Будова і характеристики процесорів.
В загальному під процесором розуміють пристрій, який здійснює набір операцій над даними, поданими в цифровій формі (двійковим кодом). Процесор – цеелектронна схема, яка виконує обробку інформації.
Виробництво сучасних комп'ютерів розпочалось тоді, коли процесор був розроблений у вигляді окремої мікросхеми. Кількість фірм, які розробляють і виробляють процесори для IBM-сумісних комп’ютерів, невелика. На сьогодні відомі: Intel, Cyrix, AMD, NexGen, Texas Instrument. Крім процесорів, які становлять основу IBM-сумісних персональних комп’ютерів, існує цілий клас процесорів, які утворюють паралельну платформу (серед найвідоміших - персональні комп’ютери американської фірми Apple, для яких використовуються процесори типу Power PC, які мають принципово іншу архітектуру. Їх випускає фірма Motorola).
Призначення процесора :
керувати роботою ЕОМ за заданою програмою;
виконувати
операції обробки інформації.
До складу процесора входять такі пристрої:
пристрій управління (ПУ);
арифметико-логічний пристрій (АЛП);
регістри процесорної пам’яті .
ПУ управляє роботою всіх пристроїв комп’ютера за заданою програмою. Функцію ПУ можна порівняти з роботою диригента, який керує оркестром. Своєрідною „партитурою” є програма.
АЛП – обчислювальний інструмент процесора; цей пристрій виконує арифметичні й логічні операції за командами програми.
Регістри – це внутрішня пам’ять процесора. Кожний із регістрів слугує свого роду чернеткою, використовуючи яку, процесор виконує розрахунки і зберігає проміжні результати.
Тактова частота (кількість тактів за секунду) вимірюється в мегагерцах (1МГц=1000000Гц ) Процесор працює в тісному контакті з мікросхемою, яка називається генератором тактової частоти (ГТЧ). ГТЧ виробляє періодичні імпульси, що синхронізують роботу всіх вузлів комп’ютера. Це своєрідний метроном, у ритмі якого працює процесор. На виконання кожної операції відводиться певна кількість тактів.
Розрядність процесора – це обсяг інформації (в бітах), який процесор обробляє за одну операцію. Розрядність процесора визнвчається розрядністю регістрів. Якщо регістр має розмір 2 байти, то розрядність процесора 16 біт (2 · 8 = 16). Чим вища розрядність регістрів, тим більше даних вони опрацьовують за одиницю часу.
• кількість потоків - цей показник відображає пропускну здатність системи (чим більше - тим краще). Кількість потоків не завжди збігається з кількістю ядер. На приклад, процесор Intel i7, маючи 4 ядра, працює у 8 потоків, багато в чому випереджаючи деякі 6-тиядерні моделі;
• швидкість шини (FSB, HyperTransport або QPI), якою центральний процесор з'єднується з системним контролером материнської плати.
• техпроцес - чим він тонший, тим менше процесор споживає електрики і менше гріється. "Холодні" процесори краще піддаються розгону/
• кількість ядер. Багатоядерні процесори - це процесори, що містять наодному процесорному кристалі або в одному корпусі два обчислювальних ядра. Багатоядерність, як один з ефективних способів підвищення потужності процесорів, використовується виробниками з відносно недавнього часу, але вже визнана найбільш перспективним напрямком їх розвитку.
Кеш-пам'ять. Особлива високошвидкісна пам'ять процесора. Кеш використовується як буфер для прискорення обміну даними між процесором і оперативною пам'яттю, а також для збереження копій інструкцій і даних, що недавно використовувалися процесором. Значення з кеш-пам'яті витягаються прямо, без звертання до основної пам'яті.
Кеш 1 рівня Кеш-пам'ять, що знаходиться усередині процесора. Вона швидша за всі інші типи пам'яті, але менша за обсягом. Зберігає нещодавно використану інформацію, яка знову може бути використана при виконанні коротких програмних циклів.
Кеш 2 рівня Також знаходиться усередині процесора. Інформація, що зберігається в ній, використовується рідше, ніж інформація, що зберігається в кеш-пам'яті першого рівня, проте обсяг пам'яті у ній більший. Також у наш час[Коли?] в процесорах використовується кеш третього рівня.
Регістри — це внутрішня пам'ять процесора. Являють собою ряд спеціалізованих додаткових комірок пам'яті, а також є внутрішніми носіями інформації мікропроцесора. Регістр є пристроєм тимчасового зберігання даних, числа або команди і використовується з метою полегшення арифметичних, логічних і пересильних операцій. Основним елементом регістра є електронна схема, яку називають тригером, що здатна зберігати одну двійкову цифру (розряд).
Шина — це канал пересилання даних, який використовується спільно різними блоками системи. Шина може являти собою набір провідних ліній у друкованій платі, проводи, припаяні до виводів роз'ємів, у які вставляються друковані плати, або плоский кабель. Інформація передається по шині у виді груп бітів. До складу шини для кожного біта слова може бути передбачена окрема лінія (паралельна шина), або всі біти слова можуть послідовно в часі використовувати одну лінію (послідовна шина).
