Микропроцессоры

Определение
Центральный процессор (ЦП; CPU – англ. central processing unit) – процессор машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера, отвечающая за выполнение арифметических операций, заданных программами операционной системы, и координирующий работу всех устройств компьютера.

Характеристики процессора
Разрядность;
характеризуется разрядностью шины данных (то есть количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции) и разрядностью шины адреса, определяющая адресное пространство микропроцессора. Здесь адресное пространство – это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть адресовано микропроцессором.
Рабочая тактовая частота;
Величина кэш-памяти;
Кэш-память – сверхоперативное запоминающее устройство, входящее в состав микропроцессора, как правило, имеет два уровня:
память перового уровня (L1), находящаяся внутри ядра процессора;
память второго уровня (L2), которая размещается на плате процессора и связывается с ядром микропроцессорной шиной.
Особенностью кэша первого уровня является разделение на кэш данных и кэш инструкций (черта, характерная для гарвардской архитектуры).

Характеристики процессора
Состав инструкций;
Инструкции общего назначения – основные целочисленные инструкции х86, используемые практически всеми программами. Эти инструкции загружают, сохраняют и обрабатывают данные, расположенные в регистрах общего назначения и памяти. Часть инструкций служит для изменения последовательности исполнения – это инструкции условных и безусловных переходов, вызовы процедур. Базовые инструкции общего назначения реализованы на всех процессорах х86, на процессорах с 64-х битными расширениями они дополняются инструкциями 64-х битных режимов (long mode instructions).
Инструкции с плавающей точкой х87 работают с FPU и используются в приложениях, требующих точных вычислений.
Мультимедийные инструкции, позволяющие обрабатывать несколько элементов данных за одну инструкцию (т.н. SIMD-команды) включают в себя:
команды расширения MMX (MultiMedia eXtension), позволяющие выполнять параллельную обработку упакованных целых чисел (разрядностью 64 бита);
команды расширений SSE, SSE2 и SSE3 (Streaming SIMD Extension – потоковые SIMD команды), расширяющие возможности MMX и предназначенные для параллельной обработки упакованных целых чисел, и упакованных чисел с плавающей точкой (и те и другие при этом записываются в 128-ми битные регистры XMM).

Характеристики процессора
Конструктив;
Или тип разъема (или сокета от англ. socket – гнездо), предназначенного для установки процессора.
Определяет совместимость процессора и конкретной материнской платы. Так, например, для установки процессоров Intel от Pentium 4 до Core 2 Quad используется Socket LGA 775.
LGA – обозначение типа корпуса микропроцессора (Land Grid Array – корпус с матрицей контактных площадок, расположенных в его нижней части), 775 – количество контактов.
Энергопотребление
...

Микроархитектура процессора

Двухуровневая структура процессора Nehalem
IMC (Integrated Memory Controller) – интегрированный контроллер памяти.
QPI (QuickPath Interconnect) – шина, используется для связи процессора с чипсетом и для связи процессоров друг с другом (в случае многопроцессорных конфигураций).

Система памяти ПК

Уровни иерархии памяти ПК
SSE регистры
Емкость - 16Байт
Быстродействие -0,001 мкс
Кэш
Емкость L3=8МБ (Intel Core I7)
ОЗУ
Емкость – 1ГБ
Быстродействие – 0,004 мкс
HDD
Емкость – 1 ТБ
Быстродействие - 0,05/15 мс

ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ

Определения
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом)
Произвольность доступа подразумевает возможность операций записи в любую ячейку ОЗУ в произвольном порядке.

DRAM (Dynamic RAM)
Каждый бит динамической памяти представляется в виде наличия или отсутствия заряда на конденсаторах, образованных элементами полупроводниковых микросхем и являющихся ячейками памяти.
Для сохранности данных требуется регулярная подзарядка конденсатора, что возможно при периодическом выполнении операций чтения/записи – динамический режим работы памяти.

Типы DRAM
Страничная память
Страничная память (англ. page mode DRAM, PM DRAM) являлась одним из первых типов выпускаемой компьютерной оперативной памяти. Память такого типа выпускалась в начале 90-х годов.
Быстрая страничная память
(fast page mode DRAM, FPM DRAM) появилась в 1995 году. В основном применялась для компьютеров с процессорами Intel 486 или аналогичных процессоров других фирм.
Память с усовершенствованным выходом
(extended data out DRAM, EDO DRAM) появилась на рынке в 1996 году и стала активно использоваться на компьютерах с процессорами Intel Pentium и выше.

Типы DRAM (продолжение)
Синхронная DRAM
(synchronous DRAM, SDRAM). Особенностью этого типа памяти было использование тактового генератора для синхронизации всех сигналов и использование конвейерной обработки информации.
DDR SDRAM
SDRAM с удвоенной скоростью передачи данных (англ. double data rate SDRAM, DDR SDRAM, или SDRAM II) В основе - технология, позволяющие за один такт синхронизации данные передавать дважды .

