Процессор и его компоненты
Вы будете перенаправлены на Автор24
Описание и назначение процессоров
Центральный процессор (ЦП) – основной компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет процессом вычислений и координирует работу всех устройств ПК.
Чем мощнее процессор, тем выше быстродействие ПК.
Центральный процессор часто называют просто процессором, ЦПУ (Центральное Процессорное Устройство) или CPU (Central Processing Unit), реже – кристаллом, камнем, хост-процессором.
Современные процессоры являются микропроцессорами.
Микропроцессор имеет вид интегральной схемы – тонкой пластинки из кристаллического кремния прямоугольной формы площадью в несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы с миллиардами транзисторов и каналов для прохождения сигналов. Кристалл-пластинка помещен в пластмассовый или керамический корпус и соединен золотыми проводками с металлическими штырьками для подсоединения к системной плате ПК.
Рисунок 1. Микропроцессор Intel 4004 (1971 г.)
Рисунок 2. Микропроцессор Intel Pentium IV (2001 г.). Слева – вид сверху, справа – вид снизу
ЦП предназначен для автоматического выполнения программы.
Устройство процессора
Основными компонентами ЦП являются:
Готовые работы на аналогичную тему
Рисунок 3. Упрощенная схема процессора
Принципы работы процессора
ЦП работает под управлением программы, которая находится в оперативной памяти.
АЛУ получает данные и выполняет указанную операцию, записывая результат в один из свободных регистров.
Текущая команда находится в специальном регистре команд. При работе с текущей командой значение так называемого счетчика команд увеличивается, который затем указывает на следующую команду (исключением может быть только команда перехода).
Команда состоит из записи операции (которую нужно выполнить), адресов ячеек исходных данных и результата. По указанным в команде адресам берутся данные и помещаются в обычные регистры (в смысле не в регистр команды), получившийся результат тоже сначала помещается в регистр, а уж потом перемещается по своему адресу, указанному в команде.
Характеристики процессора
Для повышения производительности ЦП стали использовать несколько ядер, каждое из которых фактически является отдельным процессором. Чем больше ядер, тем выше производительность ПК.
Процессор связан с другими устройствами (например, с оперативной памятью) через шины данных, адреса и управления. Разрядность шин кратна 8 (т.к. имеем дело с байтами) и отличается для разных моделей, а также различна для шины данных и шины адреса.
Пропускная способность современных ПК исчисляется в гигабитах (или десятках гигабит) в секунду. Чем выше этот показатель, тем лучше. На производительность ЦП влияет также объем кэш-памяти.
Данные для работы ЦП поступают из оперативной памяти, но т.к. память медленнее ЦП, то он может часто простаивать. Во избежание этого между ЦП и оперативной памятью располагают кэш-память, которая быстрее оперативной. Она работает как буфер. Данные из оперативной памяти посылаются в кэш, а затем в ЦП. Когда ЦП требует следующее данное, то при наличии его в кэш-памяти оно берется из него, иначе происходит обращение к оперативной памяти. Если в программе выполняется последовательно одна команда за другой, то при выполнении одной команды коды следующих команд загружаются из оперативной памяти в кэш. Это сильно ускоряет работу, т.к. ожидание ЦП сокращается.
Существует кэш-память трех видов:
От объема этих видов памяти зависит скорость работы ЦП и соответственно компьютера.
Следующая характеристика – сокет (разъем), в который вставляется ЦП. Если ЦП предназначен для определенного вида сокета, то его нельзя установить в другой. Между тем, на материнской плате находится только один сокет для ЦП и он должен соответствовать типу этого процессора.
Типы процессоров
Процессор нужно устанавливать на материнскую плату с соответствующей процессору частотой системной шины.
В последних моделях ЦП реализован механизм защиты от перегрева, т.е. ЦП при повышении температуры выше критической переходит на пониженную тактовую частоту, при которой потребляется меньше электроэнергии.
Если в вычислительной системе несколько параллельно работающих процессоров, то такие системы называются многопроцессорными.
Курс IT Essentials. Контрольная работа 1. Знакомство с системой персонального компьютера.
Курс IT Essentials: PC HArdware and Software.
