Главным компонентом компьютера, безусловно, является центральный процессор. Он управляет работой всех частей компьютера, производит все вычисления, определяет общее быстродействие. Как правило, это самый высокоскоростной компонент — частота работы современных моделей зачастую превосходит 3 ГГц. Впрочем, быстродействие процессора зависит не столько от частоты, на которой он работает, сколько от его архитектуры.
В классическом варианте «общение» с остальными устройствами процессор осуществляет посредством системной шины (подробности в статье «Функциональная схема работы компьютера»). К сожалению, все остальные компоненты способны вести обмен данными со скоростями, заметно меньшими, чем допускает вычислительная мощность процессора, это и обуславливает намного более низкую частоту системной шины. Чтобы избежать непродуктивных задержек, в процессоре имеется высокоскоростная кэш-память. Она содержит наиболее часто использовавшиеся за последнее время данные и инструкции, а также информацию, которая может потребоваться в ближайшее время. В результате обращение к находящимся в кэше данным и инструкциям практически не вызывает дополнительных тактов ожидания. И только если необходимая информация отсутствует, она запрашиваются из оперативной памяти или от других устройств.
Современные процессоры AMD (начиная с Athlon 64), новое семейство процессоров Intel (Core i7), функционируют несколько иначе — «общение» с оперативной памятью происходит напрямую, минуя системную шину. Это позволяет существенно сократить задержки при получении и записи данных и инструкций, но, все равно, без кэш-памяти не обойтись.
В большинстве массовых моделей кэш-память является двухуровневой: сверхбыстрая кэш-память небольшого объема первого уровня и несколько более медленная, но и заметно большего объема, кэш-память второго уровня. И если обращение к первой действительно происходит с минимальными задержками, то получение данных или инструкций из кэш-памяти второго уровня сопряжено пусть с небольшими, но все же простоями процессора. Но это все равно существенно быстрее, чем запрашивать информацию из оперативной памяти.
Некоторые процессоры (в частности, семейство AMD Phenom, Intel Core i7) оснащены трехуровневой кэш-памятью. Кэш-память третьего уровня еще медленнее, нежели кэш-память второго уровня, но, все равно, она заметно быстрее оперативной памяти. Да и объем ее нередко существенно превосходит объем кэш-памяти второго уровня.
Еще одним аспектом, определяющим общее быстродействие процессора, является количество ядер. Изначально все процессоры для персональных компьютеров были одноядерными, но в настоящий момент подобное решение сохранилось только в самых бюджетных моделях. Процессоры для массового рынка состоят, как минимум, из двух ядер. По большому счету, многоядерные процессоры работают аналогично своим одноядерным «собратьям», только способны параллельно выполнять два и более независимых потока инструкций. Возможные нюансы связаны с кэш-памятью второго и (или) третьего уровня. Она может быть как общей для всех ядер, так и индивидуальной у каждого ядра (или группы ядер). Первый вариант предпочтительнее с точки зрения производительности, зато второй — проще в реализации.
Поскольку связка процессор — кэш-память — системная шина во многом определяет быстродействие компьютера, при конфигурировании BIOS Setup необходимо обратить особое внимание на те опции, которые позволяют настроить частоту системной шины процессора и выбрать режимы функционирования кэш-памяти. Часто можно указать и коэффициент умножения процессора (отношение частоты функционирования процессора к частоте системной шины), но полезность этой опции зависит от модели процессора — у большинства процессоров коэффициент умножения заблокирован, либо допускается только уменьшение значения.
Системная шина включает в себя кэш память
Front Side Bus (FSB) — это магистральный канал, обеспечивающий соединение процессора и внутренних устройств: памяти, видеокарты, устройств хранения информации и т. п.
Наиболее часто можно встретить систему организации внешнего интерфейса процессора, которая предполагает, что параллельная мультиплексированная процессорная шина, носящая название FSB, соединяет процессор (порой два процессора, четыре или даже больше) и системный контроллер, который обеспечивает доступ к оперативной памяти и внешним устройствам. Этот системный контроллер обычно называется «северным мостом» (от англ. Northbridge). Он, наряду с «южным мостом» (от англ. Southbridge), входит в состав набора системной логики, который, однако, чаще фигурирует под названием «чипсет» (от англ. Chipset).
