LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 60
(всего 138)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Порты предназначены для соединения периферийных
ние, как только устройство физически будет пр-исоединено к
устройств с материнской платой. Существует несколько ви-
машине, и при этом нет необходимости пере загружать или
дов портов.
выключать компьютер, а также запускать прог эаммы установ-
ки и конфигурирования. Шина USB позволяет одновременно
5.1. Параллельные порты (LPT) подключать последовательно до 127 устром:тв, таких, как
мониторы или клавиатуры, выполняющих р.оль дополнитель-
Чаще всего параллельные порты LPT используются для
но подключенных компонентов, или хабоы [т. е. устройств,
подключения к компьютеру печатающих устройств (прин-
через которые подключается еще несколько;,
теров).
USB определяет, добавлено устройство или отключено,
Параллельные порты получили свое название благодаря
благодаря своей продвинутой логике, обеспечиваемой основ-
методу передачи данных, т. к. они имеют восемь разрядов шины
ной системой. Шина автоматически определяет, какой сис-
данных и способны передавать информацию байтами синхронно
темный ресурс, включая программный драйвер и пропускную
по восьми проводникам.
Из чего состоит персональный компьютер 267

способность, нужен каждому периферийному устройству, и (4 бита на пиксел), 256 (8 бит на пиксел), 32 000 (12 бит на
делает этот ресурс доступным без вмешательства пользовате- пиксел), 64 000 (16 бит на пиксел), 16 млн (32 бита на пиксел) —
ля. Владельцы компьютеров, оснащенных шиной USB, имеют режим True color. В зависимости от используемого графичес-
возможность переключать совместимые периферийные уст- кого режима и типа адаптера дисплея, цвета пикселов могут
ройства так же просто, как они вкручивают новую лампочку в кодироваться разным количеством бит, что в конечном итоге
лампу, определяет число одновременно отображаемых на экране цве-
тов — цветовую палитру — и объем видеопамяти, необходи-
мый для хранения картинки изображения.
5.5. Порт FireWire
Современные видеокарты могут иметь до 64 МБ видео-
IEEE 1394, или FireWire, — это последовательная высо- памяти и более, что дает им возможность использовать графи-
коскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой ческие видеорежимы с 16 млн цветов (True color) и разреше-
информацией между компьютером и другими электронными нием экрана до 1024x768 пикселов и выше.
устройствами. Благодаря невысокой цене и большой скоро- Скорость работы видеоадаптера — скорость отрисовки
сти передачи данных эта шина становится новым стандартом пикселов на экране — весьма разнообразна и зависит от его
шины ввода/вывода для персонального компьютера. Ее из- типа, видеорежима, используемой в адаптере видеопамяти и
меняемая архитектура и одноранговая топология делают скорости работы и типа всей системы в целом.
FireWire идеальным вариантом для подключения жестких Современные видеоадаптеры в своем составе имеют, как
дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации. правило, контроллер и процессор — графический сопроцессор
Эта шина также идеально подходит для работы мультимедий- системы. Разрядность контроллера и шипы данных между
ных приложений в реальном времени. контроллером и видеопамятью может составлять 32 и 64 бита,
что в первую очередь влияет на производительность устрой-
ства. Однако разрядность — признак, характеризующий четы-
ре компонента видеосистемы — процессор, контроллер, мик-
6. ВИДЕОКАРТА
росхему памяти и соединяющую их шину данных. Теорети-
чески, наивысшая производительность достигается при 64-раз-
Видеокарта, видеоадаптер, видеоконтроллер, или адап-
рядности всех четырех компонент. Однако использование та-
тер дисплея, является устройством, непосредственно форми-
ких видеорежимов сказывается на производительности всей
рующим изображение на мониторе. Как и любой другой кон-
системы и, следовательно, они забирают часть ресурсов ком-
троллер устройства, видеокарта может быть выполнена как
пьютера, если у него не хватает видеопамяти. Для того чтобы
внешнее или внутреннее (интегрированное, встроенное) на
видеокарта не забирала под свою работу системные ресурсы,
материнскую плату оборудование. Тип видеоконтроллера и
нужно, чтобы у видеокарты имелось в наличии не менее 8 МБ
его возможности определяют в конечном виде аппаратно дос-
видеопамяти.
