Продуктивність сучасних комп'ютерів вимірюють зазвичай в мільйонах операцій в секунду. Одиницями виміру є:
МІПС (MIPS - Millions Instruction Per Second) - для операцій над числами, представленими у формі з фіксованою комою (крапкою);
Мфлопс (MFLOPC - Millions of FLoating point Operation Per Second) - для операцій над числами, представленими у формі з плаваючою комою (крапкою).
Рідше продуктивність комп'ютерів визначають з використанням наступних одиниць виміру:
КФЛОПС (kFLOPS - KiloFLOPS) для нізкопроїзводітельних комп'ютерів - тисяча якихось усереднених операцій над числами;
ГФЛОПС (GFLOPS - GigaFLOPS) - мільярд операцій у секунду над числами з плаваючою комою.
Для універсальних ЕОМ, що виконують найрізноманітніші завдання, ці оцінки будуть дуже неточними. Тому для характеристики ПК замість продуктивності звичайно вказують тактову частоту, більш об'єктивно визначає швидкодію машини, так як кожна операція вимагає для свого виконання цілком певної кількості тактів. Знаючи тактову частоту, можна досить точно визначити час виконання будь-якої машинної операції.
Наприклад, при відсутності конвеєрного виконання команд і збільшення внутрішньої частоти у мікропроцесора тактовий генератор з частотою 100 Мгц забезпечує виконання 20 млн коротких машинних операцій (прості додавання і віднімання, пересилання інформації та т. Д.) В секунду; з частотою 1000 Мгц - 200 млн коротких операцій в секунду.
Розрядність мікропроцесора і кодових шин інтерфейсу
Типи системного і локальних і зовнішніх інтерфейсів
Різні типи інтерфейсів забезпечують різні швидкості передачі інформації між вузлами машини, дозволяють підключати різну кількість зовнішніх пристроїв і різні їх види, використовують бездротові канали зв'язку.
Ємність оперативної пам'яті
Ємність оперативної пам'яті виміряється звичайно в мегабайтах (1 Мбайт = 1024 Кбайт = 1024 2 байтів). Багато сучасні прикладні програми з оперативною пам'яттю, має ємність менше 512 Мбайт, просто не працюють, або працюють, але дуже повільно. Збільшення ємності основної пам'яті в 2 рази, крім усього іншого, збільшує ефективну продуктивність комп'ютера при вирішенні складних завдань (коли відчувається дефіцит пам'яті) приблизно в 1,41 рази (закон кореня квадратного).
Види накопичувачів на жорстких магнітних дисках
Ємність НЖМД вимірюється зазвичай в гигабайтах, 1 Гбайт = 1024 Мбайт. Обсяг вінчестерного пам'яті 80 Гбайт сьогодні ще прийнятний, але, за прогнозами фахівців, нові програмні продукти будуть вимагати сотні гігабайт зовнішньої пам'яті ..
Тип і ємність накопичувачів на гнучких магнітних дисках
Зараз ще застосовуються накопичувачі на гнучких магнітних дисках з форм-фактором 3,5 дюйма, мають стандартну ємність 1,44 Мбайт (накопичувачі для гнучких дисків в сучасні ЕОМ часто вже не встановлюються).
Наявність, види і ємність кеш-пам'яті
Кеш-пам'ять - це буферна, недоступна для користувача швидкодіюча пам'ять, автоматично використовується комп'ютером для прискорення операції з інформацією, що зберігається в більш повільно діючих запам'ятовувальних пристроях. Наприклад, для прискорення операцій з основною пам'яттю організується регістрова кеш-пам'ять усередині мікропроцесора (кеш-пам'ять першого рівня) або поза мікропроцесора на материнській платі (кеш-пам'ять другого рівня); для прискорення операцій з дисковою пам'яттю організується кеш-пам'ять на елементах електронної пам'яті.
Слід мати на увазі, що наявність кеш-пам'яті ємністю 256 Кбайт збільшує продуктивність ПК приблизно на 20%.
Апаратна і програмна сумісність з іншими типами комп'ютерів
Апаратна і програмна сумісність з іншими типами комп'ютерів означає можливість використання на комп'ютері, відповідно, тих же технічних елементів і програмного забезпечення, що і на інших типах машин.
Можливість роботи в багатозадачному режимі
Багатозадачність дозволяє виконувати обчислення одночасно по декількох програмах (багатопрограмний режим) або для декількох користувачів (розрахований на багато користувачів режим). Сполучення в часі роботи декількох пристроїв машини, можливе в такому режимі, дозволяє істотно збільшити ефективну швидкодію комп'ютера.
Надійність - це здатність системи виконувати повністю і правильно всі задані їй функції.