Видео:03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать
![03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]](https://i.ytimg.com/vi/mjiJutISb6U/0.jpg)
Северный мост начал именоваться именно так из-за своего расположения на материнской плате. Он представляет собой микрочип, визуально расположенный «под» процессором, однако в верхней части материнской платы, как бы в «северной» ее части.
Системный контроллер служит для передачи команд центрального процессора к оперативной памяти, и видеоконтроллеру (в случае встроенного видеоконтроллера, северный мост, производимый компанией Intel, именуется GMCH (от англ. Chipset Graphics and Memory Controller Hub), а также конвертацию этих команд в форму, необходимую для обращения к оперативной памяти. Порой, для увеличения потенциальной производительности системы, к северному мосту подключаются наиболее производительные периферийные устройства, например, видеокарты с шиной PCI Express, а менее производительные устройства (BIOS, устройства PCI, интерфейсы устройств хранения информации, ввода и т. п.) могут подключаться к так называемому южному мосту. Северный мост соединен с материнской платой посредством согласующего интерфейса, также контроллер соединяется шиной и с южным мостом.
Читайте также: Вес шины вилочного погрузчика
Северным мостом определяются параметры (пропускная способность, частота, а также тип): системной шины, оперативной памяти (тип используемой памяти, а также ее максимальный объем), подключенного видеоконтроллера (режим работы, возможность использования SLI (от англ. Scalable Link Interface, что означает «масштабируемый интерфейс» и фактически означает возможность работы 2 (3 — 3-Way SLI, или даже 4 — Quad SLI) видеоадаптеров одновременно, что чрезвычайно повышает производительность видео).
В настоящее время в процессорах серии Core i-x с разъемом LGA 1156 северный мост встроен в процессор и связывается с ядрами по внутренней шине QPI со скоростью соединения 2.5^109 операций в секунду. Из факта поглощения процессором северного моста вытекает неактуальность использования шины FSB и внешней шины QPI в подобных системах.
Еще одним компонентом чипсета является функциональный контроллер ввода-вывода (от англ. I/O Controller Hub, ICH), так называемый южный мост, служащий для связи центрального процессора (через северный мост) с устройствами, не столь критичными к скорости взаимодействия:
Контроллеры PCI (X, E), прерываний, SMBus (I2C), LPC, IDE/SATA DMA, IRQ, ISA;
Super I/O: контроллер floppy-дисководов; контроллер LPT-порта; Контроллер COM-портов; MIDI, джойстик, инфракрасный порт и т.п.
Часы реального времени RTC (от англ. Real Time Clock);
BIOS (CMOS), вместе с энергонезависимыми системами обеспечения;
Системы энергообеспечения APM и ACPI;
Видео:Системная шина процессораСкачать
Может включать в себя контроллеры Ethernet, USB, RAID, FireWire и т. п.
Особенностью южного моста является его взаимодействие с внешними устройствами. Как следствие, он довольно чувствителен различным негативным факторам, влияющим на нормальную работу устройств (короткое замыкание, перегрев, деформация материнской платы и т. п.). Замена южного моста, как правило, составляет стоимость самой материнской платы, поэтому замена его нерациональна из-за ее высокой стоимости и обычно не проводится.
Шина BSB (от англ. Back Side Bus) служит для соединения центрального процессора с кэш-памятью второго уровня для процессоров, в которых используется двойная независимая шина DIB (от англ. Dual Independent Bus), которая также называется вторичным (или внешним) КЭШем (и носит обозначение L2-cache).
Компанией Intel была разработана системная шина QPB (от англ. Quad Pumped Bus), передающая 4 64-разрядных блока данных или 2 адреса за такт, тогда как пытавшаяся получить лицензию на системную шину GTL+ для создания своих новых процессоров, компания AMD вынуждена была при создании процессоров серии К7 лицензировать шину EV6 для процессоров AMD Athlon и Athlon XP передающую данные два раза за такт (Double Data Rate).
Данная шина оказалась значительно сложнее в производстве, чем предыдущие исполнения. Данное обстоятельство не могло не сказаться на серьезном увеличении количества транзисторов, используемых для реализации вышеуказанного принципа передачи данных, как для процессора, так и для самого чипсета.
DMI (от англ. Direct Media Interface) – шина, которая была разработана компанией Intel, для соединения южного и северного мостов материнской платы. Для разъема LGA 1156 со встроенным контроллером памяти (продукты Core i3, Core i5 и некоторые серии Core i7 (800, к примеру)), DMI соединяет процессор и чипсет PCH (от англ. Platform Controller Hub) по технологии CtC (от англ. Chip-to-Chip).