тижимые и поддерживаемые режимы работы всей графичес-
кой системы, скорость и качество формируемого на экране К важнейшим характеристикам видеокарты относят тип,
мониторов изображения. вид; поддерживаемые видеорежимы (допустимые разрешения
экрана, максимально возможное количество цветов), поддер-
Видеокарта, выполненная как внешнее устройство, тре-
живаемые режимы энергетического сохранения и управления
бует подключения к материнской плате в определенный слот.
монитором, поддержку аппаратных систем ускорения и аксе-
Интегрированная на материнскую плату видеокарта не
лерации вывода в текстовых и графических режимах, акселе-
требует подключения вообще, но может быть отключена в
рации отрисовки двухмерных 2D и трехмерных 3D изображе-
случае необходимости подключения внешней.
ний, заполнения фоном (текстурой) графических примитивов,
Все видеокарты содержат видеобуфер, физические адре-
буферизации вывода растровых и других шрифтов, разряд-
са которого находятся на плате адаптера, но входят в общее
ность контроллера и шины данных между контроллером и
адресное пространство оперативной памяти компьютера. В нем
видеопамятью и др. Большинство указанных параметров за-
хранится текстовая или графическая информация, выводимая
висят от типа и вида устройства.
на экран. Тип микросхем видеопамяти значительно влияет на
производительность всей видеосистемы в целом. Так, обыч-
ные чипы динамической памяти DRAM не позволяют делать
одновременно операции чтения и записи в область видеопамя- 7. ЗВУКОВАЯ КАРТА
ти, а микросхемы VRAM (Video Random Access Memory) поз-
воляют, что значительно ускоряет работу устройства. Основ- Звуковые адаптеры, или карты, — это устройства, позво-
ная функция видеокарты заключается в преобразовании циф- ляющие воспроизводить и записывать звук. Стандартные зву-
ровых данных видеобуфера в те сигналы, которые управляют ковые карты обычно бывают внутренние, вставляемые в разъем
монитором и формируют видимое пользователем изображе- системной шины на материнской плате. К звуковым картам
ние на экране. обычно можно подключить колонки, микрофон и игровой
джойстик. Основные характеристики звуковых адаптеров —
Графические режимы допускают отрисовку на экране мо-
это качество звука (частотный диапазон воспроизведения и
нитора объектов произвольной формы и сложности. Общим
записи, стерео- или моноззучанис, наличие систем цифровой
принципом графических режимов является кодирование изо-
фильтрации), количество каналов воспроизведения и записи,
бражения как набора элементарных точек — пикселов, опре-
разрядность шины данных, наличие синтезатора и число его
деляющих максимальное разрешение экрана. Выпускаются ви-
голосов и др. Чем шире частотный диапазон звукового сигна-
деокарты с самыми различными графическими режимами
ла, тем чище и качественнее воспроизводимый и записывае-
(320x200,640x480, 800x600, 1024x768, 1280x1024, 1600x1200).
мый звук устройства. Наиболее распространены карты с диа-
В зависимости от числа бит на пиксел различают моно-
пазоном от 20 Гц до 25 КГц. Системы цифровой фильтрации
хромные и цветные графические режимы с числом цветов 10
268 Информатика

печивающие возможности от примитивного монофоническо-
позволяют достаточно существенно улучшить качество зву-
го до многоканального стереозвука и записи.