Питання для самоперевірки.
1. Намалюйте блок-схему персонального комп'ютера.
2. Дайте характеристику основних блоків комп'ютера.
3. Дайте коротку характеристику пристроїв, що входять до складу мікропроцесора.
4. Що таке системна шина?
5. Наведіть ієрархію запам'ятовуючих пристроїв ПК.
6. Поясніть призначення запам'ятовуючих пристроїв ПК.
7. Дайте класифікацію зовнішніх пристроїв ПК.
8. Назвіть склад зовнішніх пристроїв ПК кожної групи.
9. Що таке математичний співпроцесор, яке його призначення?
10. Що таке контролер прямого доступу до пам'яті (DMA), яке його призначення?
11. Що таке контролер переривань і яке його призначення?
12. Назвіть основні конструктивні компоненти ПК і дайте їм коротку характеристику.
13. Назвіть і поясніть основні функціональні характеристики ПК.
14. Чим визначається продуктивність комп'ютера?
Глава 8. Мікропроцесори
Після вивчення глави студент повинен знати:
· Призначення мікропроцесорів (МП) і їх основні функції,
· Основні характеристиками МП,
· МП CISC фірми Intel, в тому числі і новітні багатоядерні МП сімейства Core,
· Ефективні технології, що використовуються в МП,
· Структурну схему МП,
· Рівні КЕШ пам'яті, яка встановлюється на МП,
· Функціональні схеми і призначення:
§ пристрої управління (УУ),
§ арифметико-логічного пристрою (АЛП),
§ мікропроцесорної пам'яті (МПП).
Мікропроцесор або Central Processing Unit (CPU) - функціонально-яке закінчила програмно керований пристрій обробки інформації, виконаний у вигляді однієї або декількох великих (ВІС) або надвеликих (НВІС) інтегральних схем.
Мікропроцесор виконує наступні функції:
· Вибірку і дешифрування команд з основної пам'яті (ОП);
· Вибірку даних з ОП, регістрів МПП і регістрів адаптерів зовнішніх пристроїв (ВУ);
· Прийом і обробку запитів і команд від адаптерів на обслуговування ВУ;
· Обробку даних і їх запис в ОП, регістри МПП і регістри адаптерів ВУ;
· Вироблення керуючих сигналів для всіх вузлів і блоків ПК;
· Перехід до наступної команді.
Основними параметрами процесорів є: розрядність; робоча тактова частота; види і розмір кеш-пам'яті; склад інструкцій; конструктив; енергоспоживання; робоча напруга.
Робоча тактова частота МП багато в чому визначає його внутрішнє швидкодію, оскільки кожна команда виконується за певну кількість тактів. Швидкодія (продуктивність) ПК залежить також і від тактової частоти шини системної плати, з якої працює (може працювати) МП.
Кеш-пам'ять. встановлюється в МП, має два рівні:
L1 - пам'ять 1-го рівня, що знаходиться всередині основної мікросхеми (ядра) МП і працює завжди на повній частоті МП (вперше кешL1 був введений в МП i86 і у МП i386SLC).
L2 - пам'ять 2-го рівня, кристал, що розміщується на платі МП і пов'язаний з ядром внутрішньої мікропроцесорної шиною (вперше введений в МП Pentium Pro). Пам'ять L2 може працювати на повній або половинній частоті МП.
Склад інструкцій - перелік, вид і тип команд, автоматично виконуваних МП. Від типу команд залежить класифікаційна група МП (CISC, RISC, VLIW).
Конструктив - це ті фізичні роз'ємні з'єднання, які використовуються для установки МП, і які визначають придатність материнської плати для установки МП. Роз'єми мають різну конструкцію (Slot - щілинний роз'єм, Socket - роз'єм-гніздо), різну кількість контактів, на які подаються сигнали і робоча напруга.
Робоча напруга також є фактором придатності материнської плати для установки МП.
Перший мікропроцесор був випущений в 1971 році компанією Intel (США) - МП 4004. В даний час різними фірмами (AMD, VIA Apollo, IBM і іншими) випускається багато десятків різних мікропроцесорів, але найбільш популярними і поширеними є мікропроцесори компанії Intel і Intel-подібні . Надалі докладніше розглянемо саме їх.
Всі мікропроцесори можна розділити на групи:
· CISC (Complex Instruction Set Command) з системою повних команд;
· RISC (Reduced Instruction Set Command) з системою усічених команд;
· VLIW (Very Length Instruction Word) з наддовгим командним словом.
