Рассмотрим подробнее, как работают такие важные компоненты материнской платы, как ЦП, память, порты, и как они взаимосвязаны с помощью шин.
Современный центральный процессор
Как вам уже известно, ЦП - это основной электронный модуль на материнской плате, который выполняет вычислительную работу, управляет обменом данными с оперативной памятью и устройствами ввода-вывода. ЦП, являясь аппаратным центром информационно-вычислительной системы, отвечает за характеристики производительности ПК.
ЦП работает циклически и упрощенно его работу можно описать следующим образом. В начале очередного цикла ЦП считывает из ОЗУ команду, расшифровывает ее и реализует указанные в ней действия. Например, считывает из памяти два числа, расположенные в памяти по определенным адресам, указанным в выполняемой команде, суммирует их и результат записывает в заданную ячейку ОЗУ. После этого цикл повторяется: считывается очередная команда (или команда, адрес которой указан в предыдущей команде), выполняются указанные в ней действия и т.д.
Центральный процессор оперирует целочисленными данными. Если необходимо выполнить вычисления с более высокой степенью точности, в работу включается встроенный в ЦП узел математического сопроцессора. Математический сопроцессор реализует высокоскоростные вычисления с вещественными числами, вычисления тригонометрических функций и т.д.
Важными характеристиками ЦП являются тактовая частота, скорость выполнения команд и разрядность шин данных и адреса.
Все современные процессоры располагают 64-разрядной шиной данных. По разрядности адресной шины процессора можно судить об адресном пространстве памяти. Например, если ширина шины адреса 32 разряда, то процессору доступно пространство памяти 4 Гбайт, а при 36-разрядной шине - 64 Гбайт.
Адресное пространство памяти состоит из всех ячеек ОЗУ, видеопамяти и памяти BIOS (Basic Input Output System - базовая система ввода-вывода), к которым может обращаться процессор.
Процессор обращается не к отдельной ячейке памяти и даже не к байту, а сразу к нескольким байтам, которые в информатике называются "слово". Все "слова" должны располагаться по четным адресам обращения к памяти. Процессор одновременно может обратиться, например, сразу к восьми байтам, если располагает 64-разрядной шиной данных.
Вся доступная память разбита на модули, предназначенные для хранения отдельных частей программного обеспечения и данных (рис. 1.4). Так, например, по самым младшим адресам (в пределах 640 Кбайт) располагаются векторы прерываний, данные BIOS и программные модули операционной системы. За пределами 640 Кбайт 128 Кбайт занимает видеопамять, а за ней 256 Кбайт отводятся для хранения различных компонентов BIOS. За пределами 1 Мбайт памяти хранятся коды команд и данных защищенного режима работы системы.
| РАСШИРЕННАЯ ПАМЯТЬ |
| BIOS |
| ВЕРХНЯЯ ПАМЯТЬ UPPER MEMORY AREA |
| ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ BASE MEMORY |
Рис. 1.4. Карта распределения доступной памяти ПК IBM PC.
Все процессы, связанные с вычислениями, обработкой и пересылками данных между электронными модулями компьютера, должны быть синхронизированы во времени.
Синхронизация ЦП и всех узлов компьютера осуществляется с помощью специального электронного узла - тактового генератора, расположенного на материнской плате. Тактовый генератор формирует периодические последовательности тактовых импульсов, которые направляются и в ЦП, и в систему памяти, и во все остальные подсистемы компьютера. Однако необходимо отличать частоту тактового генератора и тактовую частоту процессора. В ЦП поступают тактовые сигналы с материнской платы (от тактового генератора), а необходимая для работы внутрипроцессорная частота получается при умножении частоты материнской платы в специальном встроенном блоке умножения. Она-то и синхронизирует вычислительные процессы непосредственно в самом процессоре. Таким образом, если материнская плата может работать на фиксированной частоте, например 100 МГц, то процессор может синхронизироваться, например, частотой 450 МГц.
Частота синхронизации электронных компонентов на материнской плате (типичные значения 66, 75, 83, 100 МГц) синхронизирует обменные процессы вне процессора, например между оперативной памятью и ЦП, устройствами ввода-вывода и т.д. С ростом частоты синхронизации повышается скорость работы ЦП и компьютера в целом.
Для ускорения доступа к ОЗУ и увеличения производительности в ЦП встроен модуль кэш-памяти (кэш). Это промежуточная память между ЦП и ОЗУ. Кэш малоёмкое, но более быстрое, чем ОЗУ, хранилище данных.
Кэш работает следующим образом. Все свои запросы ЦП адресует одновременно ОЗУ и кэш. Если адреса обращения идентичны, то констатируется попадание в кэш. В этом случае данные или команды считываются из более быстрой памяти, что повышает общую производительность ПК. Если кэш не располагает информацией по искомому адресу, процессор обращается за ней к ОЗУ. В этом случае скорость обмена данными замедляется.
Таким образом, современные ЦП - это высокотехнологичные электронные изделия, выполняющие сотни миллионов операций в секунду и позволяющие ПК решать очень сложные задачи за короткие промежутки времени.
В изготовлении процессоров задействованы технологические процессы, практически полностью протекающие под управлением робототехники, выполняемые при этом операции отличаются высокой точностью и гарантируют отсутствие в кристалле микросхемы примесей, не предусмотренных в документации технологического процесса.
Одним из основных параметров, определяющих главные характеристики процессора, является показатель конструктивных технологических норм (измеряется в мкм), определяющий минимально допустимые размеры элементов топологии микросхем. Например, норма 0,25 мкм свидетельствует о том, что минимальное расстояние между двумя соседними транзисторами составляет 0,25 мкм. Чем меньше норма, тем выше скорость информационного обмена, меньше потребление тока и нагрев элементов, и тем плотнее "набивка" кристалла интегральной микросхемы.
Процессоры Pentium производства 1993 г. изготавливались по технологическим нормам 0,8 мкм, современные процессоры имеют конструктивные нормы на уровне 0,25-0,18 мкм. Снижение технологических норм позволяет переходить на более высокие внутрипроцессорные частоты. Если процессоры с технологическими нормами 0,35 мкм работают на частотах 133—233 МГц, то для кристаллов с нормами 0,25 мкм характерны скорости от 300 МГц и выше. Процессоры, изготовленные в соответствии с 0,25 мкм нормами, имеют напряжение питания 1,8 В.
Процессоры Intel и их клоны - базовая основа IBM-совместимых компьютеров (клонами принято называть компьютеры и их компоненты, разработанные сторонними фирмами в соответствии с характеристиками и параметрами фирм-стандартизаторов).
Корпорация Intel является разработчиком шести поколений процессоров, составляющих аппаратное ядро ПК семейства IBM PC. В таблице 1.1 представлены краткие характеритики производимых компанией Intel процессоров.
Таблица 2.2. Краткие характеристики процессоров Intel
| Микропроцессор | Количество транзисторов на кристалл (млн.) | Начало производства (год) | Шина данных (разрядность) | Тактовая частота (МГц) |
| 8086 | 0,029 | 1978 | 16 | 4,77-10 |
| 8088 | 0,029 | 1979 | 8 | 4,77-10 |
| 80286 | 0,134 | 1982 | 16 | 6-25 |
| 80386DX | 0,275 | 1985 | 32 | 16-40 |
| 80386SX | 0,275 | 1988 | 16 | 16-33 |
| 80486DX | 1,2 | 1989 | 32 | 20-50 |
| 80486SX | 1,185 | 1991 | 32 | 16-33 |
| 80486DX2 | 1.3 | 1992 | 32 | 40-66 |
| 80486DX4 | 1,35 | 1992 | 32 | 100-132 |
| Pentium | 3,1 | 1992 | 64 | 60-100 |
| Pentium MMX | 3,8 | 1996 | 64 | 120-300 |
| PentiumPro | 36,5 | 1996 | 64 | 150-300 |
| Pentium II | 7,8 | 1997 | 64 | 233-450 |
| Pentium III | 9,5 | 1999 | 64 | 450-500 |
Процессоры Pentium MMX (Multimedia Extantive - расширение мультимедиа) начали продвижение на компьютерном рынке в 1996 г. Они отличаются от классического Pentium тем, что располагают средствами для обработки дополнительной группы мультимедиа-команд, используемых для специальных целочисленных вычислений. Для их обработки в процессор встроены дополнительные аппаратные модули. В этих процессорах также используется метод обработки нескольких блоков данных одной командой, что позволяет использовать технологию MMX для решения весьма широкого спектра задач мультимедийного и коммуникационного плана. Массовое внедрение новой технологии Pentium MMX позволило корпорации Intel уже в 1997 г. прекратить выпуск классических процессоров Pentium.
Процессоры различных поколений имеют преемственность на аппаратном и программном уровнях. В настоящее время ПК оснащаются процессорами Intel пятого-шестого поколений. К пятому поколению относятся всевозможные модификации процессоров Pentium, включая Pentium MMX.
Первым представителем шестого поколения процессоров Intel является PentiumPro, поступивший на компьютерный рынок в 1996 г. Он имеет стандартную для процессоров Pentium архитектуру, но с существенными доработками. К шестому поколению относится Pentium II.