чания и записи. Они могут быть одно- и многоканальными и
иметь или не иметь программный интерфейс управления. Синтезатор представляет собой дополнительную систе-
Обычные звуковые карты, применяемые в домашних и му создания звуковых эффектов. При помощи программиру-
офисных компьютерах, имеют один канал воспроизведения и емых голосов синтезатора можно синтезировать звук благо-
один канал записи звука. Более мощные и дорогие устройства даря специальным цифровым командам, чта значительно
имеют несколько (2, 4, 6, 10 и более) каналов и позволяют уменьшает объем информации, необходимый для воспроизве-
осуществлять независимое воспроизведение, запись и нало- дения звука. Многие звуковые карты содержат :вуковой вход
жение нескольких звуковых источников, а также полное раз- аналогового сигнала для подключения выходного звукового
дельное управление каналами. CD-ROM, для обеспечения возможности проигрывания му-
зыкальных компакт-дисков. Также они могут им ;ть слоты для
Разрядность внутренней и внешней шин данных имеет
подключения игровых адаптеров, позволяющей: подключать
прямое отношение к производительности и возможностям
джойстики и другие игровые манипуляторы.
устройства. Выпускаются 8-, 16- и 32-разрядные карты, обес-




ПРОЦЕССОР
План
1. Архитектуры процессоров.
1.1. RISC.
1.2. CISC.
1.3. Параметры процессоров.
1.4. Процесс производства.
2. Процессоры Intel Architecture.
2.1. История процессоров IA.
2.2. Как работают процессоры IA-32.
2.3. Современные процессоры IA-32.
2.4. Процессоры IA-64.



В АЛУ производится арифметическая и логическая, об-
1. АРХИТЕКТУРЫ ПРОЦЕССОРОВ
работка данных.
Устройство управления реализует временную диаграм-
Процессор, или более полно — микропроцессор, часто
му и вырабатывает необходимые управляющие сигналы для
называемый ЦПУ (CPU — central processing unit), является
центральным компонентом компьютера. Это разум, который внутренней работы микропроцессора и связи его с другой ап-
прямо или косвенно управляет всем происходящим внутри паратурой через внешние шины микропроцесс ера.
компьютера. На данный момент существует несколько направлений в
производстве микропроцессоров. Они различается принци-
Когда фон Нейман впервые предложил хранить после-
пами построения архитектуры процессора. Накоолее распрос-
довательность инструкций, так называемые программы, в той
же памяти, что и данные, это была поистине новаторская идея. траненными являются архитектуры RISC и CISC.
Опубликована она в «First Draft of a Report on the EDVAC» в
1945 г. Этот отчет описывал компьютер состоящим из четы-
1.1. RISC
рех основных частей: центрального арифметического устрой-
ства, центрального управляющего устройства, памяти и средств Микропроцессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruc-
ввода/вывода. tion Set Computers) используют сравнительно ызболылой (со-
кращенный) набор наиболее употребимых ком ад, определен-
Сегодня почти все процессоры имеют фон-неймановскую
ный в результате статистического анализа большого числа про-
архитектуру.
грамм для основных областей применения CISC-процессоров
Каждый микропроцессор имеет определенное число эле-
исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и
ментов памяти, называемых регистрами, арифметико-логичес-
имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняет-
кое устройство (АЛУ) и устройство управления.
ся с помощью специальных команд загрузки регистра и запи-
Регистры используются для временного хранения вы-
си. Простота структуры и небольшой набор к J панд позволя-
полняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых дан-
ют реализовать полностью их аппаратное выполнение и эф-
ных и другой внутренней информации микропроцессора.
Процессор 269

фективный конвейер при небольшом объеме оборудования. 1.3. Параметры процессоров
Арифметику RISC-процессоров отличает высокая степень
Структуры различных типов процессоров могут существен-
дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить так-
но различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее
товую частоту (а значит, и производительность) компьютера;
важными параметрами являются архитектура, адресное простран-
чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе
ство памяти, разрядность шины данных, быстродействие.
работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC-про-
Архитектуру микропроцессора (МП) определяет разряд-
цессоры с самого начала ориентированы на реализацию всех
ность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП ос-
возможностей ускорения арифметических операций, поэто-
новывались на 4-разрядной архитектуре. Первые ПЭВМ ис-
му их конвейеры обладают значительно более высоким бы-
пользовали МП с 8-разрядной архитектурой, а современные
стродействием, чем в CISC-процессорах. Поэтому RISC-про-
МП основаны на 32- и 64-разрядной архитектуре.
цессоры в 2—4 раза быстрее имеющих ту же тактовую час-
Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой ис-
тоту CISC-процессоров с обычной системой команд и более
пользовали последовательный принцип выполнения команд,
высокопроизводительны, несмотря на больший размер про-
при котором очередная операция начинается только после
грамм. RISC-архитектура построена на 4 основных прин-
выполнения предыдущей. В некоторых МП с 16-разрядной
ципах:
архитектурой используются принципы параллельной работы,
1. Любая операция должна выполняться за один такт,
при которой одновременно с выполнением текущей команды
вне зависимости от ее типа.
производятся предварительная выборка и хранение последу-
2. Система команд должна содержать минимальное коли-
ющих команд. В МП с 32-разрядной архитектурой использу-
чество наиболее часто используемых простейших инструкций
ется конвейерный метод выполнения команд, при котором
одинаковой длины.
несколько внутренних устройств МП работают параллельно,
3. Операции обработки данных реализуются только в
производя одновременно обработку нескольких последова-
формате «регистр — регистр» (операнды выбираются из опе-
тельных команд программы.
ративных регистров процессора, и результат операции запи-
Адресное пространство памяти определяется разряд-
сывается также в регистр; а обмен между оперативными реги-
ностью адресных регистров и адресной шины МП. В 8-раз-
страми и памятью выполняется только с помощью команд за-
рядных МП адресные регистры обычно составляются из
грузки/записи).
двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину,
4. Состав системы команд должен быть удобен для ком-
адресующую 68 КБ памяти. В 16-разрядных МП, как пра-
пиляции операторов языков высокого уровня.
вило, используются 20-разрядные адресные регистры, ад-
Усложнение RISC-процессоров фактически приближает
ресующие 1 МБ памяти. В 32-разрядных МП используются
их архитектуру к CISC-архитектуре.
24- и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 МБ
В настоящее время число процессоров с RISC-архитек-
до 4 ГБ памяти.
турой существенно возросло и все ведущие фирмы США их
Для выборки команд и обмена данными с памятью МП
производят, в том числе фирмы Intel, Motorola — производи-
имеют шину данных, разрядность которой, как правило, сов-
тели основных семейств процессоров с CISC-архитектурой.
падает с разрядностью внутренней шины данных, определяе-
мой архитектурой МП. Однако для упрощения связи с внеш-
1.2. CISC ней аппаратурой внешняя шина данных может иметь разряд-
ность меньшую, чем внутренняя шина и регистры данных.
Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex Например, некоторые МП с 16-разрядной архитектурой име-
Instruction Set Computers — архитектура вычислений с полной ют 8-разрядную внешнюю шину данных. Они представляют
системой команд) реализуют на уровне машинного языка ком- собой специальные модификации обычных 16-разрядных МП
плексные наборы команд различной сложности, от простых, и обладают практически той же вычислительной мощностью.
характерных для микропроцессора первого поколения, до Одним из важных параметров МП является тактовая
очень сложных. Большинство современных процессоров для частота его работы и работы системной шины, которая обыч-
персональных компьютеров построено по архитектуре CISC. но задается внешними синхросигналами. Для современных про-
В последнее время появились гибридные процессоры, цессоров стандартными являются частоты системной шины
которые имеют систему команд CISC, однако внутри преобра- 66, 100, 133 МГц, а собственная частота достигает 3 ГГц. Вы-
зовывают их в цепочки RISC-команд, которые и исполняются полнение простейших команд (например, сложение двух опе-
ядром процессора. рандов из регистров или пересылка операндов в регистрах
Постепенное усложнение CISC-процессоров происходит МП) требует минимально двух периодов тактовых импуль-
в направлении более совершенного управления машинными сов (для выборки команды и ее выполнения). Более сложные
ресурсами, а также в направлении сближения машинных язы- команды требуют для выполнения до 10—20 периодов такто-
ков с языками высокого уровня. вых импульсов. Если операнды находятся не в регистрах, а в
В то же время сложная система команд и переменный памяти, дополнительное время расходуется на выборки опе-
формат команды процессором с CISC-архитектурой привели рандов в регистры и запись результата в память.
