Вычислительные машины, системы и сети. Лекция 6. Тема 10. Структура современной ЭВМ

1.

Вычислительные машины,
системы и сети
Лекция 6
к.т.н., доцент, Тычинина Юлия
Александровна

2.

10. Структура современной ЭВМ.

3.

10. Структура современной ЭВМ.
Центральный
процессор
(ЦП;
также
центральное
процессорное
устройство — ЦПУ; англ. central processing
unit, CPU, дословно —центральное
обрабатывающее устройство) — это
основной рабочий компонент компьютера,
выполненный в виде электронного блока,
либо
интегральной
схемы
(микропроцессора),
который
выполняет арифметические и логические
операции,
заданные
программой,
управляет вычислительным процессом и
координирует работу всех устройств
компьютера.

4.

10. Структура современной ЭВМ.
Центральный процессор в общем случае содержит в себе:
• арифметико-логическое устройство;
• регистры;
• внутренние шины данных и шины адресов;
• счетчики команд;
• кэш — очень быструю память малого объема;
• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой (FPU
floating point unit).
Главными характеристиками ЦПУ являются:
• тактовая частота,
• производительность,
• энергопотребление,
• нормы литографического процесса, используемого при
производстве (для микропроцессоров),
• архитектура.

5.

10. Структура современной ЭВМ.
Кэш или кеш (англ. cache) — промежуточный буфер с
быстрым доступом, содержащий информацию, которая
может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к
данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных
из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или
твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается
среднее
время
доступа
и
увеличивается
общая
производительность компьютерной системы.
Кэш центрального процессора разделён на несколько
уровней. Максимальное количество кэшей — четыре. Кэшпамять уровня N+1, как правило, больше по размеру и
медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэшпамять уровня N.

6.

10. Структура современной ЭВМ.
Самым быстрым является кэш первого уровня — L1 cache (level
1 cache). По сути, она является неотъемлемой частью процессора,
поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в
состав функциональных блоков. В современных процессорах
обычно L1 разделен на два кэша — кэш команд (инструкций) и кэш
данных (Гарвардская архитектура). L1 работает на частоте
процессора, и, в общем случае, обращение к нему может
производиться каждый такт. Зачастую является возможным
выполнять несколько операций чтения/записи одновременно.
Вторым по быстродействию является кэш второго уровня — L2
cache, который обычно, как и L1, расположен на одном кристалле с
процессором. В ранних версиях процессоров L2 реализован в виде
отдельного набора микросхем памяти на материнской плате.
Объём L2 от 128 кбайт до 1−12 Мбайт. В современных
многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том
же кристалле.

7.

10. Структура современной ЭВМ.
Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он
может быть очень большим — более 24 Мбайт. L3 медленнее
предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем
оперативная память. Обычно расположен отдельно от ядра ЦП. В
многопроцессорных системах находится в общем пользовании и
предназначен для синхронизации данных различных L2.

8.

9.

10. Структура современной ЭВМ.
Сокет – это разъём центрального
процессора
—
гнездовой
или
щелевой разъём (гнездо) в материнской
плате определенного типа процессора или
CPU-карты. На физическом уровне, разъёмы
отличаются количеством контактов, типом
контактов, расстоянием креплений для
процессорных
кулеров,
что
делает
практически все разъёмы несовместимыми.
При
выборе
процессора
необходимо
учитывать сокет.
Front Side Bus (FSB) — это фронтальная
шина,
обеспечивающая
соединение
между
x86-совместимым
центральным
процессором и внутренними устройствами.
Таким образом, FSB работает в качестве
магистрального канала между процессором и
чипсетом.

10.

10. Структура современной ЭВМ.
Материнская плата (англ. motherboard, MB, также используется
название англ. mainboard — главная плата) — сложная
многослойная печатная плата, на которой устанавливаются
основные компоненты персонального компьютера. Именно
материнская плата объединяет и координирует работу таких
различных по своей сути и функциональности комплектующих, как
процессор, оперативная память, платы расширения и
всевозможные накопители.
Каждое из устройств выполнено в виде отдельной микросхемы
(chip). Все вместе они образуют чипсет (chipset). Чипсет – набор
специализированных микросхем, при подключении которых друг к
другу формируется функциональный блок вычислительной
системы.
Чипсет материнской платы служит для «обвязки» центрального
процессора. Главные компоненты чипсета: северный и южный
мост. Видео 3

11.

