Процессор хранит информацию или нет

Обновлено: 22.06.2024

ЦП и блок питания защищены от непогоды и животных закрытой дверцей.

Связанные термины:

Скачать в формате PDF

Об этой странице

Рабочие процедуры промышленной системы управления

(1) адресные пространства PCI

ЦП и все устройства PCI должны иметь доступ к общей памяти. Драйверы устройств управляют устройствами PCI и передают информацию между ними, используя эту память. Обычно эта разделяемая память содержит регистры управления и состояния устройства, которые используются для управления устройством и чтения его состояния. Например, драйвер устройства PCI SCSI может прочитать свой регистр состояния, чтобы узнать, готово ли устройство к записи блока информации, или он может записать в управляющий регистр, чтобы запустить устройство после его включения.

Системная память ЦП может использоваться для этой общей памяти, но в этом случае каждый раз, когда устройство PCI обращается к памяти, ЦП должен будет останавливаться, ожидая завершения. Доступ к памяти обычно ограничивается одним системным компонентом за раз. Это замедлит работу системы. Это не позволяет периферийным устройствам системы бесконтрольно обращаться к основной памяти. Это было бы очень опасно; неисправное устройство может сделать систему очень нестабильной.

Периферийные устройства имеют собственные области памяти. ЦП может получить доступ к этим пространствам, но доступ устройств к системной памяти очень строго контролируется с помощью каналов DMA (прямой доступ к памяти). Устройства ISA имеют доступ к двум адресным пространствам; ISA I/O (ввод/вывод) и память ISA. В большинстве современных микропроцессоров PCI должен состоять из трех элементов: ввода-вывода PCI, памяти PCI и пространства конфигурации PCI.

Некоторые микропроцессоры, например процессор Alpha AXP, не имеют естественного доступа к адресным пространствам, отличным от системного адресного пространства. Этот процессор использует наборы микросхем поддержки для доступа к другим адресным пространствам, таким как пространство конфигурации PCI, с помощью схемы разреженного отображения адресов, которая крадет часть большого виртуального адресного пространства и сопоставляет его с адресными пространствами PCI.

Кластерные вычисления

IV.A Оборудование узла кластера

Узел обработки кластера включает в себя все средства и функции, необходимые для выполнения полных вычислений. Узлы чаще всего структурированы либо как однопроцессорные системы, либо как SMP, хотя некоторые кластеры, особенно группы, включают узлы, которые были системами с распределенной общей памятью (DSM). Узлы отличаются архитектурой используемых микропроцессоров, количеством и организацией микропроцессоров, емкостью первичной и вторичной памяти и внутренней логической структурой межсоединений. Узлы стандартных кластеров, продаваемых в первую очередь для основных вычислительных сред, должны также включать стандартные интерфейсы для внешних устройств, которые обеспечивают взаимодействие с множеством компонентов, разработанных сторонними поставщиками. Использование интерфейса с высокой пропускной способностью позволяет настраивать кластеры практически без изменений в подсистеме узла, сводя к минимуму любые дополнительные затраты, связанные с каждым узлом. Ключевые элементы узла кратко обсуждаются ниже. Следует понимать, что эта технология быстро развивается и что конкретные устройства, представленные в качестве примеров, скорее всего, будут улучшены по своим эксплуатационным характеристикам или будут полностью заменены в ближайшем будущем.

Центральный процессор . ЦП — это один микропроцессор с интегральной схемой СБИС, возможно объединенный в MCM (многочиповый модуль) с одной или несколькими микросхемами кэш-памяти. ЦП выполняет последовательности двоичных инструкций, работающих с двоичными данными, обычно длиной 32 или 64 бита. Хотя многие инструкции выполняются над внутренними данными, хранящимися в регистрах, получение новых данных из системы памяти является важным аспектом работы микропроцессора, требующим наличия одной или нескольких высокоскоростных кэш-памятей для минимизации среднего времени загрузки/сохранения. В кластерах используются как 32-разрядные, так и 64-разрядные архитектуры, самые популярные из которых основаны на семействе 32-разрядных процессоров Intel X86, а наиболее производительные — на базе 64-разрядных семейств Compaq Alpha или IBM RS6000. Первые товарные кластеры класса Beowulf включали микропроцессоры Intel 80486, работающие на частоте 100 МГц. Сегодня потомки этого чипа, включая Intel Pentium III и AMD K7 Athelon, имеют тактовую частоту более 1 ГГц. ЦП подключается к внутренней шине памяти для высокоскоростной передачи данных между памятью и ЦП, а также к внешней шине ввода-вывода, которая обеспечивает интерфейсы для вторичного хранилища и сетевых модулей управления.

