Устройство центрального процессора

Внутреннее устройство тракта данных типичного фон-неймановского процессо­ра иллюстрирует рисунок. Тракт данныхсостоит из регистров (обычно от 1 до 32), арифметико-логического устройства(АЛУ) и нескольких соединительных шин. Содержимое регистров поступает во входные регистры АЛУ, которые на рисунке обозначены буквами А и В. В них находятся входные данные АЛУ, пока АЛУ производит вычисления. Тракт данных – важная составная часть всех ком­пьютеров.

АЛУ выполняет сложение, вычитание и другие простые операции над вход­ными данными и помещает результат в выходной регистр. Содержимое этого выходного регистра может записываться обратно в один из регистров или сохра­нятся в памяти, если это необходимо. Рисунок иллюстрирует операцию сло­жения. Отметим, что входные и выходные регистры есть не у всех компьютеров.

Этот процесс называется циклом тракта данных.В какой-то степени он опреде­ляет, что может делать машина. Чем быстрее происходит цикл тракта данных, тем быстрее компьютер работает.

Рисунок – Тракт данных обычной фон-неймановской машины

Выполнение команд.Центральный процессор выполняет каждую команду за несколько шагов:

1. Вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд.

2. Меняет положение счетчика команд, который после этого указывает на следующую команду.

3. Определяет тип вызванной команды.

4. Если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это
слово.

5. Переносит слово, если это необходимо, в регистр центрального процессора.

6. Выполняет команду.

7. Переходит к шагу 1, чтобы начать выполнение следующей команды.

Такая последовательность шагов (выборка – декодирование – выполнение)является основой работы всех компьютеров.

4.2 Основная память. Память –это тот компонент компьютера, в котором хранятся программы и дан­ные. Можно также употреблять термин запоминающее устройство. Без памяти, откуда процессоры считывают и куда записывают информацию, не было бы цифровых компьютеров со встроенными программами.

Бит.Основной единицей хранения данных в памяти является двоичный разряд, кото­рый называется битом.Бит может содержать 0 или 1. Эта самая маленькая еди­ница памяти. (Устройство, в котором хранятся только нули, вряд ли могло быть основой памяти. Необходимы по крайней мере два значения.)

Адреса памяти.Память состоит из ячеек,каждая из которых может хранить некоторую порцию информации. Каждая ячейка имеет номер, который называется адресом.По ад­ресу программы могут ссылаться на определенную ячейку. Если память содер­жит п ячеек, они будут иметь адреса от 0 до п - 1. Все ячейки памяти содержат одинаковое число бит.

Ячейка – минимальная единица памяти, к которой можно обращаться. В по­следние годы практически все производители выпускают компьютеры с 8-раз­рядными ячейками, которые называются байтами.Байты группируются в сло­ва.В компьютере с 32-разрядными словами на каждое слово приходится 4 байт, а в компьютере с 64-разрядными словами – 8 байт. Такая единица как слово, не­обходима, поскольку большинство команд производят операции над целыми словами (например, складывают два слова).

4.3 Кэш-память.Процессоры всегда работали быстрее, чем память. Разработчики памяти обычно используют новые технологии для увеличения емкости, а не быстродействия, что делает разрыв еще большим. На практике такое несоответствие в скорости работы приводит к тому, что, когда процессор обращается к памяти, проходит несколько машинных циклов, прежде чем он получит запрошенное слово. Чем медленнее работает память, тем дольше процессору приходится ждать, тем боль­ше циклов проходит.

Самый простой способ решения проблемы – начать считывать информацию из памяти и при этом продолжать выпол­нение команд, но если какая-либо команда попытается использовать слово до того, как оно считано из памяти, процессор должен приостановить работу. Чем мед­леннее работает память, тем чаще будет возникать такая ситуация и тем больше окажется время простоя процессора. Например, если отсрочка составляет 10 цик­лов, весьма вероятно, что одна из 10 следующих команд попытается использо­вать слово, которое еще не считано из памяти.

На самом деле эта проблема не технологическая, а экономическая. Инженеры знают, как создать память, которая работает так же быстро, как процессор. Одна­ко ее приходится помещать прямо на микросхему процессора (поскольку инфор­мация через шину поступает очень медленно). Размещение памяти большого объема на микросхеме процессора делает его больше и, следовательно, дороже, и даже если бы стоимость не имела значения, все равно существуют ограничения на размеры создаваемых процессоров. Таким образом, приходится выбирать между быстрой памятью небольшого объема и медленной памятью большого объема.

Существуют технологии, объединяющие небольшую и быструю память с большой и медленной, что позволяет по разумной цене по­лучить память и с высокой скоростью работы, и большой емкости. Память не­большого объема с высокой скоростью работы называется кэш-памятью.

