ТЕМА 2.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕСОРА ТА ВНУТРІШНЬОЇ ПАМ’ЯТІ КОМП’ЮТЕРА

· будова і принцип роботи процесора

· основні характеристики процесора

· принцип роботи статичної та динамічної пам’яті

Основні терміни теми: такт, тактова частота, мегагерц, розрядність процесора, адресний простір, час доступу, регенерація пам’яті, кеш-пам’ять.

Надзвичайно швидкий розвиток обчислювальної техніки приводить до того, що одночасно у використанні знаходиться велика кількість комп’ютерів з достатньо різними характеристиками. Тому корисно знати, які вузли комп’ютера є основними, які їх характеристики, на що вони впливають та як їх підібрати. Тут будуть розглянуті параметри найбільш важливих пристроїв комп’ютера, таких як процесор та внутрішня пам’ять.

 Почнемо з процесора. Очевидно, що користувача в першу чергу цікавить його продуктивність, тобто швидкість виконання запропонованої процесору задачі. Традиційно швидкодія процесора вимірювалася шляхом визначення кількості операцій за одиницю часу, як правило, секунду. До тих пір, поки комп’ютери виконували тільки обчислення, такий показник був досить зручний. Однак по мірі розвитку обчислювальної техніки кількість видів оброблюваної інформації зростала, і цей показник перестав бути універсальним. Справді, в найпростішому випадку навіть кількість арифметичних дій цілими та дійсними числами може для одного і того ж комп’ютера відрізнятися на порядок! А що вже говорити про швидкість обробки графічної чи відеоінформації, які до того ж залежать не тільки від самого процесора, але і від пристроїв відеоблоків комп’ютера… Крім того, сучасні процесори, наприклад, Pentium, мають дуже складну внутрішню будову та можуть виконувати машинні команди паралельно. Іншими словами, процесор може одночасно виконувати декілька різних інструкцій, а значить, час закінчення команди вже залежить не від неї самої, але і від «сусідніх» операцій! Таким чином, кількість виконуваних за секунду операцій перестає бути постійною і вибирати її в якості характеристики процесора не дуже зручно.

 Саме тому зараз отримала широке розповсюдження інша характеристика швидкості роботи процесора – його тактова частота. Розглянемо дану величину детальніше. Будь-яка операція процесора (машинна команда) складається з окремих елементарних дій – тактів. Для організації послідовного виконання потрібних тактів один за одним, в комп’ютері є спеціальний генератор імпульсів, кожен із яких ініціює черговий такт машинної команди (який саме, визначається будовою процесора та логікою виконуваної операції). Очевидно, що чим частіше виходять імпульси від генератора, то тим швидше буде виконана операція, що складається із фіксованого числа тактів. Із сказаного випливає, що тактова частота визначається кількістю імпульсів за секунду та вимірюється в мегагерцах – тобто мільйонах імпульсів за секунду. Зрозуміло що, тактова частота не може бути як завгодно великою, оскільки в якийсь момент процесор може просто «не встигнути» виконати черговий такт до приходу наступного імпульсу. Одна інженери роблять усе можливе для підвищення значення цієї характеристики процесора, і на даний момент тактова частота самих сучасних процесорів вже перевищує 1000 МГц, тобто 1 ГГц (1 гігагерц).

 Слід чітко уявити, що порівняння тактових частот дозволяє надійно визначити, який із двох процесорів має більшу швидкодію тільки у тому випадку, якщо обидва процесори влаштовані приблизно однаково. Якщо ж спробувати порівняти процесори, виготовлені різними виробниками і які працюють за різними принципами, то можна одержати абсолютно неправильні висновки. Справді, якщо в одному із процесорів команда виконується за 2 такти, а в іншому – за 3, то при однаковій частоті перший буде працювати у півтора рази швидше! Крім того, не потрібно забувати, що продуктивність сучасної комп’ютерної системи визначається не тільки швидкодією окремого взятого процесора, але і швидкістю роботи інших вузлів комп’ютера і навіть способами організації всієї системи в цілому: очевидно, що надзвичайно швидкий процесор буде вимушений простоювати, чекаючи, наприклад, повільно працюючу пам’ять; або інший приклад – дуже часто просте збільшення обсягу ОЗП дає значно більший ефект, ніж заміна процесора на більш швидкий.

 У деякій мірі швидкість роботи процесора залежить ще від одного параметра процесора – його розрядності. Під розрядністю розуміють кількість одночасно опрацьовуваних процесором біт. Формально ця величина є кількістю двійкових розрядів в регістрах процесора і для сучасних моделей вона дорівнює 32.

 Крім цього, існує ще розрядність шини даних, якою він управляє, та розрядність адресної шини (див. ). Ці характеристики не завжди співпадають (дані для таблиці взяті із книги М.Гука "Процессоры Intel: от 8086 до Pentium II". – СПб.: Питер, 1997)

Відмітимо, що розрядність регістрів та розрядність шини даних впливають на довжину опрацьовуваних даних, а розрядність адресної шини R визначає максимальний об’єм пам’яті, яку здатен підтримувати процесор. Цю характеристику часто називають величиною адресного простору, і вона може бути обчислена за простою формулою 2R. Дійсно, R двійкових розрядів дозволяють одержати саме таку кількість різних чисел, тобто у даному випадку адрес пам’яті.

