Центральний процесор. Його структура та основні функції. Різновиди процесорів. Характеристики сучасних процесорів

Пристрій управління. Арифметично-логічний пристрій. Підсистема памяті. Пристрій введення/виведення даних.

Пристрій введення — пристрій для внесення даних до комп'ютера під час його роботи.

Види пристроїв введення

Основним пристроєм введення текстових символів та послідовностей (команд) в комп'ютер є клавіатура.

[ред.]Пристрої введення графічної інформації

§ Сканер

§ Відео- і Веб-камера

§ Цифровий фотоапарат

§ Плата відеозахоплення

[ред.]Пристрої введення звуку

§ Мікрофон

§ Диктофон

[ред.]Пристрої введення текстової інформації

§ Клавіатура

[ред.]Вказівні (координатні) пристрої

§ Миша

§ Трекбол

§ Трекпойнт

§ Тачпад

§ Джойстик

§ Roller Mouse

§ Графічний планшет

§ Світлове перо

§ Клавіатура

[ред.]Ігрові пристрої введення

§ Джойстик

§ Геймпад

§ Кермо

§ Штурвал для авіасимулятору

§ Танцювальна платформа

        

Поняття архітектури комп’ютера, типи архітектур.

Архітектура комп'ютера

Комп'ютер - це електронний пристрій, що виконує операції введення інформації, зберігання та оброблення її за певною програмою, виведення одержаних результатів у формі, придатній для сприйняття людиною. За кожну з названих операцій відповідають спеціальні блоки комп'ютера:

· пристрій введення,

· центральний процесор,

· запам'ятовуючий пристрій,

· пристрій виведення.

Всі ці блоки складаються з окремих дрібніших пристроїв. Зокрема в центральний процесор можуть входити арифметико-логічний пристрій (АЛП), внутрішній запам'ятовуючий пристрій у вигляді регістрів процесора та внутрішньої кеш-пам'яті, керуючий пристрій (КП). Пристрій введення, як правило, теж не є однією конструктивною одиницею. Оскільки види інформації, що вводиться, різноманітні, джерел може бути декілька. Це стосується і пристрою виведення.

Запам'ятовуючий пристрій - це блок ЕОМ, призначений для тимчасового (оперативна пам'ять) та тривалого (постійна пам'ять) зберігання програм, вхідних і результуючих даних та деяких проміжних результатів. Інформація в оперативній пам'яті зберігається тимчасово лише при включеному живленні, але оперативна пам'ять має більшу швидкодію. В постійній пам'яті дані можуть зберігатися навіть при вимкненому комп'ютері, проте швидкість обміну даними між постійною пам'яттю та центральним процесором, у переважній більшості випадків, значно менша.

Арифметико-логічний пристрій - це блок ЕОМ, в якому відбувається перетворення даних за командами програми: арифметичні дії над числами, перетворення кодів та ін.

Керуючий пристрій координує роботу всіх блоків комп'ютера. У певній послідовності він вибирає з оперативної пам'яті команду за командою. Кожна команда декодується, за потреби елементи даних з указаних в команді комірок оперативної пам'яті передаються в АЛП. АЛП настроюється на виконання дії, вказаної поточною командою (в цій дії можуть брати участь також пристрої введення-виведення); дається команда на виконання цієї дії. Цей процес буде продовжуватися доти, доки не виникне одна з наступних ситуацій: вичерпано вхідні дані, з одного з пристроїв надійшла команда на припинення роботи, вимкнено живлення комп'ютера.

Описаний принцип побудови ЕОМ носить назву архітектури фон Неймана - американського вченого угорського походження Джона фон Неймана, який її запропонував.

Сучасну архітектуру комп'ютера визначають також такі принципи:

1. Принцип програмного керування. Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ЕОМ. Згідно з цим принципом, запропонованим англійським математиком Ч.Беббіджем у 1833 р., для розв'язання кожної задачі складається програма, що визначає послідовність дій комп'ютера. Ефективність програмного керування є високою тоді, коли задача розв'язується за тією самою програмою багато разів (хоч і за різних початкових даних).

2. Принцип програми, що зберігається в пам'яті. Згідно з цим принципом, сформульованим Дж. фон Нейманом, команди програми подаються, як і дані, у вигляді чисел й обробляються так само, як і числа, а сама програма перед виконання завантажується в оперативну пам'ять. Це прискорює процес її виконання.

3. Принцип довільного доступу до пам'яті. Згідно з цим принципом, елементи програм та даних можуть записуватися у довільне місце оперативної пам'яті. Довільне місце означає можливість звернутися до будь-якої заданої адреси (до конкретної ділянки пам'яті) без перегляду попередніх.

