При представлении числа Х в форме числа с плавающей точкой (в нормальной форме) требуется задать знаки мантиссы и порядка, их модули в q-ичном коде, а также основание системы счисления.
Х=mqp
Где m-мантисса числа;
q-основание системы счисления;
p-порядок.
Для задания числа в нормальной форме требуется задать знаки мантиссы и порядка, их модули в q-ичном коде, а также основание системы счисления. Нормальная форма представления чисел неоднозначна, т.к. взаимное изменение m и p приводит к плаванию точки (запятой). Отсюда произошло название формы представления чисел.
Для однозначности представления чисел в ПК используется нормальная нормализованная форма, в которой положение точки всегда задается перед значащей цифрой мантиссы. Точность вычислений при использовании формата с плавающей точкой определяется числом разрядов мантиссы. Она увеличивается с увеличением числа разрядов.
Представление символов. Кодировка ASCII.
ПК обрабатывают не только числовую, но и текстовую, или алфавитно-цифровую информацию, содержащую буквы, цифры, знаки препинания, математические и др. символы. Именно такой характер имеет экономическая, плановая и учетная информация, а также тексты программ на алгоритмических языках. Характер этой информации таков, что для ее представления требуются слова переменно длины. Возможность представления, ввода, обработки и вывода алфавитно-цифровой (символьной) информации важна и для чисто математических задач, т.к. позволяет оформлять результаты вычислений в виде таблиц или графиков с нужными заголовками и пояснениями.
Во многих ПК для представления алфавитно-цифровых символов используется код ASCII (American Standart Code for Information Interchange – американский код обмена информацией), расширенный путем добавления букв русского алфавита. Для представления каждого символа отводится один байт, с помощью которого можно закодировать 256 символов. В связи с тем, что в коде ASCII нет букв русского языка, для их корректного отображения используются специальные программы-русификаторы.
Структура и принципы работы ПК.
Блок-схема, основные узлы и их назначение.
Более чем за полвека развития вычислительных средств прогресс в аппаратной реализации ЭВМ и их технических характеристик превзошел все прогнозы, и пока не заметно снижение его темпов. Несмотря на то, что современные компьютеры не имеют ничего общего с первыми моделями, основополагающе идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений (за исключением систем параллельной обработки информации). В связи с этим закономерно в качестве блок-схемы привести следующую логическую структуру:
Процессор
АЛУ
УВВ
Системный
Интерфейс
ЗУ
УУ
ПУ
· АЛУ – арифметико-логическое устройство;
· УУ – устройство управления;
· ЗУ – запоминающее устройство;
· УВВ – устройство ввода-вывода;
· ПУ – пульт управления.
Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ПК. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ПК. Быстродействие ПК в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессор использует собственную память небольшого объема, именуемую местной или сверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ПК.
Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ПК в виде программы – последовательности инструкций (команд), записанных в порядке выполнения. В процессе выполнения программы ПК выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.
Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоминающем устройстве – памяти, куда они вводятся через устройство ввода. Емкость памяти измеряется в величинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутреннюю и внешнюю.
Внутренняя, или основная память – это запоминающее устройство, напрямую вязанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ПК осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины.
Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память. Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания ПК содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимое постоянной заполняется при изготовлении ПК и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы, и данные, к примеру, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ПК и др. при выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется.
Внешняя память (ВЗУ) предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые к тому же являются переносимыми. Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем ко внутренней.
Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных устройств ПК (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и выполняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а также накопители на магнитных лентах.
ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования ПК. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервирования информации.
Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода информации в ПК и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с машиной. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти ПК. Иногда устройства ввода-вывода называют периферийными или внешними устройствам ПК. К ним относятся, в частности, дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы типа «мышь», алфавитно-цифровые печатающие устройства (принтеры), графопостроители, сканеры и др. для управления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устройствами, адаптеры или контроллеры.
Пульт управления служит для выполнения оператором или системным программистом системных операций в ходе управления вычислительным процессом.