Основная память. Хранит рабочие данные и программные инструкции для обработки ЦП. Это часть более крупной иерархии памяти, которая включает в себя высокоскоростную кэш-память, расположенную ближе к ЦП, и постоянное запоминающее устройство большой емкости с высокой плотностью, из которого он получает исходные данные и сохраняет окончательные результаты.В течение последних двух десятилетий в оперативной памяти доминировала технология DRAM, представляющая собой плотно упакованные массивы коммутируемых емкостных ячеек, встроенных в кремниевые пластины. Чипы DRAM, содержащие 256 Мбит данных, доступны с гигабитными чипами, которые станут обычным явлением в ближайшем будущем. Типичные узлы кластера поддерживают емкость основной памяти от 64 Мбайт до 1 Гбайт, хотя большие узлы SMP или DSM предоставляют больше. В последние годы DRAM претерпела значительные изменения, обеспечив более высокую пропускную способность, а также более высокую плотность, уменьшив, если не устранив узкое место между ЦП и его основной памятью.

Вторичное хранилище. Включает в себя набор устройств, обеспечивающих постоянное хранение большого объема данных. Вторичное хранилище служит нескольким целям в зависимости от использования содержащихся в нем данных. Он предоставляет все функции, как пользовательские приложения, так и инструменты операционной системы, которые управляют работой и вычислениями ЦП. Он предоставляет наборы данных, с которыми должны работать пользовательские задачи, и является основным хранилищем окончательных результатов пользовательских вычислений. Он поддерживает данные конфигурации, касающиеся настройки и рабочих параметров вычислительного узла, а также информацию об остальных устройствах кластера и их реляционных ролях. Поскольку большинство систем памяти поддерживают абстракцию виртуальной памяти, предоставляя логическую память, во много раз превышающую фактическую установленную физическую основную память, вторичное хранилище временно содержит те сегменты логического адресного пространства и связанные данные, которые не помещаются в существующую физическую основную память. В отличие от основной памяти, данные, хранящиеся на дополнительных устройствах хранения, сохраняются даже при отключении питания системы. Это энергонезависимое свойство позволяет архивировать данные на неопределенный срок. Основным типом компонента, обеспечивающим вторичное хранилище, является почтенный жесткий диск с его ранним происхождением в конце 1950-х годов, основанный на магнитном хранении (например, кассетной ленте) одного или нескольких дисков, вращающихся на одном шпинделе с высокой скоростью, доступ к которым осуществляется с помощью магнитной детекторной головки. радикально перемещался внутрь и наружу по поверхности диска, напоминая рычаг старого проигрывателя грампластинок. Современные жесткие диски обеспечивают много десятков гигабайт при умеренной стоимости и времени доступа порядка нескольких миллисекунд. Другие технологии используются для обеспечения более специализированных форм вторичного хранения, особенно для переносимости данных и безопасного постоянного архивного хранения. CD-ROM, созданные на основе исходных цифровых музыкальных носителей, обеспечивают примерно 600 Мбайт памяти по цене менее 1 доллара за диск, а возможность чтения-записи в настоящее время становится обычным явлением, хотя для кластерных систем это не так важно. Долговечные и относительно миниатюрные гибкие диски, содержащие всего 1,4 МБ, по-прежнему используются даже в кластерах, главным образом для первоначальной установки, настройки и загрузки.

Внешние интерфейсы. Выполняют три важные роли, связанные с работой кластеров и управлением ими. Они обеспечивают прямой пользовательский интерактивный доступ и контроль, они позволяют вводить данные приложений и передавать результаты на устройства за пределами системы, и они подключаются к сети взаимосвязи кластера и, таким образом, к другим узлам в кластере. Несмотря на то, что существует множество различных типов интерфейсов (просто посмотрите на количество сокетов на задней панели типичного ПК), PCI универсален как для ПК, так и для мейнфреймов, соединяя ЦП с множеством устройств управления интерфейсом. Шина PCI имеет четыре различные конфигурации, использующие 32- или 64-битные соединения с тактовой частотой 33 или 66 МГц и пиковой пропускной способностью 4 Гбит/с. Большинство контроллеров сетевого интерфейса (NIC) совместимы с одной или несколькими из этих форм PCI. Вполне вероятно, что в будущем новый стандарт внешнего интерфейса Infiniband заменит PCI, чтобы обеспечить более высокую пропускную способность и меньшую задержку между ЦП и внешними устройствами.

