Лабораторная работа: Работа и устройство процессоров
Параметры
процессоров
При описании параметров и
устройства процессоров часто возникает путаница. Рассмотрим некоторые
характеристики процессоров, в том числе разрядность шины данных и шины адреса,
а также быстродействие. Процессоры можно классифицировать по двум основным
параметрам: разрядности и быстродействию. Быстродействие процессора — довольно
простой параметр. Оно измеряется в мегагерцах (МГц); 1 МГц равен миллиону
тактов в секунду. Чем выше быстродействие, тем лучше (тем быстрее процессор).
Разрядность процессора — параметр более сложный. В процессор входит три важных
устройства, основной характеристикой которых является разрядность:
- шина ввода и вывода данных;
внутренние регистры;
-шина адреса памяти.
Шина данных
Когда говорят о шине
процессора, чаще всего имеют в виду шину данных, представленную как набор
соединений (или выводов) для передачи или приема данных. Чем больше сигналов
одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за
определенный интервал времени и тем быстрее она работает. Разрядность шины
данных подобна количеству полос движения на скоростной автомагистрали; точно
так же, как увеличение количества полос позволяет увеличить поток машин по
трассе, увеличение разрядности позволяет повысить производительность. Данные в
компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Для
передачи единичного бита данных в определенный временной интервал посылается
сигнал напряжения высокого уровня (около 5 В), а для передачи нулевого бита
данных — сигнал напряжения низкого уровня (около 0 В). Чем больше линий, тем
больше битов можно передать за одно и то же время. Современные процессоры типа
Pentium имеют 64-разрядные внешние шины данных. Это означает, что процессоры
Pentium, включая Pentium 4, Athlon и даже Itanium, могут передавать в системную
память (или получать из нее) одновременно 64 бит данных. Представим себе, что шина — это автомагистраль с движущимися
по ней автомобилями. Если автомагистраль имеет всего по одной полосе движения в
каждую сторону, то по ней в одном направлении в определенный момент времени
может проехать только одна машина. Если вы хотите увеличить пропускную способность
дороги, например, вдвое, вам придется ее расширить, добавив еще по одной полосе
движения в каждом направлении. Таким образом, 8-разрядную микросхему можно
представить в виде однополосной автомагистрали, поскольку в каждый момент
времени по ней проходит только один байт данных (один байт равен восьми битам).
Аналогично, 32-разрядная шина данных может передавать одновременно четыре байта
информации, а 64-разрядная подобна скоростной автостраде с восемью полосами
движения. Разрядность шины данных процессора
определяет также разрядность банка памяти. Это означает, что 32-разрядный
процессор, например класса 486, считывает из памяти или записывает в память 32
бита одновременно.
Шина адреса
Шина адреса представляет
собой набор проводников; по ним передается адрес ячейки памяти, в которую или
из которой пересылаются данные. Как и в шине данных, по каждому проводнику
передается один бит адреса, соответствующий одной цифре в адресе. Увеличение
количества проводников (разрядов), используемых для формирования адреса,
позволяет увеличить количество адресуемых ячеек. Разрядность шины адреса
определяет максимальный объем памяти, адресуемой процессором. Представьте себе
следующее. Если шина данных сравнивалась с автострадой, а ее разрядность — с
количеством полос движения, то шину адреса можно ассоциировать с нумерацией
домов или улиц. Количество линий в шине эквивалентно количеству цифр в номере
дома. Например, если на какой-то гипотетической улице номера домов не могут
состоять более чем из двух цифр (десятичных), то количество домов на ней не
может быть больше ста (от 00 до 99), т. е. 102. При трехзначных номерах
количество возможных адресов возрастает до 103 (от 000 до 999) и т. д. В компьютерах применяется двоичная система счисления, поэтому
при двухразрядной адресации можно выбрать только четыре ячейки (с адресами 00,
01, 10 и 11), т. е. 22, при трехразрядной — восемь (от 000 до 111), т. е. 23.
Например, в процессорах 8086 и 8088 используется 20-разрядная шина адреса, поэтому
они могут адресовать 220 (1 048 576) байт, или 1 Мбайт, памяти. Шины данных и
адреса независимы, и разработчики микросхем выбирают их разрядность по своему
усмотрению, но, чем больше разрядов в шине данных, тем больше их и в шине
адреса. Разрядность этих шин является показателем возможностей процессора:
количество разрядов в шине данных определяет способность процессора
обмениваться информацией, а разрядность шины адреса — объем памяти, с которым
он может работать.
Внутренние регистры
Количество битов данных,
которые может обработать процессор за один прием, характеризуется разрядностью
внутренних регистров. Регистр — это, по существу, ячейка памяти внутри
процессора; например, процессор может складывать числа, записанные в двух
различных регистрах, а результат сохранять в третьем регистре. Разрядность
регистра определяет количество разрядов обрабатываемых процессором данных, а
также характеристики программного обеспечения и команд, выполняемых чипом.
Например, процессоры с 32-разрядными внутренними регистрами могут выполнять
32-разрядные команды, которые обрабатывают данные 32-разрядными порциями, а
процессоры с 16-разрядными регистрами этого делать не могут. Во всех
современных процессорах внутренние регистры являются 32-разрядными. Процессор
Itanium имеет 64-разрядные внутренние регистры, которые необходимы для более
полного использования функциональных возможностей новых версий операционных
систем и программного обеспечения. В
некоторых процессорах разрядность внутренней шины данных (а шина состоит из
линий передачи данных и регистров!) больше, чем разрядность внешней. Так,
например, в процессорах 8088 и 386SX разрядность внутренней шины только вдвое
больше разрядности внешней шины. Такие процессоры (их часто называют
половинчатыми или гибридными) обычно являются более дешевыми вариантами исходных.