Микропроцессоры
Микропроцессор, как известно, является «сердцем» любого компьютера, в том числе и ПК. И значительную часть современных «сердец» производит компания Intel. Фирма Intel, до конца 1997г. выпускала процессоры Pentium с частотами 75, 90, 120, 133,150, 166, 200МГц. Их особенности: встроенный в процессор кэш 1-го уровня 16Кб; технология изготовления-0,35микрон (для процессоров 120МГц и ниже-0,6микрон); содержат ~3,3млн. транзисторов.
Доминирующее положение Интел на рынке 586х процессоров способствовало тому, что тактовая частота, используемая Pentium, фактически легла в основу классификации производительности всех процессоров того времени. Поэтому фирмы IBM, Cyrix, AMD совместно разработали стандарт для измерения реальной производительности всех процессоров того времени. Эта концепция, получившая название «Р-рейтинг» базируется на тесте Winstone. Этот системный эталонный тест размером в 60Мб состоит из 13 прикладных программ представляющих наиболее важные сектора рынка.
Таким образом, каждому кристаллу AMD-K5 или 6х86 присуждается Р-рейтинг, который не случайно совпадает с величиной тактовой частоты соответствующего процессора Pentium. Если показатель производительности находится в промежутке между двумя величинами тактовой частоты Intel, избирается более низкая величина, т.е. производительность скорее преуменьшается, чем преувеличивается. Например, «кристалл AMD-K5-PR133» обладает по меньшей мере таким же быстродействием, что и Intel Pentium 133МГц. При этом о тактовой частоте AMD-K5 ничего не говорится ввиду того, что ядро К5 обладает очень высокой эффективностью и достижение производительности, например, на уровне Pentium-166, не требует даже удвоения тактовой частоты (отметим, что Pentium-166 умножает внешние 66МГц в 2,5раза, а К5-РR166 только в 1,75раза).
Некоторые особенности К5: кэш 1-го уровня 24Кб; технология-0,35микрон; количество транзисторов~4,3млн.
Процессоры Cyrix (и идентичные им IBM) имеют официальное название 6х86Р120+, 6х86Р133+, 6х86Р150+, 6х86Р166+, 6х86Р200+. Изготовлены по технологии – 0,5микрон (0,65 для Р120+), кэш 1-го уровня 16Кб, дополнительный кэш команд – 256б, количество транзисторов~3млн.
В конце 1995г. фирма Intel выпустила в продажу процессор Pentium Pro (Р6) и до начала 1997г. он оставался самым мощным и дорогим процессором. Pentium Pro выпускался со следующими тактовыми частотами: 133, 150, 166, 180, 200МГц. Технология изготовления – 0,35микрон, кэш 1-го уровня 16Кб, кэш 2-го уровня 256 или 512Кб, внутренняя шина 300бит, количество транзисторов – 5,5млн. Одним из значительных отличий от предыдущих процессоров является наличие кэш-памяти 2-го уровня в самом кристалле процессора. Этот процессор был ориентирован в основном для применения в серверах и рабочих станциях.
Следующим шагом стало появление в 1998г. процессоров с поддержкой технологии ММХ (Multimedia Extentions). Технология ММХ - большой шаг вперед. Система команд Pentium пополнилась, стараниями инженеров Intel, 57 новыми инструкциями, которые ускоряют вычисления, обычные для аудио, двух- и трехмерной графики, синтеза речи и ее распознавания, а также в коммуникационных алгоритмах. Процессоры с архитектурой ММХ обладают вычислительными мощностями, позволяющими выполнять мультимедийные и коммуникационные задачи, сохраняя при этом запас производительности для выполнения других задач и приложений. Эти инструкции ускоряют выполнение мультимедийных операций, например, работу графических и коммуникационных программ, написанных с учетом технологии ММХ. Кроме того, быстродействие нового процессора Pentium MMX повышено по сравнению с Pentium за счет большего кэш 1-уровня – 32Кб (16Кб для кода и 16Кб для данных) и оптимизированной внутренней архитектуры. Задачи по обработке изображений на ММХ-машинах просчитываются на 50% быстрее, чем на ПК с обычными Pentium. Даже если приложение не имеет специальной поддержки технологии ММХ, на ММХ-процессорах оно все равно будет работать быстрее на 7-11%.