Компьютеры используют различные устройства хранения данных, которые классифицируются двумя способами: во-первых, сохраняют ли они данные при отсутствии электричества, а во-вторых, насколько близко они расположены к процессору (ЦП). Оба типа хранилища необходимы на всех компьютерах. В персональном компьютере память не сохраняет данные при выключении электричества, но при включенном обеспечивает быстрый доступ к открытым файлам. Однако накопитель позволяет хранить данные постоянно, поэтому они доступны при каждом включении компьютера.

Энергонезависимое и энергонезависимое хранилище

Первая классификация компьютерных хранилищ данных — энергозависимая и энергонезависимая. Примером энергозависимого хранилища является память (ОЗУ), в которой данные хранятся только до тех пор, пока устройство не обесточится. Оперативная память позволяет вашему компьютеру открывать несколько файлов и мгновенно получать доступ к любому из них. Другими примерами энергозависимых запоминающих устройств являются калькуляторы.

Энергонезависимое хранилище – это хранилище, в котором данные сохраняются даже при отсутствии питания устройства.Примером может служить жесткий диск (HDD) или твердотельный накопитель (SSD), на котором хранятся все данные, сохраненные на вашем компьютере. Есть и другие энергонезависимые хранилища, такие как DVD или флешки. Подробнее о разнице между памятью и хранилищем читайте здесь.

Иерархия хранилища

Компьютерные устройства хранения данных также классифицируются по удаленности от процессора. Ближайшее хранилище — это память или ОЗУ. Это единственный вид хранилища данных, который напрямую обращается к ЦП. Память включает в себя регистры процессора и кэш процессора, но они включены в модуль памяти.

Память — это энергозависимая память, поэтому любая информация, попадающая в память, должна быть записана на основное запоминающее устройство для постоянного хранения. Поскольку данные передаются из памяти на устройство хранения, оно считается дополнительным хранилищем.

Для большинства персональных компьютеров дополнительное хранилище является основным устройством хранения данных. Жесткий диск или твердотельный накопитель содержит все данные; файлы, фотографии, программы, музыку и фильмы, которые пользователь хочет сохранить. Съемные внешние устройства хранения данных, такие как флэш-накопители и CD- и DVD-диски с возможностью чтения и записи, также являются вторичным хранилищем. Однако компьютер не может работать без накопителя. На накопителе также хранится вся информация, необходимая компьютеру для работы.

Третичное хранилище – это компьютерное хранилище данных, в котором используются съемные носители, например ленточный накопитель, а для извлечения данных используется робот. Это редко используется в личных приложениях.

Заключение

В обычном использовании жесткий диск или твердотельный накопитель обычно называют накопителем. Поскольку память энергозависима, ее трудно рассматривать как запоминающее устройство. А поскольку персональные компьютеры редко используют третичную память, накопитель является основным и часто единственным энергонезависимым устройством хранения данных на компьютере. Узнайте больше о разнице между жесткими дисками и твердотельными накопителями.

© Micron Technology, Inc., 2018. Все права защищены. Информация, продукты и/или технические характеристики могут быть изменены без предварительного уведомления. Ни Crucial, ни Micron Technology, Inc. не несут ответственности за упущения или ошибки в типографике или фотографии. Micron, логотип Micron, Crucial и логотип Crucial являются товарными знаками или зарегистрированными товарными знаками Micron Technology, Inc. Все другие товарные знаки и знаки обслуживания являются собственностью соответствующих владельцев.

Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Если у вас есть какие-либо вопросы, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам.

Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, нужно ли пересматривать статью.

обработка информации, получение, запись, организация, поиск, отображение и распространение информации. В последние годы этот термин часто применялся конкретно к компьютерным операциям.