 

Центральний процесор. Його структура та основні функції. Різновиди процесорів. Характеристики сучасних процесорів.

         Центральний процесор (Central processing unit) — функціональна частина ЕОМ, що призначена для інтерпретації команд.
Основні характеристики центрального процесора

— тип архітектури або серія (CISC, Intel х86, RISC);

— система підтримуваних команд (х86, Ia-32, IA 64);

— розширення системи команд (ММХ, SSE, Sse2, 3dnow!);

— конструктивневиконання (Slot I, Slot 2, Socket 340, Socket 478, Slot A, Socket A);

— тактова частота (Мгц, ГГц);

— частота системної шини.

Частота ядра позначає як часто перемикається його найпростіший елемент - транзистор (тобто як швидко змінює свій стан). Якщо частота відеокарти 612 МГц, то відповідно швидкість перемикання транзистора буде 612 мільйон разів в секунду.

1. Теоретичний розрахунок продуктивності до розгону досить нетривіальна задача, в якій повинна бути врахована маса параметрів аж до температури (якщо потрібні точні результати), і цим ніхто не займається. Наскільки точно зміниться продуктивність можуть сказати більш менш об'єктивно відповідні тести.

2. Напевно здається, що ті, у яких більше частота, але знову ж таки тут ми стикаємося з необхідністю комплексного розгляду параметрів GPU, так як без їх аналізу оцінка буде помилковою.

3. Частота - це кількість змін чого-небудь (періодичної процесу) за одиницю часу. Для графічного процесора і цим параметром є перемикання транзистора з одного стану в інший.

Функції обробка даних по заданій програмі шляхом виконання арифметичних і логічних операцій; програмне керування роботою пристроїв комп'ютера

Кеш-пам'ять. Особлива високошвидкісна пам'ять процесора. Кеш використовується як буфер для прискорення обміну даними між процесором і оперативною пам'яттю, а також для збереження копій інструкцій і даних, що недавно використовувалися процесором. Значення з кеш-пам'яті витягаються прямо, без звертання до основної пам'яті.

Кеш першого рівня (L1 cache). Кеш-пам'ять, що знаходиться усередині процесора. Вона швидша за всі інші типи пам'яті, але менша за обсягом. Зберігає нещодавно використану інформацію, яка знову може бути використана при виконанні коротких програмних циклів.

Кеш другого рівня (L2 cache). Також знаходиться усередині процесора. Інформація, що зберігається в ній, використовується рідше, ніж інформація, що зберігається в кеш-пам'яті першого рівня, проте обсяг пам'яті у ній більший. Також у наш час[Коли?] в процесорах використовується кеш третього рівня.

Основним матеріалом для виготовлення процесорів є пісок, а точніше сказати кремній, якого у складі земної кори близько 30 %. З очищеного за спеціальною технологією кремнію виготовляють великий монокристал циліндричної форми, котрий ріжуть на «млинці» товщиною близько 1 мм. Потім з використанням технології фотолітографії в цих млинцях створюються напівпровідникові структури майбутніх процесорів. Фотолітографія чимось нагадує процес друку фотографій з фотоплівки, коли світло, проходячи через плівку, відповідним чином діє на поверхню фотопаперу, проектуючи на ньому малюнок. При виготовленні процесорів своєрідною фотопапером виступають зазначені вище кремнієві млинці. Роль світла грають іони бору, які розганяються до величезної швидкості за допомогою спеціального високовольтного прискорювача. Ці іони пропускаються через свого роду "трафарети" і системи високоточних лінз і дзеркал. Це забезпечує вкраплення в кремнієві пластини іонів бору, що створюють мініатюрну структуру з безлічі транзисторів. На сьогоднішній день ці технології дозволяють створювати транзистори розміром всього 32 нанометра (для порівняння, товщина людської волосини становить близько 50000 нм). Чим тонше техпроцес - тим більше транзисторів можна помістити в один процесор, тим він буде потужнішим і енергоефективнішим. З часом, ймовірно, ці показники покращаться (за прогнозами, до 15 нм). Створені таким чином напівпровідникові структури вирізаються з кварцових млинців і поміщаються на плату, на яку виводяться контакти процесора для забезпечення його приєднання до материнської плати. Зверху мініатюрна кварцова структура захищається від пошкодження металевою кришкою (див.мал.). Якщо її зняти, структуру процесора можна розгледіти (процесор при цьому можна пошкодити).

Абсолютно не правильно судити про процесор виключно почастоті тактового сигналу, яка вимірюється всім відомими мега або гігагерцами. Процесор з меншою тактовою частотою на практиці може виявитися продуктивнішим високочастотного. Важливим показником є кількість тактів, необхідних для виконання процесором певної команди, кількість одночасно виконуваних команд та ін. На практиці, при оцінці можливостей цього пристрою необхідно враховувати наступні основні показники, які зазвичай вказуються в каталогах, прайс-листах, на маркуванні пристроїв та ін.:

кількість ядер. Багатоядерні процесори - це процесори, що містять наодному процесорному кристалі або в одному корпусі два обчислювальних ядра. Багатоядерність, як один з ефективних способів підвищення потужності процесорів, використовується виробниками з відносно недавнього часу, але вже визнана найбільш перспективним напрямком їх розвитку. Зараз існують процесори для домашніх комп'ютерів з 6 ядрами. Длясерверів є 12 ядерні серійні пропозиції (Opteron 6100). Розроблені прототипи процесорів, що містять близько 100 ядер. З часом, ймовірно, буде ще більше. Залежно від виробника та моделі, способи взаємодії ядер в процесорі і розподілу між ними спільних ресурсів (пам'яті) істотно відрізняються. Але в будь-якому випадку, чим їх (ядер) більше, тим процесор продуктивніший. Слід зазначити, що програми, які не підтримують багатоядерність (в основному, це старі програми), на багатоядерних системах швидше працювати не будуть, оскільки вміють використовувати тільки одне ядро;

кількість потоків - цей показник відображає пропускну здатність системи (чим більше - тим краще). Кількість потоків не завжди збігається з кількістю ядер. На приклад, процесор Intel i7, маючи 4 ядра, працює у 8 потоків, багато в чому випереджаючи деякі 6-тиядерні моделі; розмір кеша 2 і 3 рівнів. Кеш - це дуже швидка внутрішня пам'ять процесора, що використовується ним як своєрідний буфер для компенсації "перебоїв" при роботі з основною оперативною пам'яттю. Чим кеш більший - тим краще. Структура не всіх сучасних процесорів передбачає наявність кеша 3 рівня, хоча це не є критичним. Наприклад, старші моделі процесорів Core 2 Quadro не мають такого, однак за результатами багатьох тестів все одно виглядають гідно. Правда, кеш 2-го рівня у них досить великий.

тактова частота процесора - тут теж все просто - чим вище частота, тим продуктивніший процесор.

швидкість шини (FSB, HyperTransport або QPI), якою центральний процесор з'єднується з системним контролером материнської плати. FSB (Front Side Bus) - шина, що з'єднує центральний процесор комп'ютера з іншими пристроями (через північний міст чіпсета материнської плати); HyperTransport - це швидка двонаправлена шина з високою пропускною здатністю, що використовується компанією AMD у нових процесорах; QPI (QuickPath Interconnect)- високошвидкісна шина, розроблена компанією Intel на противагу HyperTransport від AMD. техпроцес - чим він тонший, тим менше процесор споживає електрики і менше гріється. "Холодні" процесори краще піддаються розгону (коли користувач на свій страх і ризик змінює деякі налаштування системи з метою збільшення тактової частоти процесора для підвищення його продуктивності). Розгін дозволяє без додаткових фінансових вкладень збільшити потужність процесора на 15 - 25 %, але це вже окрема тема.

Процесор потребує гарного охолодження, інакше він може вийти з ладу. Як відомо, верхня поверхня процесора являє собою металеву коробку, що виконує крім захисних, ще й тепловідвідні функції. Поверх процесора на материнській платі встановлюється система охолодження. Її теплопровідні елементи повинні щільно притискається до тепловідводної поверхні процесора. Для забезпечення гарного контакту та підвищення ефективності передачі тепла від процесора на радіатор системи охолодження, між ними укладається шар термопасти - спеціальної пастоподібної речовини з високою теплопровідністю. Нормальна температура роботи процесора - до 50 градусів Цельсія (при пікових навантаженнях можливо трохи більше). Засоби вимірювання температури вбудовані в процесор. Дізнатися температуру можна за допомогою спеціальних програм. Сучасний комп’ютер влаштований так, що при досягненні процесором критичної температури він відключається і не включається, поки той не охолоне. Це дозволяє попередити його пошкодження під впливом високої температури. Перегрів процесора можливий внаслідок виходу з ладу системи охолодження, її засмічення пилом або пересихання термопасти (останнє буває рідко).

11. Пам'ять комп’ютера. Види та принципи роботи памяті. Характеристики.