Шина даних. Служить для пересилання даних між процесором і пам'яттю або процесором і пристроями введення-виведення. Ці дані можуть являти собою як команди мікропроцесора, так і інформацію, що він посилає в порти введення-виведення або приймає звідти.
Шина адрес. Використовується ЦП для вибору необхідної комірки пам'яті або пристрою введення-виведення шляхом установки на шині конкретної адреси, що відповідає одній з комірок пам'яті або одному з елементів введення-виведення, що входять у систему.
Шина керування. По ній передаються керуючі сигнали, призначені пам'яті і пристроям введення-виведення. Ці сигнали вказують напрямок передачі даних (у процесор або з нього).
Різновиди і характеристики внутрішньої пам’яті персонального комп’ютера.
Пам’ять комп’ютера -це пристрої, в яких зберігаються дані та програми.Пам’ять комп’ютера поділяється на внутрішню (основну) та зовнішню. До внутрішньої пам’яті відносяться: оперативна пам’ять, регістри процесора, постійна пам’ять і кеш-пам’ять.
Оперативна пам'ять (ОЗП)(динамічну пам'ять (DRAM) і статичну пам'ять (SRAM).) — це пристрій, що швидко запам'ятовує інформацію не дуже великого об'єму, безпосередньо пов'язаний з процесором і призначений для запису, прочитування і зберігання виконуваних програм і даних, що обробляються цими програмами.
Комірку динамічної пам'яті (DRAM) можна подати як набір мікроконденсаторів, що можуть накопичувати заряд на своїх пластинах. Це найбільш розповсюджений і економічно доступний тип пам'яті. Недоліки цього типу пам’яті пов'язані, з тим, що як заряджання, так і розряджання конденсаторів потребує певного часу, тобто записування даних відбувається порівняно повільно;2-й недолік пов'язаний з тим, що заряди конденсаторів мають властивість розсіюватися в просторі, причому дуже швидко. Регенерація здійснюється кілька десятків разівза секунду і викликає непродуктивну витрату ресурсів обчислювальної системи.
Комірку статичної пам'яті (SRAM) можна подати як набір електронних мікроелементів – тригерів, що складаються з кількох транзисторів. У тригері зберігається не заряд, а стан (ввімкнено/вимкнено), тому цей тип пам'яті забезпечує більш високу швидкодію, хоч технологічно вона складніша і відповідно дорожча.
Мікросхеми динамічної пам'яті використовують як основну оперативну пам'ять комп'ютера. Мікросхеми статичної пам'яті використовують як допоміжну пам'ять (так називану кеш-пам'ять), призначену для оптимізації роботи процесора.
Кожна комірка пам'яті має свою адресу (номер), що виражається числом. У сучасних процесорів адреси подаються за допомогою 32 двійкових розрядів, а це означає, що усього незалежних адрес може бути 232= 4 Гбайт.
Оперативна пам'ять у комп'ютері розміщується на стандартних панельках, так званих модулях пам’яті. Модулі оперативної пам'яті встановлюються у відповідні гнізда на материнській платі
Основними характеристиками модулів оперативної пам'яті є її обсяг і швидкість передавання даних. Сьогодні найбільш поширені модулі обсягом 128-512 Мбайт. Швидкість передавання даних визначає максимальну пропускну здатність пам'яті (у Мбайт/с або Гбайт/с). При цьому враховується час доступу до пам'яті, ширина шини пропускання і додаткові можливості, такі як передавання кількох сигналівза один такт роботи. Час доступу до пам'яті вимірюється в мільярдних частках секунди (наносекундах, нc). Для сучасних модулів пам'яті це значення може складати 5 нc, а для особливо швидкої пам'яті – 2-3 нc.
Регістри - це надшвидка пам’ять процесора. Вони збе¬рігають адресу команди, саму команду, дані для її виконання і результат. Для збільшення продуктивності комп’ютера, тимчасового зберігання вмісту комірок оперативної пам’яті використовується кеш-пам’ять (від англійського cashe - склад, тайник).
Кеш-пам’ять є проміжним запам’ятовуючим пристроєм і використовується для прискорення обміну між процесором і оперативною пам’яттю. У сучасних комп’ютерах використовуються кілька рівнів кеш-пам’яті. Кеш-пам’ять може розміщуватись як на кристалі мікропроцесора, так і на системній платі. Системна (або материнська) плата - це плата, на якій розміщено процесор, оперативну та постійну пам’ять, а також системну шину, через яку здійснюється зв’язок з усіма іншими пристроями комп’ютера.
Постійна пам’ять - це пристрої для довготривалого зберігання програм та даних. Використовується вона тільки для читання інформації. Як правило, ця інформація записується при виготовленні комп’ютера і слугує для початкового завантаження операційної системи (див.далі), перевірки дієздатності комп’ютера. Для назви цієї пам’яті використовується англійська абревіатура ROM (Read Only Memory - пам’ять тільки для читання).