В популярном использовании термин информация относится к фактам и мнениям, предоставленным и полученным в ходе повседневной жизни: человек получает информацию непосредственно от других живых существ, из средств массовой информации, из электронных банков данных, и от всевозможных наблюдаемых явлений в окружающей среде. Человек, использующий такие факты и мнения, генерирует больше информации, часть которой сообщается другим в ходе дискурса, в инструкциях, в письмах и документах, а также через другие средства массовой информации. Информация, организованная в соответствии с некоторыми логическими отношениями, называется совокупностью знаний, которые должны быть получены путем систематического воздействия или изучения. Применение знаний (или навыков) дает опыт, а дополнительные аналитические или основанные на опыте идеи, как говорят, составляют примеры мудрости. Использование термина информация не ограничивается исключительно ее передачей посредством естественного языка. Информация также регистрируется и передается с помощью искусства, мимики и жестов или таких других физических реакций, как дрожь. Более того, каждое живое существо наделено информацией в виде генетического кода. Эти информационные явления пронизывают физический и ментальный мир, и их разнообразие таково, что до сих пор бросало вызов всем попыткам единого определения информации.

Интерес к информационным явлениям резко возрос в 20 веке, и сегодня они являются объектами изучения в ряде дисциплин, включая философию, физику, биологию, лингвистику, информатику и информатику, электронную и коммуникационную инженерию, науку об управлении, и социальные науки. С коммерческой точки зрения индустрия информационных услуг стала одной из самых новых отраслей во всем мире. Почти все остальные отрасли — производство и обслуживание — все больше озабочены информацией и ее обработкой.Различные, хотя и часто пересекающиеся, точки зрения и явления в этих областях приводят к различным (а иногда и противоречивым) концепциям и «определениям» информации.

В этой статье затрагиваются такие понятия, связанные с обработкой информации. Рассматривая основные элементы обработки информации, он различает информацию в аналоговой и цифровой форме и описывает ее получение, запись, организацию, поиск, отображение и методы распространения. Отдельная статья, информационная система, посвящена методам организационного контроля и распространения информации.

Общие соображения

Основные понятия

Интерес к тому, как передается информация и как ее носители передают смысл, со времен досократических философов занимал область исследования, называемую семиотикой, изучением знаков и знаковых явлений. Знаки являются нередуцируемыми элементами коммуникации и носителями смысла. Американскому философу, математику и физику Чарльзу С. Пирсу приписывают указание на три измерения знаков, которые связаны соответственно с телом или средой знака, объектом, который обозначает знак, и интерпретантом или интерпретантом. толкование знака. Пирс признал, что фундаментальные отношения информации по существу триадны; напротив, все отношения физических наук сводятся к диадическим (бинарным) отношениям. Другой американский философ, Чарльз У. Моррис, назвал эти три знаковых измерения синтаксическим, семантическим и прагматическим — имена, под которыми они известны сегодня.

Информационные процессы выполняются информационными процессорами. Для данного информационного процессора, физического или биологического, токен — это объект, лишенный смысла, который процессор распознает как полностью отличный от других токенов. Группа таких уникальных токенов, распознаваемых процессором, составляет его основной «алфавит»; например, точка, тире и пробел составляют основной алфавит символов процессора азбуки Морзе. Объекты, несущие значение, представлены наборами токенов, называемых символами. Последние объединяются для формирования символьных выражений, которые являются входными данными или выходными данными информационных процессов и хранятся в памяти процессора.

Информационные процессоры — это компоненты информационной системы, представляющей собой класс конструкций. Абстрактная модель информационной системы включает четыре основных элемента: процессор, память, рецептор и эффектор (рис. 1). У процессора есть несколько функций: (1) выполнять элементарные информационные процессы над символьными выражениями, (2) временно хранить в кратковременной памяти процессора входные и выходные выражения, над которыми работают эти процессы и которые они генерируют, (3) планировать выполнение этих процессов и (4) изменять эту последовательность операций в соответствии с содержимым кратковременной памяти. В памяти хранятся символьные выражения, в том числе те, которые представляют составные информационные процессы, называемые программами. Два других компонента, рецептор и эффектор, представляют собой механизмы ввода и вывода, функции которых заключаются, соответственно, в получении символических выражений или стимулов из внешней среды для обработки процессором и в передаче обработанных структур обратно в окружающую среду.