к быстрому росту сложности схем. Так, процессор 8086 со- Скорость работы МП определяется не только тактовой
держал 29 тыс. транзисторов, 80 386 — 275 000, Pentium — частотой, но и набором его команд, их гибкостью, развитой
3 100 000, Pentium 4 — 42 млн транзисторов. Для того чтобы системой прерываний.
такие процессоры вообще могли работать с приемлемым энер- В соответствии с законом Мура (сформулированным в
гопотреблением и размещаться на ограниченной площади, про- 1965 г. Гордоном Муром, одним из создателей Intel), CPU
изводители работают над миниатюризацией транзисторов. Уже удваивает свою мощность и возможности каждые 18 месяцев.
достигнут уровень 0,09 мкм. Этот закон действует на протяжении уже почти сорока лег.
270 Информатика

Однако законы физики ограничивают разработчиков Pentium II изготовлен по такой технологии, он был бы раз-
в непосредственном увеличении частоты, и хотя частоты мером 14x20 см и был бы медленным — быстрые транзисто-
растут каждый год, это не может дать того прироста произ- ры малы. Большинство процессоров сегодня используют
водительности, что мы используем сегодня. Вот почему ин- 0.13-микрониую технологию, а на подходе уже и 0.09-мик-
женеры постоянно ищут способ заставить процессор вы- ронный процесс.
полнять больше работы за каждый тик. Развитие состоит в
расширении шины данных и регистров. Даже 4-битные про-
цессоры способны складывать 32-битные числа, правда, вы- 2. ПРОЦЕССОРЫ INTEL ARCHITECTURE
полнив массу инструкций; 32-битные процессоры решают
эту задачу в одну инструкцию. Большинство сегодняшних 2.1. История процессоров IA
процессоров имеют 32-разрядную архитектуру, на повестке
Архитектура Intel Architecture стала стан;иртом «де-фак-
уже 64-разрядные.
то» современной компьютерной индустрии по:ле того, как в
1981 г. компания IBM выбрала для своего первого персо-
1.4. Процесс производства
нального компьютера IBM PC процессор Intei 8088. Осново-
полагающими факторами такой популярности Intel считает
Кремний или силикон — это основной материал для про-
полную совместимость программного обеспечэния, разрабо-
изводства чипов. Это полупроводник, который, будучи приса-
танного под Intel Architecture процессоры, и вс э более серьез-
жен добавками по специальной маске, становится транзисто-
ные увеличения производительности, предлагавшиеся с вы-
ром, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс
ходом новых поколений процессоров.
подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пере-
Родоначальниками процессорной архитектуры Intel
секающихся дорожек и т. д. на поверхности кремния.
Architecture являлись 16-разрядные процессора 8088 и 8086,
Сперва выращивается кремневая болванка. Она должна
причем объектный код, разработанный в расчете на них в 1978 г.,
иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект
и поныне без проблем исполняется на самых госледних про-
налагает ограничение на ее размер. В прежние дни болванка
цессорах 32-разрядной архитектуры IA-32.
ограничивалась диаметром в 2 дюйма, а сейчас — 8 дюймов. На
следующей стадии болванка разрезается на слои, называемые Процессор 8086 имел 16-разрядные регистры общего
пластинами (wafers). Они полируются до безупречной зеркаль- назначения, 16-разрядную шину данных и 20-разрядную шину
ной поверхности, На этой пластине и создается чип. Обычно адреса, что позволяло ему оперировать адрес ным простран-
из одной пластины делается много процессоров. ством в 1 МБ. Отличие процессора 8088 заключалось в 8-
разрядной шине данных.
