3. Параметри мп. Внутрішні регістри. Шина даних. Шина адреси. Швидкодія мп.

При описі параметрів і пристрою процесорів часто виникає плутанина. Розглянемо деякі характеристики процесорів, зокрема розрядність шини даних і шини адреси, а також швидкодія.

Процесори можна класифікувати по двох основних параметрах: розрядності і швидкодії. Швидкодія процесора – досить простій параметр. Вона вимірюється в мегагерцах (Мгц); 1 Мгц рівний мільйону тактів в секунду. Чим вище швидкодія, тим краще (тим швидше процесор). Розрядність процесора – параметр складніший. У процесор входить три важливі пристрої, основною характеристикою яких є розрядність:

• шина введення і виведення даних;

• внутрішні регістри;

• шина адреси пам'яті.

Швидкодія процесора

Швидкодія – це одна з характеристик процесора, яку часто тлумачать по-різному. У цьому розділі ви дізнаєтеся про швидкодію процесорів взагалі і процесорів Intel зокрема. Швидкодія комп'ютера здебільшого залежить від тактової частоти, зазвичай вимірюваної в мегагерцах (Мгц). Вона визначається параметрами кварцового резонатора, який представляє собою кристал кварцу, ув'язнений в невеликий олов'яний контейнер. Під впливом електричної напруги в кристалі кварцу виникає коливання електричного струму з частотою, яка визначається формою і розміром кристала. Частота цього змінного струму і називається тактовою частотою. Мікросхеми звичайного комп'ютера працюють на частоті декілька мільйонів герц. (Герц – одне коливання в секунду.) Швидкодія вимірюється в мегагерцах, тобто в мільйонах циклів в секунду. На мал. показаний графік синусоїдального сигналу.

Графічне представлення поняття тактової частоти

Зауваження. Одиниця вимірювання частоти названа герцем на честь німецького фізика Генріха Герца. У 1885 році Герц експериментальним шляхом підтвердив правильність електромагнітної теорії, згідно якої світло є видом електромагнітного випромінювання і розповсюджується у вигляді хвиль.

Найменшою одиницею вимірювання часу (квантом) для процесора як логічного пристою є період тактової частоти, або просто такт. На кожну операцію затрачується мінімум один такт. Наприклад, обмін даними з пам'яттю процесор Pentium II виконує за три такти плюс декілька циклів очікування. (Цикл очікування – це такт, в якому нічого не відбувається; він необхідний тільки для того, щоб процесор не “тікав” вперед від менш швидкодіючих вузлів комп'ютера).

Функції процесора:

• обробка даних за заданою програмою шляхом виконання арифметичних і логічних операцій;

• програмне управління роботою пристроїв|устроїв| комп'ютера.

Моделі процесорів включають наступні|слідуючі| спільно працюючі пристрої|устрої|:

• Пристрій управління (ПУ). Здійснює координацію роботи решти всіх пристроїв, виконує функції управління пристроями, управляє обчисленнями в комп'ютері.

• Арифметико-логічний пристрій (АЛП). Так називається пристрій для цілочисельних операцій. Арифметичні операції, такі як складання, множення і ділення, а також логічні операції (OR, AND, ASL, ROL і ін.) обробляються за допомогою АЛП. Ці операції складають переважну більшість програмної коди в більшості програм. Всі операції в АЛП проводяться в регістрах – спеціально відведених осередках АЛП. У процесорі може бути декілька АЛП. Кожний здатний виконувати арифметичні або логічні операції незалежно від інших, що дозволяє виконувати декілька операцій одночасно. Арифметико-логічний пристрій виконує арифметичні і логічні дії. Логічні операції діляться на дві прості операції: "Так і ні" ("1" і "0"). Звичайний ці два пристрої виділяються чисто умовно, конструктивно вони не розділені.

• AGU (Address Generation Unit) – пристрій генерації адрес. Це пристрій не менш важливий, ніж АЛП, оскільки він відповідає за коректну адресацію при завантаженні або збереженні даних. Абсолютна адресація в програмах використовується тільки в рідкісних виключеннях. Як тільки беруться масиви даних, в програмному коді використовується непряма адресація, що примушує працювати AGU.

• Математичний співпроцесор (FPU). Процесор може містити декілька математичних співпроцесорів. Кожен з них здатний виконувати, щонайменше, одну операцію з плаваючою крапкою незалежно від того, що роблять інші АЛП. Метод конвеєрної обробки даних дозволяє одному математичному співпроцесору виконувати декілька операцій одночасно. Співпроцесор підтримує високоточні обчислення як цілочисельні, так і з плаваючою крапкою і, крім того, містить набір корисних констант, які прискорюють обчислення. Співпроцесор працює паралельно з центральним процесором, забезпечуючи, таким чином, високу продуктивність. Система виконує команди співпроцесора в тому порядку, в якому вони з'являються в потоці. Математичний співпроцесор персонального комп'ютера IBM РС дозволяє йому виконувати швидкісні арифметичні і логарифмічні операції, а також тригонометричні функції з високою точністю.

• Дешифратор інструкцій (команд). Аналізує інструкції в цілях виділення операндів і адрес, по яких розміщуються результати. Потім слідує повідомлення іншого незалежного пристрою про те, що необхідно зробити для виконання інструкції. Дешифратор допускає виконання декількох інструкцій одночасно для завантаження всіх виконуючих пристроїв.