Контрольная работа по главе 1. Знакомство с системой персонального компьютера.
Вопрос 1.
Заказчик попросил собрать ПК, который будет поддерживать eSATA. Какой компонент необходимо проверить, чтобы убедиться в поддержке этой функции?
жесткий диск
ЦП
+++ чипсет
модуль ОЗУ
Вопрос 2.
Какие три компонента должны иметь один и тот же форм-фактор при сборке компьютера? (Выберите три варианта.)
монитор
клавиатура
+++ материнская плата
+++ блок питания
+++ корпус
видеокарта
Вопрос 3.
Что из нижеперечисленного относится к приемам увеличения производительности процессора по сравнению с фабричным значением?
++++ разгон
ограничение
гиперпоточность
многозадачность
Вопрос 4.
Какие единицы используются при измерении величины сопротивления току в цепи?
+++ омы
ватты
вольты
амперы
Сопротивление цепи измеряется в омах (Ом). Амперы (А) используются при измерении количества электронов, перемещающихся по цепи. Ватты (Вт) используются при измерении величины работы, необходимой для перемещения электронов по цепи. Вольты (в) используются при измерении работы, которую требуется проделать для перемещения заряда из одного места в другое.
Вопрос 6.
Какую характеристику имеют тонкие клиенты?
Им требуется быстрое ОЗУ большого объема.
Они выполняют все задачи обработки локально.
Они способны одновременно запускать несколько операционных систем.
+++ Для доступа к вычислительным ресурсам и хранилищу им требуется сетевое соединение.
Вопрос 7.
Какое обновление оборудования позволит процессору игрового ПК обеспечивать оптимальный уровень производительности для видеоигр?
внешний жесткий диск большой емкости
+++ быстрое ОЗУ большого объема
жидкостное охлаждение
диск EIDE с высоким быстродействием
Вопрос 8.
Какая плата адаптера в ПК обеспечивает отказоустойчивость данных?
+++ плата RAID
карта SD
плата ввода-вывода
плата захвата
Вопрос 9.
Что необходимо знать перед тем, как выбирать блок питания? (Выберите два варианта.)
требования к напряжению периферийных устройств
установленная операционная система
++++ общая мощность всех компонентов
++++форм-фактор корпуса
тип ЦП
Вопрос 10.
В ведении сетевого администратора на данный момент находится три сервера, и ему нужно добавить четвертый, однако для размещения дополнительного монитора и клавиатуры недостаточно места. При помощи какого устройства можно подключить все серверы к одному комплекту монитора и клавиатуры?
коммутатора USB
монитора с сенсорным экраном
ИБП
+++ KVM-переключателя
концентратора PS/2
Вопрос 11.
Какие устройства являются устройствами вывода? (Выберите три варианта).
клавиатура
+++ принтер
+++ наушники
мышь
+++ монитор
дактилоскопический сканер
Вопрос 12.
Заполните пустое поле.
В серверах и высокопроизводительных рабочих станциях обычно используется _______ память. Это специальная память, в которой имеется дополнительная схема для управления ОЗУ большого объема. Используйте русскоязычный термин.
Ответ 1: буферизуемая
Вопрос 13.
Какой тип памяти встроен в микросхему ЦП для обеспечения быстрого доступа к данным?
SODIMM
DDR3
Оперативная динамическая память DRAM
+++ Статическое ОЗУ (SRAM)
Вопрос 14.
Назовите два программных интерфейса, которые позволяют настраивать напряжение ЦП. (Выберите два варианта.)
+++ Настройки UEFI
+++ Параметры BIOS
Панель управления – Система
Панель управления – Электропитание
Панель управления – Диспетчер устройств
Вопрос 15.
Какой опасности подвергает себя инженер, открывая блок питания, даже если последний был давно отключен от сети?