PCH является, по сути, аналогом южного моста, однако представляет из себя совершенно новый P55 Ibex Peak. Фактически, в новом решении сочетается расширенный функционал предыдущих версий южных мостов компании Intel, а также дополнительный контроллер PCI-e для периферии.
Первыми чипсетами, построенными с помощью технологии DMI, были устройства серии Intel i915, на основе сокета LGA 1156, получившие свое распространение с 2004 года.
Пропускная способность DMI составляет 2 Гбайт/с. Из-за столь невысоких значений, инженеры Intel пошли на революционное решение, встроив контроллер памяти, PCI-e и непосредственно интерфейс DMI в сам процессор.
HyperTransport (ранее известная, как Lightning Data Transport) – технология последовательной/параллельной связи, разработанная с использованием технологии P2P (от англ. «point-to-point»), которая обеспечивает достаточно высокую скорость при низком уровне латентности (от англ. Low-latency responses), которая обеспечивает межпроцессорную связь, связь процессоров с сопроцессорами и процессоры с I/O Controller Hub. Имеет оригинальную схему на основе соединений, тоннелей, последовательного объединения нескольких тоннелей в цепь и мостов (для организации маршрутизации пакетов между цепями) для более простого масштабирования всей системы.
HyperTransport оптимизирует внутрисистемные связи заменой шин и мостов на их физическом уровне. Также тут используется DDR (от англ. Double Data Rate), что позволяет производить до 5.2×109 посылок в секунду с частотой синхронизации сигнала на уровне 2.6 гигагерц.
Видео:КАК РАБОТАЕТ КЭШ ПРОЦЕССОРА | ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯСкачать
Читайте также: Рассчитать пятно контакта для шин
| Версия | Год | Максимальная частота (МГц) | Максимальная ширина (бит) | Пиковая пропускная способность (Гбайт/сек) |
| 1.0 | 2001 | 800 | 32 | 12.8 |
| 1.1 | 2002 | 800 | 32 | 12.8 |
| 2.0 | 2004 | 1400 | 32 | 22.4 |
| 3.0 | 2006 | 2600 | 32 | 41.6 |
| 3.1 | 2008 | 3200 | 32 | 51.6 |
Очередной шаг в совершенствовании научно-технического процесса был обозначен инженерами компании Intel созданием нового типа системной шины QPI (от англ. Quick Path Interconnect, ранее известной, как Common-System Interface, или CSI). Она заключается в интегрированном контроллере памяти и быстрой последовательной шины P2P для доступа к распределенной и разделяемой памяти.
Необходимость повышения скорости обработки и обмена данными диктует более жесткие требования к пропускной способности шины. С развитием технологии и характеристик процессоров нового поколения, использование FSB уже неактуально и в полной мере является наглядным изображением пресловутого эффекта «бутылочного горлышка». Результатом модернизации технологии FSB было создание шины нового поколения – QPI. Общая пропускная способность данного нового вида системной шины достигает невероятных (для предшественников) значений в 25.6 ГБ/с.
Первые процессоры, построенные на технологии использования системной шины QPI, поступили на рынок в начале 2008 года. Данная технология является прямым конкурентом консорциума, во главе с компанией AMD, выпустившей системную шину HyperTransport.
Название микроструктуры процессорного ряда компании Intel — Nehalem произошло от названия небольшого города в США неподалеку от головного офиса компании Intel в г. Санта-Клара (основанного в 18 веке) в Калифорнии. Nehalem является продолжением процесса модернизации модельного ряда архитектур Intel x86. Свое продолжение в 2010 году QPI получила в процессоре серии Itanium 9300, получив кодовое имя Tukwila, что является большим шагом вперед для систем, построенных на базе Itanium. Вместе с QuickPath в процессоре используется встроенный контроллер памяти, и интерфейс памяти прямо использует интерфейс QPI для взаимодействия с другими процессорами и I/OCH. Именно в этих продуктах наиболее типичным решением и стала системная шина QPI, что делает вероятной возможность использования одного чипсета процессорами Tukwila и Nehalem.
Каждое ядро процессора содержит интегрированный контроллер памяти и скоростное соединение для подключения иных компонентов. Данная структура служит для обеспечения следующих аспектов:
Огромной производительности и удобства работы с памятью;
Динамически изменяемой полосы эффективного пропускания при связи процессора с иными компонентами системы;
Значительного увеличения характеристик RAS (от англ. Reliability, Availability, Serviceability, что дословно означает «надежность, доступность и обслуживаемость») — достигается для достижения наилучшего баланса между ценой, производительностью и энергоэффективностью.