Мощность этой абстрактной модели системы обработки информации обеспечивается способностью составляющих ее процессоров выполнять небольшое количество элементарных информационных процессов: чтение; сравнение; создание, изменение и наименование; копирование; хранение; и писать. Модель, представляющая широкий спектр таких систем, оказалась полезной для объяснения искусственных информационных систем, реализованных на последовательных информационных процессорах.

Поскольку было признано, что в природе информационные процессы не являются строго последовательными, с 1980 года все больше внимания уделяется изучению человеческого мозга как информационного процессора параллельного типа. Когнитивные науки, междисциплинарная область, занимающаяся изучением человеческого разума, внесли свой вклад в развитие нейрокомпьютеров, нового класса параллельных процессоров с распределенной информацией, которые имитируют функционирование человеческого мозга, включая его возможности самоконтроля. организация и обучение. Так называемые нейронные сети, представляющие собой математические модели, вдохновленные сетью нейронных цепей человеческого мозга, все чаще находят применение в таких областях, как распознавание образов, управление производственными процессами и финансами, а также во многих исследовательских дисциплинах.

Информация как ресурс и товар

В конце 20 века информация приобрела два основных утилитарных значения. С одной стороны, он считается экономическим ресурсом, наравне с другими ресурсами, такими как труд, материал и капитал.Эта точка зрения основана на доказательствах того, что обладание информацией, манипулирование ею и ее использование могут повысить рентабельность многих физических и когнитивных процессов. Рост активности обработки информации в промышленном производстве, а также в решении человеческих проблем был замечательным. Анализ одного из трех традиционных секторов экономики, сферы услуг, показывает резкий рост информационно-емкой деятельности с начала 20 века. К 1975 году на эти виды деятельности приходилось половина рабочей силы Соединенных Штатов.

Как индивидуальный и общественный ресурс, информация имеет некоторые интересные характеристики, которые отличают ее от традиционных представлений об экономических ресурсах. В отличие от других ресурсов, информация обширна, и ее ограничения, по-видимому, накладываются только временем и когнитивными способностями человека. Его экспансивность объясняется следующим: (1) он естественным образом распространяется, (2) он воспроизводится, а не потребляется посредством использования, и (3) им можно только делиться, а не обмениваться в транзакциях. В то же время информация сжимаема как синтаксически, так и семантически. В сочетании с его способностью заменять другие экономические ресурсы, его транспортабельностью на очень высоких скоростях и его способностью давать преимущества обладателю информации, эти характеристики лежат в основе таких социальных отраслей, как исследования, образование, издательское дело, маркетинг, и даже политика. Забота общества об экономии информационных ресурсов вышла за пределы традиционной области библиотек и архивов и теперь охватывает организационную, институциональную и государственную информацию под эгидой управления информационными ресурсами.

Наследие более ранних разработок, таких как разностная машина Бэббиджа и перфокартные системы мейнфреймов 1970-х годов, оказывают значительное влияние на современные компьютерные системы. В своей первой статье из этой исторической серии «История компьютеров и современные компьютеры для системных администраторов» я обсудил несколько предшественников современного компьютера и перечислил характеристики, определяющие то, что мы сегодня называем компьютером.

В этой статье я расскажу о центральном процессоре (ЦП), включая его компоненты и функциональные возможности. Многие темы относятся к первой статье, поэтому обязательно прочитайте ее, если вы еще этого не сделали.

Центральный процессор (ЦП)

ЦП современных компьютеров — это воплощение «мельницы» в разностной машине Бэббиджа. Термин центральный процессор возник еще в далекие компьютерные времена, когда в одном массивном корпусе содержалась схема, необходимая для интерпретации программных инструкций машинного уровня и выполнения операций с предоставленными данными. Центральный процессор также завершил всю обработку всех подключенных периферийных устройств. Периферийные устройства включали принтеры, устройства чтения карт и ранние устройства хранения, такие как барабаны и дисководы. Современные периферийные устройства сами обладают значительной вычислительной мощностью и разгружают некоторые задачи обработки с ЦП. Это освобождает ЦП от задач ввода-вывода, так что его мощность применяется к основной задаче под рукой.

Ранние компьютеры имели только один ЦП и могли выполнять только одну задачу за раз.

Сегодня мы сохраняем термин ЦП, но теперь он относится к процессорному пакету на типичной материнской плате. На рис. 1 показан стандартный пакет процессоров Intel.