+++ поражению накопленным зарядом высокого напряжения
воздействию тяжелых металлов
ожогу от горячих компонентов
отравлению ядовитыми парами
Кэш центрального процессора
Содержание
История
Впервые слово «кэш» в компьютерном контексте было использовано в 1967 году во время подготовки статьи для публикации в журнале «IBM Systems Journal». Статья касалась усовершенствования памяти в разрабатываемой модели 85 из серии IBM System/360. Редактор журнала Лайл Джонсон попросил придумать более описательный термин, нежели «высокоскоростной буфер», но из-за отсутствия идей сам предложил слово «кэш». Статья была опубликована в начале 1968 года, авторы были премированы [2]
Функционирование
Кэш — это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами и веб-серверами.
Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.
Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдено записей, содержащих затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становятся доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.
Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL — это идентификатор, а содержимое веб-страницы — это элементы данных.
Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.
При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.
В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.
В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.
В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.
Кэш центрального процессора
Ряд моделей центральных процессоров (ЦП) обладают собственным кэшем, для того чтобы минимизировать доступ к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры. Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности, в случае когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП.
Уровни кэша
Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. Для универсальных процессоров — до 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости обращения и передаче данных, чем кэш-память уровня N.
Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. Состоит из кэша команд и кэша данных. Некоторые процессоры без L1 кэша не могут функционировать. На других его можно отключить, но тогда значительно падает производительность процессора. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт (зачастую является возможным выполнять даже несколько чтений/записей одновременно). Латентность доступа обычно равна 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик — не более 128 Кбайт.
Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня. Обычно он расположен либо на кристалле, как и L1, либо в непосредственной близости от ядра, например, в процессорном картридже (только в слотовых процессорах). В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в 8 Мбайт на каждое ядро приходится по 2 Мбайта. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра. В отличие от L1 кэша, его отключение может не повлиять на производительность системы. Однако, в задачах, связанных с многочисленными обращениями к ограниченной области памяти, например, СУБД, производительность может упасть в десятки раз.
Кэш третьего уровня наименее быстродействующий и обычно расположен отдельно от ядра ЦП, но он может быть очень внушительного размера — более 32 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании.
Отключение кэша второго и третьего уровней обычно используется в математических задачах, например, при обсчёте полигонов, когда объём данных меньше размера кэша. В этом случае, можно сразу записать все данные в кэш, а затем производить их обработку.
Ассоциативность кэша
При одинаковом объеме кэша схема с большей ассоциативностью будет наименее быстрой, но наиболее эффективной.
Кэширование внешних накопителей
Многие периферийные устройства хранения данных используют кэш для ускорения работы, в частности, жёсткие диски используют кэш-память от 1 до 32 Мбайт (модели с поддержкой
Применение кэширования внешних накопителей обусловлено следующими факторами:
Кэширование, выполняемое операционной системой
Кэш оперативной памяти состоит из следующих элементов:
Алгоритм работы кэша с отложенной записью
Изначально все заголовки буферов помещаются в список свободных буферов. Если процесс намеревается прочитать или модифицировать блок, то он выполняет следующий алгоритм:
Процесс читает данные в полученный буфер и освобождает его. В случае модификации процесс перед освобождением помечает буфер как «грязный». При освобождении буфер помещается в голову списка свободных буферов.
Алгоритм вытеснения
Если список свободных буферов пуст, то выполняется алгоритм вытеснения буфера. Алгоритм вытеснения существенно влияет на производительность кэша. Существуют следующие алгоритмы:
Программное кэширование
Политика записи при кэшировании
При чтении данных кэш-память даёт однозначный выигрыш в производительности. При записи данных выигрыш можно получить только ценой снижения надёжности. Поэтому в различных приложениях может быть выбрана та или иная политика записи кэш-памяти..
Существуют две основные политики записи кэш-памяти — сквозная запись (write-through) и отложенная запись (write-back).
Кэширование интернет-страниц
В процессе передачи информации по сети может использоваться кэширование интернет-страниц — процесс сохранения часто запрашиваемых документов на (промежуточных) прокси-серверах или машине пользователя, с целью предотвращения их постоянной загрузки с сервера-источника и уменьшения трафика. Таким образом, информация перемещается ближе к пользователю. Управление кэшированием осуществляется при помощи CMS конкретного сайта для снижения нагрузки на сервер при большой посещаемости. Кэширование может производится как в память, так и в файловый кэш (кэш на файлах).