Перейдемо до описання основних характеристик пам’яті комп’ютера. Хоча пам’ять комп’ютера і складається із окремих бітів, безпосередньо «спілкуватися» з кожним із них неможливо: біти групуються у більш крупні блоки інформації і саме вони одержують адреси, за якими відбувається звернення до пам’яті. Історично склалося так, що мінімальна порція інформації, яку сучасний комп’ютер здатен записати в пам’ять складає 8 біт або 1 байт. Звідси стає зрозумілим, що загальний обсяг пам’яті повинен вимірюватися в байтах, або в похідних від нього одиницях. Розмір пам’яті персональних комп’ютерів стрімко зростає. Перші моделі мали 16-розрядний адресний простір і, як наслідок, об’єм пам’яті 216 = 64 Кбайта. Потім, коли пам’яті під розроблювані програмні системи стало не вистачати, інженери розробили досить специфічні способи формування адреси і збільшили її на порядок – в MS DOS стандартна пам’ять була прийнята рівною 640 Кбайт. Зараз ми навряд чи зможете придбати новий комп’ютер з ОЗП менш ніж 32–64 Мбайт, тобто це ще на два порядки більше (надіюсь, ви ще не забули, що 1 Мб = 1024 Кбайт).

 Ще однією характеристикою пам’яті є час доступу або швидкодія пам’яті. Цей параметр визначається часом виконання операцій запису або читання даних; він залежить від принципу дії та технології виготовлення запам’ятовуючих елементів.

 Зупинимось на двох принципово різних будовах сучасних запам’ятовуючих пристроїв: статичної та динамічної будови мікросхем пам’яті. Статична комірка пам’яті – це спеціальна напівпровідникова схема (інженери її називають тригером), що володіє двома стійкими станами. Один із цих станів приймається за логічний нуль, а інший –за одиницю. Стани ці настільки стійкі, що при відсутності зовнішньої дії (і, звичайно, без напруги) можуть зберігатися як завгодно довго. Динамічні комірки пам’яті навпаки не володіють такою властивістю. Такі комірки фактично представляють собою конденсатор, утворений елементами напівпровідникових мікросхем. З деяким спрощенням можна сказати, що логічній одиниці відповідає заряджений конденсатор, а нулю – незаряджений. Істотною властивістю динамічної пам’яті є наявність поступового розрядження конденсатора через зовнішні схеми, що веде до втрат інформації. Щоб цього не відбувалося, конденсатори динамічної пам’яті потрібно періодично підзаряджати (такий процес прийнято називати регенерацією ОЗП). Обидва види запам'ятовуючих мікросхем успішно конкурують між собою, оскільки жодна з них не є ідеальною. З однієї сторони, статична пам’ять значно простіша в експлуатації, так як не потребує регенерації, і наближається за швидкодією до процесорних мікросхем. З іншої сторони, вона має менший інформаційний об’єм та більшу вартість (виготовлення конденсатора значно простіше, ніж тригерової схеми і не потребує на кремнієвій пластині значно менше місця), сильніше нагрівається при роботі. На практиці в даний момент вибір мікросхем для побудови ОЗП завжди розв’язується на користь динамічної пам’яті. І все ж таки швидкодійна статична пам’ять в сучасному комп’ютері також обов’язково є: вона називається кеш-пам'яттю.

 Цей вид пам'яті заслуговує окремого розгляду. Він з’явився не так давно, але починаючи з 486 процесора, без кеш-пам’яті не обходиться ні одна модель. Назва кеш походить від англійського слова "cache", яке означає схованку або замаскований склад (зокрема цим словом називають провіант, залишений експедицією для зворотного шляху чи запас продуктів, наприклад зерна та меду, який тварини збирають на зиму). "Секретність" кеш полягає в тому, що він невидимий для користувача і дані, що зберігаються у ньому, недоступні для прикладного програмного забезпечення. Процесор використовує кеш виключно самостійно, розміщуючи у ньому взяті ним із ОЗП дані та команди програми та запам’ятовуючи при цьому в спеціальному каталозі адреси, звідки інформація була взята. Якщо ці дані будуть потрібні повторно, то їх вже не треба буде втрачати час на звернення до ОЗП – їх можна отримати із кеш пам’яті значно швидше.

 Оскільки об’єм кеша значно менший за об’єм оперативної пам’яті, його контролер (керуюча схема) прискіпливо слідкує за тим, які дані потрібно зберігати у кеші, а які замінити: видаляється та інформація, яка використовується рідше або зовсім не використовується. Слід також замітити, що кеш-пам’ять є дуже ефективним засобом підвищення продуктивності комп’ютера, у чому легко переконатися на практиці, якщо у вашому комп’ютері передбачена можливість відключення кеша.

 У сучасних комп’ютерах кеш, як правило, будується на дворівневій схемі. При цьому первинний кеш вбудований безпосередньо у процесор, а вторинний кеш встановлюється на системній платі. Як і для ОЗП збільшення об’єму кеша підвищує ефективність роботи комп’ютерної системи.