 различных команд. Современные RISC МП (80860, 80960, 80870, Power PC) являются 64-разрядными при быстродействии до 150 млн. оп./с. Микропроцессоры Power PC (Performance Optimized With Enhanced RISC PC) весьма перспективны и уже сейчас широко применяются в машинах-серверах и в ПК типа Macintosh.
Микропроцессоры типа RISC имеют очень высокое быстродействие, но программно не совместимы с CISC-процессорами: при выполнении программ, разработанных для ПК типа IBM PC, они могут лишь эмулировать (моделировать, имитировать) МП типа CISC на программном уровне, что приводит к резкому уменьшению их эффективной производительности.
Все новые МП создаются на основе технологий, обеспечивающих формирование элементов с линейным размером порядка 0,5 мкм (традиционные МП 80486 и Pentium-66 использовали 0,8-мкм элементы).
Уменьшение размеров элементов обеспечивает возможность:
§ увеличения тактовой частоты МП до 100 МГц и выше, поскольку тормозом в увеличении быстродействия уже является недостаточная (!) скорость распространения "света" (300 000 км/с);
§ уменьшения перегрева МП, позволяя использовать пониженное напряжение питания 3,3 В (вместо стандартных 5 В).
Функционально МП состоит из двух частей:
§ операционной, содержащей устройство управления, арифметико-логическое устройство и микропроцессорную память (за исключением нескольких адресных регистров);
§ интерфейсной, содержащей адресные регистры МПП, блок регистров команд, схемы управления шиной и портами.
Работают обе части параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) производится во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Современные микропроцессоры имеют несколько групп регистров в микропроцессорной части, работающих с различной степенью опережения, что позволяет выполнять операции в конвейерном режиме. Такая организация МП дает возможность значительно повысить его эффективное быстродействие.
СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА
Устройство управления
Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины.
Упрощенная функциональная схема УУ показана на рис. 4.5. Здесь представлены:
Рис. 4.5.Укрупненная функциональная схема устройства управления
Регистр команд – запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд.
Дешифратор операций – логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.
Постоянное запоминающее устройство микропрограмм – хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операций в соответствии с кодом операции считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.
Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) – устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП.
Кодовые шины данных, адреса и инструкций – часть внутренней интерфейсной шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:
§ выборки из регистра-счетчика адреса команды MПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
§ выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
§ расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
§ считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
§ считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;
§ выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;
§ записи результатов операции в память;
§ формирования адреса следующей команды программы.