Мікропроцесори типу CISC
Більшість сучасних ПК типу IBM PC використовують МП типу CISC, що випускаються багатьма фірмами: Intel, AMD, Cyrix, IBM і т.д. Законодавцем «мод» тут виступає Intel, але їй «на п'яти» настає AMD, в останні роки створила МП за деякими параметрами краще «интеловских». Все ж поки МП фірми Intelімеют більшого поширення. характеристики деяких з них наведені в табл. 8.1. Слід знати що:
- МП 80386 (386), 80486 (486) мають модифікації з буквами SX, DX, SL і ін. Вони відрізняються від базової моделі розрядністю шини, тактовою частотою, надійністю, габаритами, споживанням енергії, амплітудою напруги і іншими параметрами.
- МП Pentium-Pentium 4 мають багато різних модифікацій.
- Число елементів - це кількість елементарних напівпровідникових переходів, розміщене в інтегральній схемі МП. Технологія зазвичай характеризується розміром елемента в мікронах (мікрона технологія).
- МП 486DX і вище мають вбудований математичний співпроцесор, можуть працювати з множенням внутрішньої частоти. З збільшеною частотою працюють тільки внутрішні схеми МП, все зовнішні по відношенню до МП схеми, в тому числі розташовані і на системній платі, працюють на звичайній частоті.
Таблиця 8.1. Характеристики деяких CISC МП
Модель МП Intel
- МП 80286 і вище забезпечують конвеєрне виконання команд, містять регістри для черги команд загальним розміром 6 байт, у МП 486 - 16 байтів і ін. Конвеєрне виконання команд - це одночасне виконання різних тактів послідовних команд в різних частинах МП при безпосередній передачі результатів з однієї частини МП в іншу, збільшує ефективну швидкодію ПК в 2-5 разів.
-МП 80286 і вище можуть працювати в обчислювальної мережі, підтримують многозадачную роботу (многопрограммность) і супутня їй захист пам'яті.
-МП 80386 і вище мають вбудовану підтримку системи віртуальних машин, що забезпечує режим багатозадачного роботи: кожна задача може виконуватися під керуванням своєї операційної системи, в одному МП моделюється кілька паралельно працюючих комп'ютерів під різними операційними системами.
-МП 80486 і вище забезпечують підтримку кеш-пам'яті, включають RISC-елементи, що дозволяють виконувати усічені команди за 1 такт.
Сучасні мікропроцесори мають два режими роботи:
Мікропроцесори Over Drive
В середині 90-х років з'явилися МП Over Drive, по суті є своєрідними сопроцессорами, що забезпечують для МП 80486 режими роботи і ефективну швидкодію, характерні для МП Pentium, а для МП Pentium - збільшення їх продуктивності (зокрема, Over Drive 125, 150 і 166, відповідно, для Pentium 75, 90 і 100, що збільшують їх внутрішню частоту до зазначених для Over Drive величин).
У всіх МП Pentiumімеется вбудована кеш-пам'ять, окремо для команд і даних по 8 Кбайт, вбудований контроллер кеш-пам'яті 2-го рівня. Це забезпечує роботу кеш-пам'яті на внутрішній частоті МП. Є спеціалізовані конвеєрні апаратні блоки складання, множення і ділення, істотно прискорюють виконання операцій з плаваючою комою. Вдалі архітектурні рішення МП Pentium зумовили те, що продуктивності мікропроцесорів 486DX4-120 і Pentium-60 приблизно однакові (тобто за рахунок архітектури продуктивність збільшилася в 2 рази).
Мікропроцесори Pentium Pro
У програмах вирішення багатьох завдань, особливо економічних, міститься велика кількість умовних передач управління. Якщо процесор може заздалегідь передбачати напрямок переходу (розгалуження), то продуктивність його роботи значно підвищиться за рахунок оптимізації завантаження обчислювальних конвеєрів. Якщо шлях розгалуження передбачений невірно, процесор повинен скинути отримані результати, очистити конвеєри і завантажити потрібні команди заново, що вимагає досить великої кількості тактів. У процесорі Pentium Pro ймовірність правильного передбачення 90%, проти 80% у МП Pentium.
Кеш-пам'ять ємністю 256-1024 Кбайт - обов'язковий атрибут високопродуктивних систем на процесорах Pentium. Однак у них вбудована кеш-пам'ять має невелику ємність, а основна її частина знаходиться поза процесора на материнській платі. Тому обмін даними з нею часто відбувається не на внутрішній частоті МП, а на частоті тактового генератора, яка зазвичай в 2-5 разів нижче, що знижує загальну швидкодію комп'ютера. У МП Pentium Pro є і кеш-пам'яті Вашого 1-го рівня (по 8 Кбайт для команд і даних) і кристал кеш-пам'яті 2-го рівня ємністю 256 або 512 Кбайт, розташований на платі самого мікропроцесора і працює на внутрішній частоті МП.