Производительность
Пропускная способность (МБ/с)
Частота шины (МГц)
Память DIMM DDR3 1 GB (PC8500, 1066 MHz):
1066 – «эффективная» (удвоенная) частота
533 × 2 × 8 = 8528 МБ/с

Модули памяти
SIP
SIMM
DIMM
SO-DIMM
RIMM

ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ

Основные характеристики
Метод доступа:
Устройства хранения с прямым доступом допускает возможность обращения к блокам по их адресам в произвольном порядке (дисковые накопители).
Устройства последовательного доступа – произвольное чередование чтения/записи невозможно (стримеры, оптические диски, флэш-память).
Емкость
Время доступа – средний интервал от получения устройством запроса на запись/чтение до фактического начала передачи данных.
Для устройств с подвижным носителем – время поиска (seek time) при позиционировании головок и ожидания подхода к ним требуемого участка носителя (latency).
Скорость записи/чтения – отношение объема записываемых (считываемых) данных ко времени на эту операцию.
Сильно зависит от характера запросов – линейный или случайный
Конструктив
«Пятидюймовый» формат – дискеты 5,25”
Форм-фактор 3,5” и т.д.
Интерфейс

Интерфейсы устройств хранения
Параллельный интерфейс ATA
(Advanced Technology Attachment – усовершенствованная технология подключения).
Первоначальная версия стандарта ATA была разработана в 1986 году фирмой Western Digital и по маркетинговым соображениям получила название IDE (Integrated Drive Electronics – «Электроника, встроенная в привод»).
С появлением SATA также получил название PATA (Parallel ATA).
Одновременно передавались 16 бит данных.
Пропускная способность АТА в различных стандартах составляла от 33 Мб/с (АТАЗЗ) до 133 Мб/с (АТА133).
Последовательный интерфейс Serial ATA (SATA)
Пропускная способность интерфейса SATA увеличилась до 150 Мб/с (для SATA2 – 300 Мб/с, SATA3 – 600 Мб/с).
В интерфейсе SATA применяется 7-проводный кабель (вместо 40 в ATA).

RAID
В переводе с английского «RAID» (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) можно перевести как «избыточный массив независимых дисков».
Назначение RAID:
создание на базе нескольких винчестеров диска большого объема с увеличенной скоростью доступа;
сохранение данных в случае отказа части оборудования.
RAID 0 (Striping - чередование) – дисковый массив из двух или более жёстких дисков с отсутствием избыточности.
Информация разбивается на блоки данных и записывается на объединенные в массив диски поочередно.
За счёт этого существенно повышается производительность (от количества дисков зависит кратность увеличения производительности), но страдает надёжность всего массива – при выходе из строя любого из входящих в RAID 0 винчестеров полностью и безвозвратно пропадает вся информация.
RAID 1 (Mirroring – «зеркало»).
Обеспечивает приемлемую скорость записи и выигрыш по скорости чтения за счёт распараллеливания запросов.
Работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве.
Недостаток - приходится выплачивать стоимость двух жёстких дисков, получая полезный объем одного жёсткого диска (классический случай, когда массив состоит из двух дисков).

Жесткие диски
Термины:
Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД)
Hard Disk Drive (HDD)
Винчестер (IBM, 1973г. – первый HDD, 30 дорожек по 30 секторов)
Компоненты:
Круглые пластины из алюминия или стекла
Шпиндель
Блок считывающих головок с устройством позиционирования
Электродвигатель
Блок электроники

Перпендикулярная запись
Технологии записи

SSD - (Solid State Disk — твердотельные
диски)

Оптические диски – CD/CD-R
Первые оптические диски были разработаны в 1982-м году фирмами Sony и Philips и предназначались для записи звука.
Информация записывается вдоль спиральной дорожки от центра диска и считывается при помощи инфракрасного лазера с длиной волны 780 нм.
Длина спирали – 22188 витков, поперечная плотность – 600 витков на 1 мм.
Для выравнивания продольной плотности записи диск обеспечивает постоянство линейной скорости носителя (за счет переменной угловой скорости)
Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 KБ/с.

DVD
Название DVD сначала понималось как Digital Video Disk (Цифровой видео диск), но сейчас эта аббревиатура чаще понимается как Digital Versatile Disk (Универсальный цифровой диск).
Первые записываемые диски DVD появились в 1997 году.
Сочетания количества слоев и сторон определяется маркировкой DVD:
Single Sided (SS – односторонние);
Dual Sided (DS – двухсторонние);
Single Layer (SL – однослойные);
Dual Layer (DL – двухслойные).