Рис. 1. Процессор Intel Core i5 (Джуд МакКрени, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0).

Здесь действительно не на что смотреть, кроме самого пакета процессора. Пакет процессора представляет собой микросхему, содержащую процессор(ы), запечатанную внутри металлического контейнера и установленную на небольшой печатной плате (ПК). Пакет просто вставляется в гнездо ЦП на материнской плате и фиксируется с помощью фиксирующего рычага. Процессорный кулер крепится к корпусу процессора. Существует несколько различных физических разъемов с определенным количеством контактов, поэтому, если вы собираете свои собственные компьютеры, очень важно подобрать правильный корпус, подходящий для разъема материнской платы.

Как работает процессор

Давайте рассмотрим ЦП более подробно. На рис. 2 представлена концептуальная схема гипотетического ЦП, позволяющая упростить визуализацию компонентов. ОЗУ и системные часы заштрихованы, поскольку они не являются частью ЦП и показаны только для ясности. Кроме того, никакие связи между часами ЦП и блоком управления с компонентами ЦП не используются.Достаточно сказать, что сигналы от часов и блока управления являются неотъемлемой частью любого другого компонента.

Рисунок 2. Упрощенная концептуальная схема типичного процессора.

Этот дизайн не выглядит особенно простым, но на самом деле все еще сложнее. Этой цифры достаточно для наших целей, но она не слишком сложная.

Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические функции, за которые отвечает компьютер. A и B регистры содержат входные данные, а накопитель получает результат операции. Регистр инструкций содержит инструкцию, которую должен выполнить АЛУ.

Например, при добавлении двух чисел одно число помещается в регистр A, а другое — в регистр B. АЛУ выполняет сложение и помещает результат в аккумулятор. Если операция логическая, сравниваемые данные помещаются в регистры ввода. Результат сравнения, 1 или 0, помещается в аккумулятор. Независимо от того, является ли это логической или арифметической операцией, содержимое накопителя затем помещается в ячейку кэша, зарезервированную программой для результата.

Существует еще один тип операций, выполняемых ALU. Результатом является адрес в памяти, который используется для вычисления нового местоположения в памяти, чтобы начать загрузку инструкций. Результат помещается в регистр указателя команд.

Регистр инструкций и указатель

Указатель инструкции указывает место в памяти, содержащее следующую инструкцию, которую должен выполнить ЦП. Когда ЦП завершает выполнение текущей инструкции, следующая инструкция загружается в регистр инструкций из ячейки памяти, на которую указывает указатель инструкции.

После загрузки инструкции в регистр инструкций указатель регистра инструкций увеличивается на один адрес инструкции. Увеличение позволяет ему быть готовым к перемещению следующей инструкции в регистр инструкций.

Кэш

ЦП никогда не обращается напрямую к ОЗУ. Современные процессоры имеют один или несколько уровней кеша. Способность ЦП выполнять вычисления намного быстрее, чем способность ОЗУ передавать данные ЦП. Причины этого выходят за рамки этой статьи, но я расскажу об этом подробнее в следующей статье.

Кэш-память быстрее системной ОЗУ и ближе к ЦП, поскольку находится на кристалле процессора. Кэш обеспечивает хранение данных и инструкции, чтобы ЦП не ждал, пока данные будут извлечены из ОЗУ. Когда центральному процессору нужны данные (а инструкции программы также считаются данными), кэш определяет, имеются ли уже данные, и предоставляет их центральному процессору.

Если запрошенных данных нет в кеше, они извлекаются из ОЗУ и с помощью алгоритмов прогнозирования перемещают больше данных из ОЗУ в кеш. Контроллер кэша анализирует запрошенные данные и пытается предсказать, какие дополнительные данные потребуются из оперативной памяти. Он загружает ожидаемые данные в кеш. Храня некоторые данные ближе к ЦП в кеше, который быстрее, чем ОЗУ, ЦП может оставаться занятым и не тратить циклы на ожидание данных.

Наш простой ЦП имеет три уровня кэша. Уровни 2 и 3 предназначены для прогнозирования того, какие данные и программные инструкции потребуются в следующий раз, для перемещения этих данных из ОЗУ и перемещения их как можно ближе к ЦП, чтобы они были готовы, когда это необходимо. Эти размеры кэша обычно варьируются от 1 МБ до 32 МБ в зависимости от скорости и предполагаемого использования процессора.