10. Структура современной ЭВМ.
Северный мост (Northbridge) - это системный контроллер
(контроллер-концентратор памяти, Memory Controller Hub, MCH),
отвечающий за работу с оперативной памятью (RAM),
видеоадаптером (через графическую шину PCI-E, которая пришла
на смену AGP или PCI) и процессором (CPU). Северный мост
отвечает также за частоту системной шины, тип оперативной
памяти и ее максимально возможный объем. Одной из основных
функций северного моста является обеспечение взаимодействия
системной платы и процессора, а также определение скорости
работы. Частью северного моста во многих материнских платах
является
встроенный
видеоадаптер.
Таким
образом,
функциональная особенность северного моста являет собой еще и
управление шиной видеоадаптера и ее быстродействием. Также
северный мост обеспечивает связь всех вышеперечисленных
устройств с южным мостом.

12.

10. Структура современной ЭВМ.
Южный мост (Southbridge) - это функциональный контроллер,
известен как контроллер ввода-вывода или ICH (In/Out Controller
Hub). Отвечает за так называемые "медленные" операции, к
которым относится отработка взаимодействия между различными
интерфейсами (IDE, SATA, USB, LAN, Embeded Audio) и северным
мостом системы, который, в свою очередь, напрямую связан с
процессором и другими важными компонентами, такими как
оперативная память или видеоподсистема. Также южный мост
отвечает за обработку данных на шинах PCI, PCIe и ISA (в старых
моделях системных плат).
Функционально южный мост включает в себя контроллеры
различных шин и устройств. Список обслуживаемых систем
материнской платы южным мостом довольно велик, в основном
это различные параллельные и последовательные шины.

13.

10. Структура современной ЭВМ.
Интерфе́йс (англ. interface — сопряжение, поверхность
раздела, перегородка) — совокупность возможностей,
способов и методов взаимодействия двухсистем (любых, а не
обязательно
являющиеся
вычислительными
или информационными).
Для компьютеров и связанных с ним устройств наиболее
распространенной является задача передачи дискретных
данных, и, как правило, в значительных количествах (не один
бит). Самый распространенный способ представления
данных сигналами — двоичный: например, условно
высокому (выше порога) уровню напряжения соответствует
логическая единица, низкому — логический ноль (возможно
и обратное представление).

14.

10. Структура современной ЭВМ.
Для того чтобы передавать группу битов, используются два
основных подхода к организации интерфейса:
параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой
группы используется своя сигнальная линия (обычно с двоичным
представлением), и все биты группы передаются одновременно за
один
квант
времени.
Примеры:
параллельный
порт
подключения принтера (LPT-порт, 8 бит), интерфейс ATA/ATAPI (16
бит), SCSI (8 или 16 бит), шина PCI (32 или 64 бита);
последовательный интерфейс — используется лишь одна
сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по
очереди; на каждый из них отводится свой квант времени
(битовый
интервал).
Примеры:
последовательный
коммуникационный
порт
(COM-порт),
последовательные
шины USB и FireWire, PCI Express, интерфейсы локальных и
глобальных сетей.

15.

10. Структура современной ЭВМ.
На
первый
взгляд
организация
параллельного
интерфейса проще и нагляднее и этот интерфейс обеспечивает
более быструю передачу данных, поскольку биты передаются
сразу пачками. Очевидный недостаток параллельного интерфейса
— большое количество проводов и контактов разъемов в
соединительном кабеле (по крайней мере по одному на каждый
бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных
цепей устройств, с которой мирятся ради вожделенной скорости.
У последовательного интерфейса приемопередающие узлы
функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и
дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть
многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и
невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные
интерфейсы.