• 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 зберігання копій інструкцій і даних, які недавно використовувалися процесором. Значення з кеш-пам'яті витягуються безпосередньо, без звернення до основної пам'яті. При вивченні особливостей роботи програм було виявлено, що вони звертаються до тих або інших областей пам'яті з різною частотою, а саме: елементи пам'яті, до яких програма зверталася недавно, швидше за все, будуть використані знов. Припустимо, що мікропроцесор здатний зберігати копії цих інструкцій в своїй локальній пам'яті. В цьому випадку процесор зможе кожного разу використовувати копію цих інструкцій впродовж всього циклу. Доступ до пам'яті знадобиться на самому початку. Для зберігання цих інструкцій необхідний зовсім невеликий об'єм пам'яті. Якщо інструкції в процесор поступають достатньо швидко, то мікропроцесор не витрачатиме час на очікування. Таким чином економитися час на виконання інструкцій. Але для самих швидкодіючих мікропроцесорів цього недостатньо. Вирішення даної проблеми полягає в поліпшенні організації пам'яті. Пам'ять усередині мікропроцесора може працювати із швидкістю самого процесора.

  1. Кеш першого рівня (L1 cache). Кеш-пам'ять, що знаходиться всередині процесора. Вона швидша за решту всіх типів пам'яті, але менше за об'ємом. Зберігає зовсім недавно використану інформацію, яка може бути використана при виконанні коротких програмних циклів.

  2. Кеш другого рівня (L2 cache). Також знаходиться усередині процесора. Інформація, що зберігається в ній, використовується рідше, ніж інформація, що зберігається в кеш-пам'яті першого рівня, та зате за об'ємом пам'яті він більший. Також в даний час в процесорах використовується кеш третього рівня.

  3. Основна пам'ять. Набагато більше за об'ємом, ніж кеш-пам'ять, і значно менш швидкодіюча.

Багаторівнева кеш-пам'ять дозволяє понизити|знизити| вимоги найбільш продуктивних мікропроцесорів до швидкодії основної динамічної пам'яті. Так, якщо скоротити час доступу до основної пам'яті на 30%, то продуктивність добре сконструйованої кеш-пам'яті підвищитися тільки|лише| на 10-15%. Кеш-пам'ять, як відомо, може достатньо|досить| сильно впливати на продуктивність процесора залежно від типу|типа| виконуваних операцій, проте|однак| її збільшення зовсім не обов'язково принесе збільшення загальної|спільної| продуктивності роботи процесора. Все залежить від того, наскільки додаток|застосування| оптимізований під дану структуру і використовує кеш, а також від того, чи поміщаються різні сегменти програми в кеш цілком або шматками.

Кеш-пам'ять не тільки|не лише| підвищує швидкодію мікропроцесора при операції читання з пам'яті, але|та| в ній також можуть зберігатися значення, записувані процесором в основну пам'ять; записати ці значення можна буде пізніше, коли основна пам'ять буде не зайнята|позичати|. Така кеш-пам'ять називається кешем із|із| зворотним записом (write| back| cache|). Її можливості|спроможності| і принципи роботи помітно відрізняються від характеристик кеша з|із| крізним записом (write| through| cache|), який бере участь тільки|лише| в операції читання з пам'яті.

• Шина – це канал пересилки даних, використовуваний спільно різними блоками системи. Шина може бути набором провідних ліній в друкарській платі, дроти, припаяні до виводів роз'ємів, в які вставляються друкарські плати, або плоский кабель. Інформація передається по шині у вигляді 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). До шини може бути підключено багато приймальних пристроїв – приймачів. Зазвичай дані на шині призначаються тільки для одного з них. Поєднання сигналів, що управляють і адресних, визначає для кого саме. Логіка, що управляє, порушує спеціальні стробуючі сигнали, щоб вказати одержувачеві, коли йому слід приймати дані. Одержувачі і відправники можуть бути однонаправленими (тобто здійснювати тільки або передачу, або прийом) і двонаправленими (здійснювати і те і інше). Проте найшвидша процесорна шина не сильно допоможе, якщо пам'ять не зможе доставляти дані з відповідною швидкістю.

Типи шин:

1. Шина даних. Служить для передачі даних між процесором і пам'яттю або процесором і пристроями введення-виводу. Ці дані можуть бути як командами мікропроцесора, так і інформацією, яку він посилає в порти введення-виведення або приймає звідти.

2. Шина адрес. Використовується ЦП для вибору необхідного елементу пам'яті або пристрою введення-виведення шляхом установки на шині конкретної адреси, відповідної одному з елементів пам'яті або одного з елементів введення-виведення, що входять в систему.

3. Шина управління. По ній передаються сигнали, що управляють, призначені пам'яті і пристроям введення-виведення. Ці сигнали указують напрям передачі даних (у процесор або з нього).

BTB (Branch Target Buffer) – буфер цілей розгалуження. У цій таблиці знаходяться всі адреси, куди буде або може бути зроблений перехід. Процесори Athlon ще використовують таблицю історії галужень (BHT – Branch History Table), яка містить адреси, по яких вже здійснювалися розгалуження.