Кэширование результатов работы
Многие программы записывают куда-либо промежуточные или вспомогательные результаты работы, чтобы не вычислять их каждый раз, когда они понадобятся. Это ускоряет работу, но требует дополнительной памяти (оперативной или дисковой). Примером такого кэширования является индексирование баз данных.
Энциклопедия процессорных терминов
Эта справочная статья нужна, чтобы читатели не запутались в бесконечных терминах и сокращениях, переполняющих любую содержательную аналитику о процессорах и их архитектурах. Писать такие статьи без спецтерминов нельзя, иначе они превратятся в иносказательную кашу, из которой можно сделать какой угодно вывод, кроме правильного. Чтобы определиться, что именно автор имеет в виду под тем или иным специфическим словом или сокращением, не напоминая об этом каждый раз, и написана энциклопедия. Она также пригодится для изучения тематических иллюстраций, в изобилии встречающихся в процессорных статьях и презентациях и в большинстве случаев написанных на английском.
Некоторые сокращения имеют несколько расшифровок и потому встречаются в нескольких разделах. Сами разделы имеют не алфавитную, а ассоциативную сортировку — например стадии конвейера перечислены в таком порядке, в котором реально встречаются в процессоре. Таким образом, в отличие от отсортированных по алфавиту справочников, эти словарные статьи можно также читать подряд.
Энциклопедия постоянно уточняется и пополняется (дата последнего обновления — в конце) и на данный момент содержит 234 термина (без учёта переводов и синонимов).
Общие положения и вычислительные парадигмы
Отмеченные звёздочками команды являются инвариантными по данным — они реализуют своё действие одинаковым алгоритмом вне зависимости от типа операндов. Команды, меняющие содержимое данных, являются вычислительными: чаще всего встречается простая арифметика и логика, затем умножения и сдвиги и, гораздо реже, — деления и преобразования.
Команды x86 и их наборы
Обязателен только опкод, но в большинстве команд также есть несколько префиксов и байт modR/M. Оригинальная x86 кодирует операнды разрушающим образом.
Если в 64-битной команде используется хотя бы один регистр из добавленных, ей требуется дополнительный REX-префикс, указывающий недостающие биты в кодах регистров.
Использование префиксов удлинняет команду и является следствием ранних попыток Intel укоротить наиболее частые команды x86, а позже — следствием добавления новых команд, сохраняя старые. Из-за префиксов трудно определить длину команды, что ограничивает скорость исполнения и требует сложной логики для длиномера и декодера. У каждого x86-ЦП есть ограничение на максимальное число префиксов в команде, при котором достижима пиковая скорость исполнения.
* — больший размер позволяет иметь бо́льшую точность и диапазон степеней.
Также добавлены новые векторные и скалярные (в AVX2) команды. Мнемоники команд AVX имеют приставку V.
FMA-команда отличается повышенной скоростью (слитая операция быстрее двух раздельных) и точностью (не происходит промежуточного округления произведения).
Поведение переходов предсказывается заранее, чаще всего удачно.
Общее устройство конвейера
Из-за фиксированного размера мопа на операнды пары команд накладываются ограничения: не более одного доступа в память, не более одного непосредственного операнда (иногда не допускается вовсе) и т. п.
Стадии конвейера
В последних двух случаях диспетчер возвращает конвейер в предыдущее точно известное состояние («сброс конвейера»), теряя все упреждающие результаты; успешная отставка обновляет это состояние. Отставка перехода вне зависимости от успешности предсказания пополняет статистику предсказателя.
При обнаружении исключения конвейер прекращает принимать новые команды и пытается довести до отставки все предыдущие (в программном порядке) мопы. Если при этом в них не обнаружено фальш-предсказание перехода, либо другое исключение, то далее ядро запускает обработку данного.
Блоки процессора
Иногда под FPU понимается весь векторно-вещественный домен.
Подсистема памяти
В современных ЦП кэши (в сумме) часто занимают до половины места на кристалле и бо́льшую часть его транзисторов, но потребляют энергии значительно меньше прочих структур. В ЦП x86 все кэши имеют физическую адресацию, поэтому при обращении к L1 требуется преобразовать виртуальные адреса в TLB.