Основная идея кэш-памяти проста: в ней находятся слова, которые чаще все­го используются. Если процессору нужно какое-нибудь слово, сначала он обра­щается к кэш-памяти. Только в том случае, если слова там нет, он обращается к основной памяти. Если значительная часть слов находится в кэш-памяти, сред­нее время доступа значительно сокращается.

Рисунок – Кэш-память по логике вещей должна находиться между процессором и основной памятью

Кэш-память очень важна для высокопроизводительных процессоров. Однако здесь возникает ряд вопросов. Первый вопрос – объем кэш-памяти. Чем больше объем, тем лучше работает память, но тем дороже она стоит.

Сборка модулей памяти и их типы.Со времен появления полупроводниковой памяти и до начала 90-х годов все микросхемы памяти производились, продавались и устанавливались в виде от­дельных микросхем. Эти микросхемы вмещали от 1 Кбит до 1 Мбит информа­ции и выше. В первых персональных компьютерах часто оставлялись пустые разъемы, чтобы покупатель в случае необходимости мог вставить дополнитель­ные микросхемы памяти.

В настоящее время распространен другой подход. Группа микросхем (обычно 8 или 16) монтируется на одну крошечную печатную плату и продается как один блок. Он называется SIMM(Single Inline Memory Module – модуль памяти с односторонним расположением выводов) или DIMM(Dual Inline Memory Module – модуль памяти с двухсторонним расположением выводов).На пла­тах SIMM устанавливается один краевой разъем с 72 контактами; при этом ско­рость передачи данных за один тактовый цикл составляет 32 бит. Модули DIMM, как правило, снабжаются двумя краевыми разъемами (по одному на ка­ждой стороне платы) с 84 контактами; таким образом, общее количество контак­тов достигает 168, а скорость передачи данных возрастает до 64 бит за цикл. Схе­ма модуля SIMM изображена на рисунке.

Рисунок – Модуль SIMM объемом 256 Мбайт. Модулем управляют две микросхемы

Обычно модули SIMM и DIMM содержат 8 микросхем по 256 Мбит (32 Мбайт) каждая и более. Таким образом, весь модуль вмещает 256 Мбайт информа­ции. Во многих компьютерах предусматривается возможность установки четы­рех модулей; следовательно, при использовании модулей по 256 Мбайт общий объем памяти достигает 1 Гбайт.

В портативных компьютерах обычно используется модуль DIMM меньшего размера, который называется SO-DIMM(Small Outline DIMM). Модули SIMM и DIMM могут содержать бит четности или код исправления ошибок, однако, поскольку вероятность возникновения ошибок в модуле составляет примерно одну ошибку за 10 лет, в большинстве обычных компьютеров схемы обнаруже­ния и исправления ошибок не применяются.

Иерархическая структура памяти.Иерархическая структура памяти является традиционным решением проблемы хранения больших объемов данных. На самом верху иерархии нахо­дятся регистры процессора. Доступ к регистрам осуществляется быстрее всего. Дальше идет кэш-память, объем которой сейчас составляет от 32 Кбайт до не­скольких мегабайтов. Затем следует основная память, которая в настоящее вре­мя может вмещать от 16 Мбайт до десятков гигабайтов. Затем идут магнитные диски и, наконец, накопители на магнитной ленте и оптические диски, которые используются для хранения архивов.

Рисунок – Пятиуровневая организация памяти

По мере продвижения сверху вниз по иерархии меняются три параметра. Во-первых, увеличивается время доступа. Доступ к регистрам занимает несколь­ко наносекунд, доступ к кэш-памяти – немного больше, доступ к основной памя­ти – несколько десятков наносекунд. Дальше идет большой разрыв: доступ к дискам занимает по крайней мере 10 мкс, а время доступа к магнитным лентам и оптическим дискам вообще может измеряться в секундах (поскольку эти нако­пители информации еще нужно поместить в соответствующее устройство).

Во-вторых, растет объем памяти. Регистры могут содержать в лучшем случае 128 байт, кэш-память – несколько мегабайтов, основная память – десятки тысяч мегабайтов, магнитные диски – от нескольких единиц до нескольких десятков гигабайтов. Магнитные ленты и оптические диски хранятся автономно от ком­пьютера, поэтому их совокупный объем ограничивается только финансовыми возможностями владельца.

В третьих, увеличивается количество битов, которое вы получаете за 1 доллар. Стоимость объема основной памяти составляет несколько долларов за мегабайт,магнитных дисков – несколько центов за мегабайт, а магнитной ленты – не­сколько долларов за гигабайт или еще дешевле.