Кэш уровня 1 расположен ближе всего к центральному процессору. В нашем процессоре есть два типа кеша L1. L1i — это кэш инструкций, а L1d — кэш данных. Размер кэша уровня 1 обычно составляет от 64 КБ до 512 КБ.

Блок управления памятью

Блок управления памятью (MMU) управляет потоком данных между основной памятью (ОЗУ) и ЦП. Он также обеспечивает защиту памяти, необходимую в многозадачных средах, и преобразование адресов виртуальной памяти в физические адреса.

Часы процессора и блок управления

Все компоненты ЦП должны быть синхронизированы для бесперебойной совместной работы. блок управления выполняет эту функцию со скоростью, определяемой тактовой частотой, и отвечает за управление операциями других блоков с помощью сигналов синхронизации, которые распространяются на ЦП.< /p>

Оперативная память (ОЗУ)

Хотя ОЗУ или основное хранилище показаны на этой и следующей диаграммах, на самом деле они не являются частью ЦП. Его функция заключается в хранении программ и данных, чтобы они были готовы к использованию, когда они потребуются процессору.

Как это работает

ЦП работают по циклу, который управляется блоком управления и синхронизируется с часами ЦП. Этот цикл называется циклом инструкций ЦП и состоит из ряда компонентов выборки/декодирования/выполнения. Инструкция, которая может содержать статические данные или указатели на переменные данные, извлекается и помещается в регистр инструкций. Команда декодируется, и любые данные помещаются в регистры данных A и B. Инструкция выполняется с использованием регистров A и B, а результат помещается в аккумулятор. Затем ЦП увеличивает значение указателя инструкции на длину предыдущего и начинает заново.

Базовый цикл инструкций ЦП выглядит следующим образом.

Рисунок 3. Базовый цикл инструкций ЦП.

Потребность в скорости

Хотя базовый ЦП работает хорошо, ЦП, работающие в этом простом цикле, можно использовать еще эффективнее. Существует несколько стратегий повышения производительности ЦП, и здесь мы рассмотрим две из них.

Ускорение цикла инструкций

Одной из проблем, с которой столкнулись первые разработчики ЦП, была трата времени на различные компоненты ЦП. Одной из первых стратегий повышения производительности ЦП было перекрытие частей цикла инструкций ЦП для более полного использования различных частей ЦП.

Например, когда текущая инструкция декодирована, следующая извлекается и помещается в регистр инструкций. Как только это произошло, указатель инструкции обновляется адресом памяти следующей инструкции. Использование перекрывающихся циклов команд показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Цикл инструкций ЦП с перекрытием.

Этот дизайн выглядит красиво и плавно, но такие факторы, как ожидание ввода-вывода, могут нарушить поток. Отсутствие правильных данных или инструкций в кэше требует, чтобы MMU находил правильные данные и перемещал их в ЦП, а это может занять некоторое время. Для выполнения некоторых инструкций также требуется больше циклов ЦП, чем для других, что мешает плавному перекрытию.

Тем не менее, это мощная стратегия повышения производительности ЦП.

Гиперпоточность

Еще одна стратегия повышения производительности ЦП — гиперпоточность. Гиперпоточность заставляет одно ядро процессора работать как два процессора, предоставляя два потока данных и инструкций. Добавление второго указателя инструкций и регистра инструкций к нашему гипотетическому ЦП, как показано на рис. 5, заставляет его функционировать как два ЦП, выполняя два отдельных потока инструкций в течение каждого командного цикла. Кроме того, когда один поток выполнения останавливается в ожидании данных (опять же, инструкции также являются данными), второй поток выполнения продолжает обработку. Каждое ядро, реализующее гиперпоточность, эквивалентно двум ЦП по способности обрабатывать инструкции.

Рис. 5. Концептуальная схема ЦП с технологией Hyper-Threading.

Помните, что это очень упрощенная схема и объяснение нашего гипотетического процессора. Реальность гораздо сложнее.

Дополнительная терминология

Я столкнулся с множеством различных терминов ЦП. Чтобы более точно определить терминологию, давайте рассмотрим сам ЦП с помощью команды lscpu.

Процессор Intel, показанный выше, представляет собой корпус, который подключается к одному разъему на материнской плате. Пакет процессора содержит шесть ядер. Каждое ядро поддерживает гиперпоточность, поэтому каждое из них может одновременно запускать два потока, что в сумме дает 12 ЦП.

Ядро. Ядро — это наименьшая единица физического оборудования, способная выполнять задачу обработки. Он содержит одно АЛУ и один или два набора вспомогательных регистров. Второй набор регистров и поддерживающих схем обеспечивает гиперпоточность. Одно или несколько ядер можно объединить в один физический пакет.
ЦП. Логический аппаратный блок, способный обрабатывать один поток выполнения. Современное использование термина центральный процессор относится к общему количеству потоков, которые процессорный пакет может выполнять одновременно. Одноядерный процессор, не поддерживающий гиперпоточность, эквивалентен одному процессору. В этом случае ЦП и ядро являются синонимами. Процессор Hyper-Threading с одним ядром является функциональным эквивалентом двух процессоров.Процессор с поддержкой технологии Hyper-Threading с восемью ядрами функционально эквивалентен 16 процессорам.
Пакет – физический компонент, содержащий одно или несколько ядер, как показано на рис. 1 выше.
Процессор. 1) Устройство, которое обрабатывает инструкции программы для обработки данных. 2) Часто используется как синоним пакета.
Сокет. Иногда используется как синоним пакета, но более точно относится к физическому сокету на материнской плате, в который вставляется корпус процессора.

Термины сокет, процессор и пакет часто используются взаимозаменяемо, что может вызвать некоторую путаницу. Как видно из приведенных выше результатов команды lscpu, Intel предоставляет нам собственную терминологию, и я считаю ее авторитетным источником. На самом деле мы все используем эти термины по-разному, но если мы понимаем друг друга в любой момент времени, это действительно важно.

Обратите внимание, что указанный выше процессор имеет два кэша уровня 1 по 512 КиБ каждый: один для инструкций (L1i) и один для данных (L1d). Кэш уровня 1 находится ближе всего к ЦП, и он ускоряет работу, разделяя инструкции и данные на этом этапе. Кэши уровня 2 и уровня 3 больше, но инструкции и данные сосуществуют в каждом из них.

Что все это значит?

Хороший вопрос. На заре мейнфреймов каждый компьютер имел только один ЦП и не мог одновременно запускать более одной программы. Мейнфрейм может выполнять расчет заработной платы, затем учет запасов, затем выставление счетов клиентам и т. д., но одновременно может выполняться только одно приложение. Каждая программа должна была завершиться, прежде чем системный оператор мог запустить следующую.

В некоторых ранних попытках одновременного запуска нескольких программ применялся простой подход, направленный на более эффективное использование одного процессора. Например, программа1 и программа2 были загружены, а программа1 выполнялась до тех пор, пока не была заблокирована в ожидании ввода-вывода. В этот момент программа2 работала до тех пор, пока не была заблокирована. Такой подход назывался многопроцессорной обработкой и позволял полностью использовать ценное компьютерное время.

Все ранние попытки многозадачности включали очень быстрое переключение контекста выполнения одного ЦП между потоками выполнения нескольких задач. Эта практика не является настоящей многозадачностью, как мы ее понимаем, потому что в действительности одновременно обрабатывается только один поток выполнения. Правильнее будет назвать это разделением времени.

Все современные компьютеры, от смарт-часов и планшетов до суперкомпьютеров, поддерживают настоящую многозадачность с несколькими процессорами. Наличие нескольких процессоров позволяет компьютерам выполнять множество задач одновременно. Каждый ЦП выполняет свои функции одновременно со всеми остальными ЦП. Восьмиъядерный процессор с технологией Hyper-Threading (т. е. 16 ЦП) может одновременно выполнять 16 задач.

Заключительные мысли

Мы рассмотрели концептуальный и упрощенный ЦП, чтобы немного узнать о структурах. В этой статье я лишь поверхностно коснулся функциональности процессора. Вы можете узнать больше, воспользовавшись встроенными ссылками на изученные нами темы.

Помните, что схемы и описания в этой статье носят чисто концептуальный характер и не представляют реальный ЦП.

В следующей части этой серии статей я рассмотрю оперативную память и дисковые накопители как разные типы хранилищ и поясню, почему каждый из них необходим современным компьютерам.

Читайте также: