В.Д. Валединский - Краткий конспект курса лекций «Работа на ЭВМ и программирование» (1119512), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Валединский.Группа 208, 3 семестр, 2002 год50Для DDR-шины эта же передача прошла бы в 2 раза быстрее:1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0данныетактовые сигналыВ любом случае скорость передачи данных по шине находится в прямой зависимости отчастоты, на которой эта шина работает.Задача тактового генератора – обеспечить все шины необходимыми тактующимиимпульсами. Обычно этого достигают, беря генератор какой-то одной тактовой частоты(например, 133 МГц) и получая все остальные частоты делением этой основной частоты(PCI шина – делением на 4, получится 33 МГц, AGP – делением на 2, получится 66МГц) –для того чтобы было проще синхронизировать различные шины, в частности, поэтому вбольшинстве современных компьютеров изменение частоты процессорной шины вызываетизменение еще и частоты, на которой работает процессор (только там обратный процесс –умножение частоты шины на какой-то множитель, например, 133x12.5 – процессор работаетна шине 133 МГц, множитель 12.5, так что ядро процессора работает с частотой 1662.5МГц; обычно же частоту чуть-чуть завышают (до 134МГц, например) сверх номинала).
Всовременных x86-системах тактовый генератор подключен к северному мосту чипсета (илидругой микросхеме, его заменяющей). Кроме того, существует еще такое устройство, кактаймер, отсчитывающий уже гораздо меньшую частоту (менее КГц) и служащий дляотсчета времени. Таймер подключен к общей шине и с определенной периодичностьювызывает прерывание, по которому, например, ОС может синхронизировать работуразличных приложений, запущенных в ней (о прерываниях см. далее); кроме того, в немхранятся текущее время и дата, которые таймер отсчитывает самостоятельно (программыузнают/выставляют текущие время/дату именно от таймера), таймер питается отспециальной батарейки, что позволяет ему отсчитывать время даже при выключенномкомпьютере (а также включать в заданное время компьютер).Совокупность всех технических характеристик, позволяющих создавать устройства,которые могли бы работать с какой-то шиной, называется интерфейсом этой шины.
Преждевсего, шина характеризуется типом передачи данных (последовательная или параллельная) иразрядностью (числом бит данных, передаваемых за один такт для параллельногоинтерфейса), затем – тактовыми частотами своей работы. Произведение эффективнойчастоты работы на разрядность шины дает теоретически возможную пропускнуюспособность шины. Для PC2100, например, тактовая частота 133МГц, передача данных заполтакта, т.е. эффективная частота – 266 МГц, за такт передается 8 бит, следовательно,теоретическая пропускная способность должна получиться 266*8 ~ 2100 МБ/сек, что иотражено в названии (PC2100).Некоторые стандартные шины:PS/2 – стандартная шина для подключения мыши и клавиатуры (сохранилась отнеиспользуемой ныне архитектуры PS/2).
Интерфейс последовательный.USB (Universal Serial Bus) – стандартная шина для подключения малоскоростныхвнешних устройств (стандарты USB 1.1 (до 12Mb/sec), USB 2.0 (до 480Mb/sec)).Используется такими устройствами, как USB-клавиатуры и мыши, принтеры, вебкамеры, внешние TV-тюнеры, разнообразные устройства, которую можносинхронизировать с компьютером (цифровые фотоаппараты, например). Интерфейспоследовательный.UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – универсальный асинхронныйприемопередатчик) – универсальный контроллер для COM и LPT интерфейсов.COM/LPT – стандартные (хотя уже устаревшие) шины для подключения внешнихустройств (на COM стандарт RS232, на LPT – RS4xx (последние 2 цифры не помню)).Лекции по ЭВМ.
Конспект. Лектор В.Д. Валединский.Группа 208, 3 семестр, 2002 год51Используются модемами, устаревшими моделями мышей, разнообразными устройствами,которыми можно управлять с компьютера или синхронизировать их с ним (сотовыетелефоны, например). COM – последовательный интерфейс, LPT – параллельный 8битный.PCI (Peripheral Components Interface) – стандартный на сегодня интерфейсподключения плат расширения (стандарты PCI2.0, PCI2.1 – 32 и 64-битные версии PCI).Интерфейс параллельный.Также еще есть шина ISA (Industrial Standard Architecture) – предшественник PCI,использовавшийся для подключения плат расширения (разрядность ISA – 16 бит).
До сихпор этот стандарт широко используется в промышленных компьютерах. Интерфейспараллельный.ATA – интерфейс (AT Attachment) – очень древний интерфейс для подключениядисковых накопителей (разработан в 80-е для подключения дисков к ISA шине). С тех порон долго развивался и на сегодняшний момент представлен параллельным интерфейсомUATA (Ultra ATA, версии – UATA 66/UATA 100/UATA 133 – задают тактовую частоту искорость передачи данных по UATA в mb/sec) и последовательным – SATA (Serial ATA, 150mb/sec).SCSI-шина имеет не менее долгую историю, используется для подключениявысокоскоростных внешних устройств (сканеры, жесткие диски, организация локальныхсетей), последние версии: Ultra-160 SCSI и Ultra-320 SCSI (цифры – скорость передачиданных в Mb/sec).AGP-шина (Accelerated Graphics Port) – современный стандарт для подключениявидеокарт (AGP произошла от PCI, только с вдвое большей тактовой частотой инекоторыми дополнительными возможностями).