Сложный предзагрузчик, как и предсказатель переходов, применяет разные алгоритмы и отслеживает собственную эффективность, отключая предзагрузку для труднопредсказуемых обращений во избежание помещения в кэш ненужных данных («загрязнение кэша»). Для борьбы с последним отсутствующие в кэше и подгруженные извне данные либо сначала сохраняются в буфере предзагрузчика и только в случае востребованности позже записываются в кэш, либо записываются сразу, но указанием наименьшей популярности. Современные ЦП имеют аппаратную предзагрузку почти во все кэши, а в их ISA есть команды программной предзагрузки по явно указанному адресу.
Физическая реализация
Если все требуемые для авторазгона параметры не превышают допустимые для данного ЦП пределы, то контроллер увеличивает множитель частоты (и, возможно, напряжение на соответствующей шине) полностью загруженным ядрам (иногда вместе с некоторыми простаивающими, но неотключаемыми), пока какой-либо из параметров не достигнет предела. Продвинутые версии авторазгона могут привести к выделению процессором энергии свыше значения TDP на время до минуты, пока остальные параметры (прежде всего температура) не достигли насыщения.
Связь между ЦП и ОЗУ, как это происходит?
Если вы когда-нибудь задумывались, что это за процесс, за которым следует процессор и Оперативная память что он назначил для получения данных и инструкций, которые он должен выполнить, то вам повезло, потому что в этой статье мы собираемся объяснить, что это за процесс связи между двумя наиболее важными элементами ПК, с которыми общаются разное.
Зачем процессору связь с ОЗУ?
Стадия, на которой CPU / ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР берет следующую инструкцию для выполнения из ОЗУ, называется «выборкой» и является одним из трех этапов, составляющих цикл команд: Fetch-Decode-Execute, о котором мы поговорим только в этой статье о первой, а о второй два будут оставлены на другой раз, так как оперативная память не вмешивается в них, кроме как для записи результата обратно.
Что такое память DRAM?
Вся память RAM, используемая в настоящее время в ПК: DDR4, GDDR6, HBM2e, LPDDR4 и т. Д., Является памятью типа DRAM, в то время как внутренняя память процессоров, кеши регистров и блокноты относятся к типу SRAM.
Битовые ячейки организованы в матрицу, в которой контакты адресации используются для доступа к ним следующим образом:
Для этого между матрицей битовых ячеек и шиной адресации существует двоичный декодер, который позволяет выбрать соответствующую битовую ячейку.
Контакты для связи с RAM
Если наша система имеет несколько микросхем памяти RAM, то первые биты адресации используются для выбора, к какой из микросхем памяти мы хотим получить доступ в модуле памяти DIMM. Также были случаи, когда адрес и контакты данных совпадали. Это связано с тем, что адресация и доступ к данным не выполняются одновременно.
Двоичный декодер и его роль в связи с RAM
В оперативной памяти адресация передается в двух циклах: сначала отправляется строка, к которой необходимо получить доступ, а затем столбец, а не одновременно.
Причина этого имеет очень простое объяснение: представьте, что у вас есть процессор с 16 битами адресации, подключенный к одной микросхеме памяти RAM. Если бы двоичный декодер был 16-битным, тогда потребовалось бы 16 вентилей НЕ и 65536 вентилей И. Напротив, 8-битный двоичный декодер имеет 8 вентилей НЕ и 256 вентилей И, что намного проще в реализации.
По этой причине обращение к оперативной памяти происходит в два этапа.
Банки памяти
Стандартный размер банков в памяти RAM составляет 8 бит, поэтому максимальный объем памяти при адресации всегда считается как 2 ^ n байтов. Фактически, это 16-, 32-, 64-битные шины и т. Д. Они передают данные нескольких последовательных адресов памяти, начиная с первого.
Связь между RAM и CPU
Для этого используется ряд специальных контактов, один из которых мы уже видели, и это запись Enable, а два других следующие:
Обе операции можно резюмировать следующим образом:
Благодаря этому вы уже можете получить приблизительное представление о том, как работает связь между процессором и его оперативной памятью.