Чипсеты с разъемом LGA 1366 используют шину DMI для связи между северным мостом и южным мостом. А процессоры для сокета LGA 1156 вообще не имеют внешнего интерфейса QuickPath, т.к. чипсеты для данного сокета взаимодействуют с однопроцессорными конфигурациями, а функционал северного моста же напрямую встроен в сам процессор, что заставляет использовать шину DMI для связи процессора с аналогом южного моста. Однако, встроенная шина QPI используется в процессорах сокета LGA 1156 для связи ядер и встроенного контроллера PCI-e внутри самого процессора.
Данные, передаваемые в виде датаграмм (пакетов) в системной шине QPI передаются по паре односторонних каналов, каждый из которых состоит из 20 пар проводов. Общая ширина канала составляет 20 бит, при этом 16 бит служат для передачи исключительно данных (полезной нагрузки). Максимальная пропускная способность одного канала варьируется от 4.8^109 до 6.4^109 транзакций в секунду, следовательно, общая максимальная пропускная способность одного соединения приближается к значениям от 19.2 до 25.6 ГБ/с в двух направлениях, что составляет, соответственно, от 9.6 до 12.8 ГБ/с в каждую сторону.
В настоящее время системную шину QPI используют, в основном, для серверных решений. Связано это обстоятельство с тем, что QPI приобретает максимальную эффективность (и КПД) именно в загруженности пересылкой данных в оба направления, как в случае с многосокетными рабочими станциями или, собственно, серверами.
Видео:В чём отличие кэша в процессорах и как он работает? Какой лучше, быстрее и объемней? L1, L2, L3Скачать
Как показывают тесты, для пользовательских машин использовать решения на основе QPI нецелесообразно, так как даже намеренное снижение пропускной способности QPI в 2 раза никоим образом не влияет на получаемые результаты в тестах, даже при условии использования связки из 3 наиболее производительных графических адаптеров.
PCI (от англ. Peripheral Component Interconnect bus) – шина для соединения материнской платы с периферийными устройствами различного рода.
Начало PCI было положено в начале 1992 года компанией Intel (для замены шины VLB (от англ. Vesa Local Bus)), которая допустила полноценное использование возможностей процессоров 486, Pentium и Pentium Pro, при этом стандарт шины с самого начала был открыт, что гарантировало возможность создания устройств для шины PCI без обязательства лицензирования.
Читайте также: Шины dunlop winter maxx sj8 r16
В 1993 году в ходе маркетинговой политики по продвижению PCI на рынке вышла PCI 2.0. В 1995 году данная модель модифицировалась до версии PCI 2.1.
PCI имела реальную тактовую частоту на уровне 33 МГц, тактовой частотой для версии 2.1 стало значение в 66 МГц, что позволило повысить скорость передачи данных до 533 Мбайт/с. Вместе с тем, и в операционных системах (Windows 95, к примеру) уже была предусмотрена поддержка шины PCI 2.1, которая стала настолько популярной, что вскоре была использована при создании платформ процессоров Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и т.д.
Однако, ничего не стоит на месте, включая научно-технический процесс, поэтому в связи с разработкой шины PCI Express, AGP и PCI практически не используются в решениях высшего ценового диапазона.
PCI Express получила свое кодовое название 3GIO (от англ. 3rd Generation I/O) – компьютерная шина, использующая последовательную передачу данных, обеспечиваемую высокопроизводительным физическим протоколом на основе программной модели шины PCI.
В связи с тем, что использование параллельной передачи данных, при попытке увеличить производительность, будет означать физическое ее расширение, последовательная передача данных обладает возможностью масштабирования (1x, 2x, 4x, 8x, 16x и 32x) а, значит, более приоритетна в разработке. Топология PCI Express, в общем случае, представляет собой звезду со взаимодействием между собой устройств через среду, образованную коммутаторами, с прямой связью каждого устройства соединением P2P.
