Информатика: конспект лекций

Тема 3 Архитектура аппаратных и программных средств IBM-совместимых технологий

3.1. Микропроцессоры

Центральный процессор – неотъемлемая часть любой ЭВМ. Обычно это большая интегральная схема, представляющая собой кремниевый кристалл в пластмассовом, керамическом или металлокерамическом корпусе, на котором расположены выводы для приема и выдачи электрических сигналов. Функции ЦП выполняют микропроцессоры. Они осуществляют вычисления, пересылку данных между внутренними регистрами и управление ходом вычислительного процесса. Микропроцессор взаимодействует непосредственно с ОП и контроллерами системной платы. Главные носители информации внутри него – регистры.

Неотъемлемой частью микропроцессора являются:

• АЛУ, состоящее из нескольких блоков, например блока обработки целых чисел и блока обработки чисел с плавающей точкой;

• устройство управления, которое вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд;

• внутренние регистры.

В основу работы каждого блока микропроцессора положен принцип конвейера, который заключается в следующем. Реализация каждой машинной команды разбивается на отдельные этапы, а выполнение следующей команды программы может быть начато до завершения предыдущей. Поэтому микропроцессор выполняет одновременно несколько следующих друг за другом команд программы, и время на выполнение блока команд уменьшается в несколько раз. Суперскалярной называют архитектуру, в основу работы которой положен принцип конвейера. Это возможно при наличии в микропроцессоре нескольких блоков обработки.

В программе могут встречаться команды передачи управления, выполнение которых зависит от результатов выполнения предшествующих команд. В современных микропроцессорах при использовании конвейерной архитектуры предусматриваются механизмы предсказания переходов. Другими словами, если в очереди команд появилась команда условного перехода, то предсказывается, какая команда будет выполняться следующей до определения признака перехода. Выбранная ветвь программы выполняется в конвейере, однако запись результата осуществляется только после вычисления признака перехода, тогда, когда переход выбран верно. В случае неправильного выбора ветви программы микропроцессор возвращается назад и выполняет правильные операции в соответствии с вычисленным признаком перехода.

Важными характеристиками микропроцессора являются:

• его быстродействие, которое в значительной степени зависит от тактовой частоты микропроцессора;

• архитектура микропроцессора, определяющая, какие данные он может обрабатывать, какие машинные инструкции входят в набор выполняемых им команд, как происходит обработка данных, каков объем внутренней памяти микропроцессора.

В состав микропроцессора может входить кэш-память (сверхоперативная), обеспечивающая более быструю передачу информации, чем ОП. Различают кэш-память первого уровня, которая обычно встроена в тот же кристалл и работает на одинаковой с микропроцессором частоте; кэш-память второго уровня – общая, когда команды и данные хранятся вместе, и разделенная, когда они хранятся в разных местах.

При решении сложных математических и физических задач в некоторых компьютерах предусмотрено использование специального устройства, которое называется математическим сопроцессором. Это устройство представляет собой специализированную интегральную микросхему, работающую во взаимодействии с ЦП и предназначенную для выполнения математических операций с плавающей точкой.

3.2. Системные платы. Шины, интерфейсы

Основная электронная часть ПК конструктивно располагается в системном блоке. Системный блок может быть нескольких размеров и типов, например настольным, типа «башня». Различные компоненты компьютера внутри системного блока размещаются на системной плате, которую именуют материнской.

Материнская плата играет значительную роль, так как от ее характеристик во многом зависит работа ПК. Существует несколько типов системных плат, которые обычно предназначены для конкретных микропроцессоров. Выбор системной платы во многом определяет возможности будущей модернизации компьютера. Выбирая системную плату, необходимо учитывать следующие ее характеристики:

• возможные типы используемых микропроцессоров с учетом их рабочих частот;

• число и тип разъемов системной шины;

• базовый размер платы;

• возможность наращивания оперативной и кэш-памяти;

• возможность обновления базовой системы ввода-вывода (BIOS).

На системной плате располагаются одна или несколько интегральных микросхем. Они управляют коммуникациями между процессором, памятью и устройствами ввода-вывода. Их называют системным набором микросхем (chipset).