Электрическая схема состоит из разных материалов.
Эти процессоры привнесли сегментацию в архитектуру
Например, диоксид кремния — это изолятор, из полисиликона
IA-32. Память разделялась на сегменты размером до 64 КБ.
изготавливаются проводящие дорожки. Когда появляется
Оперируя четырьмя сегментными регистрами одновременно,
открытая пластина, она бомбардируется ионами для создания
процессор имел возможность адресации до 256 КБ памяти без
транзисторов — .это и называется присадкой.
переключения между сегментами. При этом 20-разрядные ад-
Чтобы создать все требуемые детали, на всю поверхность
реса получались путем добавления 16-разря.!шого адреса к
пластины добавляются слои и лишние части вытравливаются
указателю сегментного регистра.
вновь. Для этого новый слой покрывается фоторезистором,
Процессор 80286 привнес в архитектуру (Д-32 защищен-
на который проектируется образ требуемых деталей. После
ный режим. В нем содержимое сегментных регистров исполь-
экспозиции проявление удаляет части фоторезистора, выстав-
зуется в качестве указателей на таблицы дескрипторов, кото-
ленные на свет, оставляя маску, через которую проходило
рые давали возможность 24-разрядной адресации, что состав-
вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется раство-
ляло 16 МБ адресного пространства. К тому же появилась воз-
рителем.
можность проверки границ сегментов, опций read и execute-
Этот процесс повторяется, по слою за раз, до полного
only для сегментов и 4 уровня защиты кода операционной сис-
создания всей схемы. Излишне говорить, что детали размером
темы от приложений и защита приложений друг от друга.
в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылин-
Intel 80386 стал первым 32-разрядным процессором в
ка. Такая пьиинка может быть размером от микрона до ста — а
архитектуре IA-32. В архитектуру введены 32-разрядные ре-
это в 3—300 раз больше детали. Микропроцессоры произво-
гистры общего назначения (GP — general purpose), подходя-
дятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специаль-
щие как для хранения адресов, так и для операндов. Нижняя и
ные защитные костюмы.
верхняя половины сохранили возможность работы в качестве
В прежние времена производство полупроводников при-
самостоятельных регистров для обеспечения совместимости с
водило к удаче или неудаче с отношением успеха менее 50%
предыдущими процессорами. Для обеспечения эффективного
работающих чипов. Сегодня выход готовой продукции на-
выполнения кода, созданного под ранние процесс эры, на 32-раз-
много выше, но никто не ожидает 100%. Как только новый
рядных процессорах был введен виртуальный х86-режим.
слой добавляется на пластину, каждый чип тестируется и от-
Имея 32-разрядную шину адреса, 80386 процессор под-
мечается любое несоответствие. Индивидуальные чипы отде-
держивал адресацию до 4 ГБ памяти. При этои была возмож-
ляются. Плохие бракуются, а хорошие упаковываются в PGA-
ность использования как сегментированной ламяти, так и
корпус (Pin Grid Arrays) — керамический прямоугольник с
«плоской», при которой все сегментные регистры содержали
рядами штырьков на дне; именно такой корпус большинство
указатель на один и тот же адрес, и в каждом сегменте доступ-
людей принимают за процессор.
но все 4-гигабайтное адресное пространство. Для виртуально-
Intel 4004 использовал 10-микронный процесс: наимень-
го управления памятью вводится страничный метод, при ко-
шие детали составляли одну 10-миллионную метра. По сегод-
тором адресное пространство делится на фиксированные стра-
няшним стандартам это чудовищно. Если предположить, что
Процессор 271

ницы размером по 4 КБ, эффективность которого значительно и данные приходилось по 8 КБ, причем кэш данных использо-
превышала использование сегментов, 16-разрядные инструкции, вал более эффективную схему с обратной записью. Для эф-

<< Пред. стр.

страница 60
(всего 138)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign