Основні поняття архітектури ПК

Основні поняття архітектури ПК

Мікропроцесор – складний, програмно – керований пристрій, призначений для обробки цифрової інформації, для керування процесом цієї обробки і виконаний у вигляді 1 або кількох MS підвищеного ступеня інтеграції.

Мікропроцесорний пристрій – пристрій, який складається з 1 або кількох мікропроцесорів, для одержання, перетворення та обробки ін.-ції.

Мікроконтролер – керований пристрій, виконаний на 1 чи кількох кристалах, що виконує ф-ю по логічному аналізу та керуванню.

Мікропроцесорна система – сукупність ф-льних пристроїв ядром якого є мікропроцесор або мікропроцесорний пристрій, призначений для обробки, перетворення і-ції, логічного керування.

Аспекти та рівні проектування мікропроцесорних пристроїв та систем.

Горизонтальні та вертикальні рівні проектування

  При проектуванні мікропроцесорних систем використовується блочно – ієрархічний… Є такі аспекти:

Паралельні ар-ри

Два напрямки:

1. Вдосконалення стр. ПК за рахунок зменшення різниці між шв. ЦП і шв. ОП;

2. Обєднання кількох МП в одну систему;

Кілька ієрархічних рівнів:

1. Рівень завдань;

2. Програмний;

3. Командний;

4. Арифметичний і розрядний;

Принципи паралельного ф-ня:

1. Ф-на обробка,

2. Конвеєрна обробка;

3. Матрична обробка;

4. Мультипроцесорна обробка.

ПК INTEL молодших поколінь

Це був 16-розрядний процесор, швидкодія 2,5 млн операцій за секунду, частота 5 мГц, адресація памяті до 1 мБ. Структура МП І8086  

МП INTEL 80386

     

Ар-ра INTEL 80486

    БШ – блок щинного інтерфейсу, він синхронізує роботу зовн. пристроїв з кешом та блоком попередної вибірки.

Конвеєризація та планування молодших поколінь фірми Intel

Конвеєризація та планування-це 2 способи звертання до памяті, з метою підвищення ефективності роботи процесора(одночасний спосіб роботи усіх пристроїв мікропроцесора, які можуть працювати незалежно один від одного). При конвеєрному звертанні до памяті адреса наступної команди вираховується тоді, коли виконується попередня команда. Але адреси команд перепутувалися з адресами даних, через що виникали очікувальні цикли і економія часу була малою. Тому було використано в I80486- пакетування-як тільки відкривається доступ до 1-ої адреси, усі дані що розм. за сусідніми адресами також стають доступними, тобто 1-ша адресація відкриває шлях до множини даних, і для цього всі дані були представлені в 64-бітному форматі.

Старші покоління INTEL

1. Р5(процесор)-до цих процесорів відноситься проц. Pentium, який мав частоту 60-66 мГц і PentiumMMX(P54)-76-200 мГц. Мали вони такі відмінності від попередніх:

- Суперскалярна ар-ра.

- Блок передбачення адреси переходу.

- Покращений блок для обчислень чисел з плаваючою комою.

- Засоби для задання розміру сторінок.

-

Архітектура МП Pentium

Засоби для знаходження та виправлення помилок.

 

 

Відмінності Р54 від Р5

Процесори Pentium MMX були орієнтовані на мультимедію та 2D і 3D графіку. В структуру процесора було введено 8 64-розрядих регістрів, 4 нові типи даних(запакований байт, запаковане слово, запаковане подвійне слово, 4-кратне слово),та 57 нових інструкцій, для одночасної обробки даних(SIMD технологій), було покращено буфер передбачення переходів, подвоєно число буферів запису, збільшено число ступенів конвеєра, була введена арифметика з насиченням(при виявленні переповнення результат приймає значення нижньої або верхньої границі, і для знакового насичення 0000h-7FFFh, для без знакового 0000h-FFFFh)

Р-Рейтинг процесорів

- Ця методологія розроблена фірмою Intel для визначення продуктивності процесорів інших фірм, її суть полягає в наступному:

1. Беруть 2 системи(перевіряють чужий проц. І проц. Intel)

2. На кожну систему завантажують відповідне ПЗ і тестується ефективність роботи кожної.

3. Визначають на скільки тестує мий пристрій кращий/гірший.

Відмінності Р6 від Р5

1. Збільшена частота ядра(від 150 мГц в Pentium 2 до 1,1 гГц в Pentium 3) 2. Вторинний кеш почав працювати на частоті ядра. 3. Було введено покращене передбачення переходів.

Процесор Pentium PRO

Випускалися з 1995, частоти від 333 мГц, вторинний кеш 256-1024кБ, первинний 8+8 кб. За допомогою їх можна було створити семетричні багатоядерні системи, вперше в ньому було застосовано динамічне вионання(інструкції могли викликатися в іншому порядку, ніж вони подавалися на ЦП)

Pentium 2

Зявився в 1996р, поєднував а-ру Pentium PRO з технологією ММХ.

Частоти-300-450 мГц

Первинний кеш 16+16 кб.

Celeron

Частоти 266->мГц

Відсутній вторинний кеш, що зменшило продуктивність, але і зменшило вартість.

Xeon

Вторинний кеш 512кб

Частоти від 450 мГц

Pentium 3

В 1998р, Було потокове розширення SSE(для обробки 3D графіки), звукових і відео потоків, для розпізнавання людської мови. Було додано 70 нових інструкцій, багаторівневе передбачення переходів, покращено ф-ю самотестування.

Мікропроцесори P7(Pentium 4)

Відмінності від Р6:

1. 64-розрядн ар-ра.

2. Пошук залежності між командами, що дозволяє групувати команди по 3 і виконувати 3 команди одночасно.

3. Спекулятивне виконання.

Ар-ра Pentium 4:

- 20-стадійний конвеєр

- Арифметико логічний пристрій що працює на частоті ЦП

- 64-розр кеш

- Додано 64 нові інструкції

Мікроархітектура процесорів Р7

Початкова тактова частота 1гГц, первинний кеш даних – невеликий, був збільшений вторинний.

 

 

 

 

Процесори фірми AMD

     

ПК фірми Cyrix

- Американська компанія, яка виробила МП але її МП не витримали конкуренції з Intel I AMD. Першим виробом 1989 року став математичний співпроцесор Fastmath, ще на 50% був потужніший за Intel-овський. В1992 були випущені процесори які називаються 486SLC і DLS, які за потужністю відповідали процесору Intel 386 і з 1995 намагалися конкурувати з Intel, в цьому році випустила процесор, який за потужністю перевищував 486 і створював конкурентоспроможність(низька ціна, але не підтримував обробки графіки). 1996 врахувала попередні помилки і розробила MediaGX, який працював на частотах 333 мГц і підтримував технологію ММХ, саме виникнення цих процесорів спонукало Intel виробляти Celeron.Cyrix була закрита і стала фірма VIA.

Кешування

Ар-ра 32-розрядного процесора містила ряд засобів для кешування памяті. Це 2-рівневий кеш інструкцій і даних, буфер асоціативної трансляції, блок посторінкової пере адресації і буфери запису. В 64-розрядних процесорах ця ар-ра була додана кеш 3 рівня.

Принципи кешування

     

Організація та основні поняття захищеного режиму

- користувацький(доступ користувача до системи обмежаний) - супервізора(системний – користувач має доступ до всієї системи) Першим об’єктом який захищає цей режим є пам'ять,зокрема до тієї ділянки в якій зберігаються коди, системні дані та…

Сторінкова організація памяті

- використовується для керування фізичною пам’яттю з адресами що вирівняні по границі сторінки. Сторінки не мають прив’язки до даних, а їх розмір визначається особливостями процесора. В перших 32 розрядних проц. розмір стр.=4кб,в Pentium 2 – 2 mb, в сучасних 16 мб.

 

Постійний розмір такої сторінки та неможливість їх перекриття дозволяє легко перенести сторінку в віртуальні і навпаки, і тому стр організація памяті використовується для створення системи віртуальної памяті. ЇЇ особливістю є те що таблиці каталогів стр. має бути унікальної для кожної задачі, що потребує певних затрат пам’яті.

Сегментна організація памяті

Кожна задача має потребу в 5 сигментах: 1. СП – супервізорний програмний сегмент 2. СД – супервізорний сегмент даних

Переривання та виключення

Алгоритм реакції ЦП на переривання або викл. ситуації: 1. ЦП намагається зберегти стан системи, який був до виключення або… 2. Визначається джерело переривання.

Віртуальний режим роботи

Поділяється на 2 види:V86 i EV86.

Віртуальний режим – механізм що дозволяє супервізорним прогамам в захищеному режимі на привілейованому рівні виконувати диспетчеризацію програм користувача. В цьому режимі будь – який ЦП I86 перетвориться в І8086, і призначення цього режиму – формування віртуальної машини що емалює роботу ЦП І8086. Цей режим вперше зявився в І386 і призначався для розподілу сегментної памяті між супервізорськими і користувацькими програмами. В старих ЦП режим V86 був замінений на EV86, але призначення таке саме.

Організація мультизадач

В захищеному режимі ЦП може реалізувати мультизадачну організацію роботи. Це полягає в можливості переходу від 1 задачі до іншої з наступним поверненням до попередньої задачі. Переходи між задачами здійснюються переходами команд керування за допомогою переривання та таблиць дескрипторів. Особливість цього режиму полягає в відсутності стеку для обміну даними між задачами і відсутності передачі параметрів.

Системи плат Plug & Play

Вперше з’явилася а 1995 році, до того розподіл ресурсів ПК здійснював користувач, що часто призводило до конфліктів. Перші спроби автоматичного підключення пристрою здійснювалося на шини MCI i EISA, але ці спроби були невдалими. Сьогодні всі шини підтримують цю специфікацію.

Для реалізації Plug & Play треба:

1. Підтримка специфікації апаратними засобами

2. Підтримка специфікації BIOS

3. Підтримка специфікації ОС.

BIOS, що підтримує цю специфікацію містить 13 додаткових ф-й,що використовує ОС. Можливість підтримки цієї специфікації визначається при тестуванні ПК процедурою POST. При підключенні пристрою виконується алгоритм:

1. Підключена шина або плата адаптера відключається

2. Вносяться зміни в таблицю розподілу ресурсів

3. Вносяться зміни в таблицю переривань

4. Інформація про конфігурацію ПК перезаписуються, шина підключається і система продовжує роботу.

Засоби діагностування ПК

Діагностичні програми

Для IBM сумісних ПК є кілька видів програм що дозволяють знаходити несправності та виправляти їх:

- POST,яка виконується при кожному виклику пк

- діагностичні програми фірм виробників ПК

- діагностичні програми виробників, що розробляють ОС

- діагностичні програми для тестування будь-яких ПК

 

Звукові коди помилок, які видаються процедурою POST

Процедура POST – послідовність підпрограм, яка зберігається в BIOS, і ці підпрограми призначені для діагностування ПК і до виконання цієї перевірки затримується завантаження ОС.

 

 

Діагностичні програми фірм виробників ПК

Такі програми – для тестування певних видів периф. пристороїв. NVidia випускає програми для тестування відео карт своєї фірми. Є програма Smartscan – для тестування жорстких дисків, яка розроблена фірмою Adaptec. Такі програми підтримуються фірмою виробником за допомогою спецсайтів.

Діагностичні програми виробників, що розробляють ОС

Йдуть в комплекті з ОС.Серед них є Microsoft diagnostic – дозволяє визначати повну конфігурацію системи і розподілу памяті і переривання між периф. пристроями.

Диспетчер пристрою – перевіряє яке обладнання встановлено в ПК, обновляє драйвери, розподіляє переривання і пам'ять.

Системний монітор – перевіряє параметри системи.

Відомості про систему – параметри ОС.

Діагностичні програми для тестування будь-яких ПК

1. AIDA 32 AID A64 – дозволяє отримувати інф. про програмні і апаратні складові. Видає інф. про пристрої, х-ки, про стан ОС, про процеси.

2. Everest – видає інф. про програми і пристрої.

3. Benchmarktest – містить утиліти для тестування памяті.

4. Sisoft2 Sandra- для тестування ОС Віндовс.

5. Norton Utilites - тестує і виправляє помилки.

6. Micro-score – для апаратури

7. Pc technician – для тестування апаратури

8. Для Linux – Quadra+

Багатоядерні процесори

Багатоядерні процесори фірми AMD

К9

Почалася розробка в 2003 році. Спочатку багатоядерні процесори базувалися на К7 І К8, але ядер було кілька і тому ядра на якому базувався К9 наз. Athlon 64*2. Він мав 2 ядра,кеш 2 рівня 512-1024, підтримував набір інструкцій SSE3 і основна перевага була можливість виконання програм паралельно, потужність зросла в 2 рази. Але реальний паралелізм почався з випуском WINDOWS 7.

Процесори К 10(2007)

Були для настільних(OPTERON) і для серверів(Phenon)

 

На 1 кристалі було розміщено 3-6 ядер. Особливості:

- Підтримкам DDR3

- кеш 2 рівня окремий для кожного процесора – 512кб.

- окремий для кожного ядра 128 бітний блок обчислень з плаваючою комою.

- канал для звязку процесора з системою має пропускну здатність 33Гб/с

- Інтегрований контролер памяті з пропускною здатністю до 17 Гб/с.

- Апаратний набір ф-й для підвищення продуктивності та безпеки роботи системи.

- Покращений віртуальний режим роботи.

- Вдосконалена система керуванням живленням, яка обирає різні ружими в залежності від навантаження ЦП.

- Можливість незалежно керувати частотами ядер, кожним ядром окремо.

Для К 10 є 2 типи ядер:

- Shanghai – конкурент інтеловській а-рі Neshale, відмінність – кеш 3 рівня збільшений до 6 мб.

- Propus – дешевший варіант, немає кешу 3 рівня.

AMD FUSION

2010, належить поколінню К 11, для його розробки використовується платформа AMD BRAZOS - на 1 кристалі розміщено ядро процесора і потужне ядро для графічних обчислень. В основі а-ри FUSION лежить а-ра BOBCAT – підтримка 64 бітних інструкцій, SSE1,2,3,4. Кожне ядро містить 64 кб кеш 1 рівня, 2 рівня-1024, підтримує DDR3, шину PCIEXPRESX4, має плату розширення з багатьма відеовиходами. Кількість ядер FUSION – 8, планується – 12. Ядра на яких базуються ці процесори: ZACAT i Ontario.

Архітектура Bobcat

 

 

 

Більш досконалою є ар-ра бульдозер. В них на 1 ядрі є 2 АЛП. ФПУ залишився 1, але доступ до нього організований через 2 рг. FMAC, що мають покращений доступ. 1ядро бульдозера = 2 ядра всіх інших.

Архітектура Bulldozer

 

Багатоядерні процесори фірми Інтел

Процесори на ар-рі NETberst

Процесор реал. на цій ар-рі став Pentium D. 2005,став першим процесором з 2 ядрами для настільних ПК, але вони грілися і розробки були відкладені, тому Intel випередила AMD.

Pentium D розроблявся на 2 типах ядер:

1. Smithfield – 2005

- частота 2,2-3,2 ггц

- велике теплопроведення

- розподілений кеш 1/2. що знижує продуктивність

2. Prestler(2006)

- частота 2,8-3,6 ггц

- не підтримує технологіє HIPER THREADING

- підтримує технологію віртуалізації

Ці процесори випускалися до 2007 року, коли технологія NETBERST була знята фірмою Intel.

Архітектура мікропроцесорів на основі архітектури NetBurst

 

Ар-ра МП на основі INTEL CORE

2006р.,випуск почався 2007. Є багато ядер, але вони для настільних ПК – PENTIUM DUAL CORE, або дешевший CELERON DUAL CORE, для серверів – XEON, для ноутбуків - INTEL CORE DUO або INTEL CORE 2.

Загальні особливості:

1. зменшено тепловиділення – збільшена потужність

2. підтримка до 4 ядер

3. зменшена довжина конвеєра-швидше виконання операцій.

4. зі 1 такт може виконувати до 4 інструкцій.

5. був розроблений спільний кеш L2.

6. Технологія макрозлиття(об’єднання кількох інст.. в 1)

Архітектура мікропроцесорів на основі архітектури Intel Core

Особливості ар-ри Intel CORE Базуються на ядрах: 1. CONROE(2007)

Архітектура мікропроцесорів на основі архітектури Nehalem

 

Intel Core I3

з 2010,який базувався на ядрі CLARDALE

- частота 3,2-3,6 ггц

- не розганяється

I5-дорожчий,продуктивніший.

- частота 3,5-3,6 ггц

- розганяється

I7 – на ядрі BLOOMFIELD

- не для багатопроцесорних систем

- всі елементи об’єднані на 1 кристалі

- 6 ядер