Очередными отличительными особенностями PCI Express являются:
Возможность горячей замены карт;
Видео:Системная шина персонального компьютера ISAСкачать
Возможность создания виртуальных каналов, гарантирования полосы пропускания и количество времени отклика, а также сбора статистики QoS (от англ. Quality of Service)
Возможность влиять на энергопотребление оборудования ASMP (от англ. Active State Power Management) – перевод устройства в режим уменьшенного энергопотребления в случае его простоя в течение конкретного (задаваемого программно) интервала времени;
Контроль целостности информации и структуры данных, предназначенных для передачи – алгоритм Data Link прикрепляет к пакету данных (в передаче) контрольную сумму последовательности и ее номер, что позволяет обнаруживать все одиночные и двойные ошибки, а также ошибки в нечетном числе бит – CRC (от англ. Cyclic Redundancy Check).
В отличие от PCI (использование подключения к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине), PCI Express использует двунаправленное последовательной соединение P2P, а соединение между двумя устройствами состоит из 1 (2, 4, 8, 16, 32) двунаправленных линий. На электрическом уровне каждое соединение способно подключаться к PCI Express всего лишь 4 проводниками.
Преимущества подобного решения налицо:
Устройство корректно работает в таком же слоте, или большей пропускной способности;
Корректная работа слота возможна даже при использовании не всех линий (однако в таком случае необходимо подключение и заземление всех проводников питания);
Физическая составляющая слота не позволит допустить некорректную работу системы, в случае попытки вставить устройство в слот с меньшей пропускной способностью, дифференциацией размеров слотов x1 (x2, x4, x8, x16, x32).
Чтобы высчитать пропускную способность PCI Express, нужно учесть битрейт, дуплексность связи и процент (отношение) эффективного количества «полезной нагрузки» бит к общему количеству (в PCI Express 1.0 и 2.x это отношение выглядело, как 8 бит информации / 10 бит служебных данных). Перемножая все три значения, получим скорость передачи данных. Так общая пропускная способность шины PCI Express 3.0 достигает 1 Гбайт/с для каждой линии при сигнальной скорости передачи данных в 8 GT/s (для 2.0 этот показатель был равен 5 GT/s, а для 1.0 – вообще 2.5 GT/s). А для планируемого к стандартизации и спецификации к 2014-2015 гг. стандарта 4.0 планируется удвоить показатель сигнальной скорости до 16 GT/s или даже более, что будет, по-меньшей мере, в 2 раза быстрее PCI Express 3.0
В настоящее время развитие технологий дает потребителям возможность выбирать технологию себе по вкусу из огромного количества вариантов. Решение различного рода задач потребителей задает необходимость определяться с наилучшим соотношением «цена-качество-целесообразность». К примеру: обыватель не замечает разницы в производительности между системами, построенных на базе сокета LGA 1366 (используется системная шина QPI) и сокета LGA 1156(1155) (используется системная шина DMI) в силу достаточности технологии, связанной с LGA 1156 и отсутствием задач, для которых ресурс данной системы был бы недостаточен. Лишь настоящие ценители и коллекционеры не откажут себе в радости приобретения компьютера, ресурс которого не будет использован и на 50%. Для потребителей-корпораций и крупных фирм нередко уже недостаточно производительности шины DMI.
Разрыв в разнице задач растет соответственно уровню потребителя. Кто знает, какие технологии используются в суперкомпьютерах мировых держав, однако ясно одно: именно эти технологии мы и будем использовать в ближайшем будущем.
Видео:Как работает компьютер? Шины адреса, управления и данных. Дешифрация. Взгляд изнутри!Скачать
- Свежие записи
- Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
- Скрипят амортизаторы на машине что делать
- Из чего состоит стойка амортизатора передняя
- Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
- Для чего нужны амортизаторы в автомобиле
📺 Видео
Как работает компьютерная память: что такое RAM, ROM, SSD, HDD и в чем разница?Скачать
Принцип работы КЭШ памятиСкачать
Кэшированная память Windows 10 что это и как очиститьСкачать
АПС Л16. Кэш-памятьСкачать
Кэш-памятьСкачать
Разгон кольцевой шины и кэша L3 процессораСкачать
АПС Л13. Кэш-память. Виртуальная памятьСкачать
Лекция 2. Оптимизация работы с кеш-памятью процессораСкачать
Лекция 279. Прямой доступ к памятиСкачать
АПС Л14. ШиныСкачать
Лекция "DMA. Кэш прямого отображения"Скачать
Как разогнать процессор и память? Гоним по шине и множителю.Скачать
АПС Л13. Кэш-память. Виртуальная памятьСкачать
Виды видеопамяти и сколько её нужно? Какая нужна шина?Скачать