Стандарты: AGP 1x, 2x, 4x, 8x (числоиксов – «относительная» скорость работы, 1x соответствует удвоенной пропускнойспособности PCI шины).шина памяти – на сегодняшний момент может быть либо шиной памяти SDRAM стактовой частотой 66/100/133 МГц (стандарты PC66/PC100/PC133 соответственно),либо шиной памяти DDR SDRAM (реальные тактовые частоты – 100/133/166/200 МГц, засчет передачи 1 пакета данных за полтакта получаем эффективные частоты200/266/333/400 МГц, стандарты PC1600/PC2100/PC2700/PC3200 соответственно), либошиной памяти Rambus, тактовые частоты 800/1066 МГц (реально – 400/533, но опять жеиспользуется передача данных за полтакта), стандарты PC800/PC1066 (в них данные пологически одной 32-битной шине разделяются на 2 16-битные шины модулей памяти) иPC4200/… (в них полноценная 32-битная шина данных).процессорная шина – на сегодняшний момент может быть либо AGTL+ (P3 / P3Celeron, тактовые частоты 66/100/133 МГц), либо P4 Quad Pumped (P4 / P4 Celeron,реальные тактовые частоты 100/133 МГц, за счет передачи 4 пакетов данных за тактэффективная частота 400/533 МГц), либо Alpha EV-6 (все AMD Athlon / Athlon XP / Duron)– реальная тактовая частота 100/133/166 МГц, за счет передачи данных за полтактаэффективные частоты 200/266/333 МГц.шина чипсета – на сегодня широчайший ассортимент различных шин.
VIA, например,использует шину V-Link (533 Mb/Sec), nVIDIA и многие новейшие чипсеты: HyperTransport(ок. 800 Mb/sec), SIS – шину MuTIOL (1066 Mb/Sec), у Intel своя шина и т.д.Вернемся к понятию общей шины. Основное ее предназначение – связывать различныеустройства ПК.
Соответственно, должна существовать возможность обратиться к любому изэтих устройств.3.2. Общая архитектура процессораЕще один обязательный момент современной архитектуры процессора – кэш-память.Легко видеть, что обращение процессора к памяти – довольно накладная операция,Лекции по ЭВМ.
Конспект. Лектор В.Д. Валединский.Группа 208, 3 семестр, 2002 год52поскольку тактовая частота обычной оперативной памяти сильно меньше тактовой частотыпроцессора, а данным на пути память-процессор-память требуется еще и пройти по шинечерез контроллер, что приводит к значительным задержкам при обращении к памяти изачастую необходимости процессора даже при постоянной передаче на него данных изпамяти длительное время простаивать в ожидании, пока эти данные до него дойдут (легкопосчитать, что если у нас, например, есть процессор AMD Athlon XP 2000+, которыйработает на шине 133x2 МГц (пакет данных за полтакта) и имеет множитель 12.5, т.е.реальную частоту 12.5x133 = 1662.5 МГц, а память, скажем, PC2700, т.е.
работает нашине 166x2 МГц (пакет данных за полтакта), то данные при передаче будут«застревать» в шине данных – это самое «узкое» место, поскольку его пропускнаяспособность самая низкая, а данным необходимо через нее пройти; в итоге получаем, чтоза время, затраченное на передачу 1 пакета данных процессор успевает сделать 6.25тактов, в каждый из которых он теоретически способен выполнить какую-то операцию;с P4 ситуация еще хуже – там множители шины исчисляются десятками и раскладвыглядит примерно так: 4 пакета данных за 20 тактов (для P4 2000МГц)). Кроме того,время «реакции» памяти на запрос тоже довольно велико и при обращении к наугадвыбранному адресу памяти может исчисляться микросекундами (кто подскажет болееточные оценки?) В частности, поэтому сегодня оптимизация работы программ с памятьюспособна давать более чем четырехкратный прирост производительности (при сохранениитого же алгоритма!) – за счет эффективного использования кэш-памяти.Так все же что это такое – кэш-память? Кэш-память – это память, с которой процессоробщается «непосредственно», через интегрированный в него контроллер и которая работаетна существенно больших частотах, нежели обычная оперативная память.
В современныхпроцессорах кэш полноскоростной, т.е. работает на частоте процессорного ядра, хотяраньше были процессоры, в которых кэш (или его часть) работала на половине, трети,четверти частоты ядра. Обычно кэш имеет другую структуру, нежели обычная оперативнаяпамять, хотя это и необязательно.Работа с кэшем происходит очень быстро – задержки очень малы, нет ограниченийпропускной способности. К сожалению, столь же малы (по сравнению с общим объемомОЗУ) и ее размеры – типичными значениями на сегодняшний день являются кэши в 128-512Kb (128-256-512 Kb – для процессоров Intel (P4 Cel / P4 Wilamette / P4 Northwood) и 384 Kb– для процессоров AMD (Athlon и Athlon XP)) при типичном объеме ОЗУ 256-512 Mb.Увеличить объем кэша не позволяет во-первых, цена, а во-вторых, высокоеэнерговыделение.
Общий принцип работы современных полупроводниковых СБИС таков,что транзистор (на основе которых и строятся СБИС) потребляет энергию только вмомент своего переключения. Чем выше тактовая частота, тем чаще происходятпереключения транзисторов – получаем, что энерговыделение СБИС тем выше, чем вышечастота, на которой она работает.
Как уже было сказано, тактовые частоты CPU икэш-памяти очень велики, поэтому потребляемая мощность (которая потом почтицеликом рассеивается в виде тепла) для современных процессоров доходит до 70 Вт наплощадь в 100-130 кв. мм. (для справки – у паяльника мощность 25-60 Вт), что делаеточень сложным процесс снятия с нее тепла (для справки: предельная рабочая температурасовременной полупроводниковой СБИС – около 90o, а зачастую меньше – 75-80 o, притемпературе боле 110o происходит разрушение ее структуры). В современныхкомпьютерах – это сложные и большие системы воздушного охлаждения, и уженамечается тенденция к переходу на жидкостное охлаждение, а в суперкомьютерах оноиспользуется уже давно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