Например, в процессоре 386SХ внутренние операции 32-разрядные, а связь с
внешним миром осуществляется через 16-разрядную внешнюю шину. Это позволяет
разработчикам проектировать относительно дешевые системные платы с 16-разрядной
шиной данных, сохраняя при этом совместимость с 32-разрядным процессором
386.Если разрядность внутренних регистров больше разрядности внешней шины
данных, то для их полной загрузки необходимо несколько циклов считывания.
Например, в процессорах 386DХ и 386SХ внутренние регистры 32-разрядные, но
процессору 386SХ для их загрузки необходимо выполнить два цикла считывания, а
процессору 386DХ достаточно одного. Аналогично передаются данные от регистров к
системной шине. В процессорах Pentium шина данных
64-разрядная, а регистры 32-разрядные. Такое построение на первый взгляд
кажется странным, если не учитывать, что в этом процессоре для обработки
информации служат два 32-разрядных параллельных конвейера. Pentium во многом
подобен двум 32-разрядным процессорам, объединенным в одном корпусе, а
64-разрядная шина данных позволяет быстрее заполнить рабочие регистры.
Архитектура процессора с несколькими конвейерами называется суперскалярной. Современные процессоры шестого поколения, например Pentium
Pro и Pentium II/III, имеют целых шесть внутренних конвейеров для выполняющихся
команд. Хотя некоторые из указанных внутренних конвейеров специализированы (т.
е. предназначены для выполнения специальных функций), эти процессоры могут все
же выполнять три команды за один цикл. В последней версии процессора Itanium
используются 10-ступенчатые параллельные конвейеры, которые позволяют выполнять
до 20 операций в течение одного такта.
Быстродействие
процессора
Быстродействие — это одна из характеристик
процессора, которую зачастую толкуют по-разному. Быстродействие компьютера во
многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Она
определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл
кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием электрического
напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с
частотой, определяемой формой и размером кристалла. Частота этого переменного
тока и называется тактовой частотой. Микросхемы обычного компьютера работают на
частоте нескольких миллионов герц. (Герц — одно колебание в секунду.)
Быстродействие измеряется в мегагерцах, т. е. в миллионах циклов в секунду.
Наименьшей единицей измерения времени (квантом) для процессора как логического
устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую
операцию затрачивается минимум один такт. Например, обмен данными с памятью
процессор Pentium II выполняет за три такта плюс несколько циклов ожидания.
(Цикл ожидания — это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только
для того, чтобы процессор не "убегал" вперед от менее
быстродействующих узлов компьютера.) Различается и время, затрачиваемое на
выполнение команд. Различное количество тактов, необходимых для выполнения
команд, затрудняет сравнение производительности компьютеров, основанное только
на их тактовой частоте (т. е. количестве тактов в секунду). Почему при одной и
той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее другого? Причина
кроется в производительности. Оценивать эффективность центрального процессора
довольно сложно. Центральные процессоры с различными внутренними архитектурами
выполняют команды по-разному: одни и те же команды в разных процессорах могут
выполняться либо быстрее, либо медленнее. Чтобы найти удовлетворительную меру
для сравнения центральных процессоров с различной архитектурой, работающих на
разных тактовых частотах, Intel изобрела специфический ряд эталонных тестов,
которые можно выполнить на микросхемах Intel, чтобы измерить относительную
эффективность процессоров. Эта система тестов недавно была модифицирована для
того, чтобы можно было измерять эффективность 32-разрядных процессоров; она
называется индексом (или показателем) iCOMP 2.0 (intel Comparative
Microprocessor Performance — сравнительная эффективность микропроцессора Intel).
В настоящее время используется третья версия этого индекса — iCOMP 3.0.Почему
при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее
другого? Причина кроется в производительности. Процессор 486 обладает более
высоким быстродействием по сравнению с 386-м, так как на выполнение команды ему
требуется в среднем в два раза меньше тактов, чем 386-му. А процессору Pentium
— в два раза меньше тактов, чем 486-му. Таким образом, процессор 486 с тактовой
частотой 133 МГц (типа AMD 5x86-133) работает даже медленнее, чем Pentium с
тактовой частотой 75 МГц! Это происходит потому, что при одной и той же частоте
Pentium выполняет вдвое больше команд, чем процессор 486. Pentium II и III —
приблизительно на 50% быстрее процессора Pentium, работающего на той же
частоте, потому что они могут выполнять значительно больше команд в течение
того же количества циклов.Сравнивая относительную эффективность процессоров,
можно увидеть, что производительность процессора Pentium III, работающего на
тактовой частоте 1 000 МГц, теоретически равна производительности процессора
Pentium, работающего на тактовой частоте 1 500 МГц, которая, в свою очередь,
теоретически равна производительности процессора 486, работающего на тактовой
частоте 3 000 МГц, а она, в свою очередь, теоретически равна производительности
процессоров 386 или 286, работающих на тактовой частоте 6 000 МГц, или же
8088-го, работающего на тактовой частоте 12 000 МГц. Если учесть, что
первоначальный PC с процессором 8088 работал на тактовой частоте, равной всего
лишь 4,77 МГц, то сегодняшние компьютеры работают более чем в 1,5 тыс. раз
быстрее. Поэтому нельзя сравнивать производительность компьютеров, основываясь
только на тактовой частоте; необходимо принимать во внимание то, что на
эффективность системы влияют и другие факторы.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 |