Некоторые особенности процессора Pentium ММХ: встроенный кэш 32Кб; технология – 0,35микрон; количество транзисторов~4,5млн.; выпускались с тактовыми частотами 133, 150, 166, 200, 233МГц.
Технологию ММХ поддерживают также процессоры фирмы Cyrix. Улучшенная архитектура процессора Cyrix 6х86Мх способствует повышению производительности 16- и 32-разрядных приложений. Кроме того, в этом кристалле применена собственная реализация фирмы Cyrix технологии ММХ. 6х86Мх имеет дополнительные команды, дающие в итоге больший выигрыш в скорости работы (по сравнению с ММХ), если программное обеспечение определит, что работает с 6х86Мх и сможет использовать эти команды. Например, операции множественного накопления, часто использующиеся в приложениях с 3D-графикой, выполняются за 2 такта вместо 3 тактов у Intel. Процессор 6х86Мх на 150-200% быстрее, чем аналогичный по тактовой частоте 6х86.
Некоторые особенности Cyrix 6х86Мх: встроенный кэш 1-го уровня 64Кб; технология – 0,25микрон; количество транзисторов~6,5млн.; тактовые частоты – 180, 200, 225, 233МГц.
Линейный ряд микропроцессоров Pentium получил дальнейшее развитие с представлением фирмой Intel в 1997г. процессора Pentium II. Если считать Pentium MMX обычным Pentium, только с ММХ – расширениями в наборе команд, то есть основания утверждать, что Pentium II – это усовершенствованный Pentium Pro с ММХ – расширениями. Действительно, в ядре процессора Pentium II гораздо меньше микро архитектурных отличий от Pentium Pro, чем между Pentium и Pentium Pro. Помимо введения блока, ответственного за выполнение операций ММХ, в новом процессоре удвоен объем кэш-памяти 1-го уровня (16Кб для команд и 16Кб для данных) и увеличено число внутренних буферов. Как и Pentium Pro, Pentium II выпускается с установленной кэш-памятью 2-го уровня, однако, в целях снижения стоимости процессора, она вынесена за пределы кристалла. Кэш 2-го уровня расположен рядом с процессором на плате картриджа SEC (Single Edge Contract) устанавливаемого в Slot 1 и функционирует на более низкой частоте, чем сам процессор, но быстрее, чем если бы он находился на системной плате.
Некоторые особенности процессора Pentium II: встроенный кэш 1-го уровня 32Кб; второго – 512Кб; технология 0,35микрон; внутренняя шина 300бит; количество транзисторов~7,5млн.; тактовые частоты 233, 266, 300, 333МГц; частота внешней шины – 66Мгц. Дальнейшее развитие этот модельный ряд получил в процессорах Pentium II работающих на тактовых частотах 350, 400, 450, 500МГц и использующих внешнюю шину на 100МГц.
Фирма Cyrix ответила на появление процессоров Pentium II выпуском процессора MII (5х86МII), сопоставимого с Pentium II 300МГц и использующего внешнюю шину 100МГц. Этот процессор устанавливается на материнскую плату с разъемом Socket 7. В 1998г. появился микропроцессор Cyrix Cayenne (Mxi), который является конкурентом Pentium II 400МГц. Он содержит специальные инструкции фирмы Cyrix для работы с 3D-графикой и задачами с плавающей запятой. Используется набор команд, совместимый с 3D-Now (фирмы AMD). Но польза от этих инструкций видна лишь в программах, написанных в расчете на них.
В офисных приложениях (большинство технических программ) эти процессоры имеют хорошую скорость, но вот для обработки графики современных игр они мало пригодны из-за медленного встроенного сопроцессора (для обработки чисел с плавающей запятой).
Фирма AMD также выпустила свой аналог процессора Pentium II. Это процессор К6, хотя и не имеющий более высокой производительности, но стоящий значительно дешевле. Процессор Pentium II потребовал серьезной перепланировки системной платы (Slot 1), тогда как К6 (как и MII) устанавливается в разъем Socket 7, предназначенный для обычного Pentium. Нужно отметить, что для полного использования возможностей процессора на плате должно быть предусмотрено «двойное питание» и соответствующий BIOS. Размер кэш 1-го уровня – 64Кб (32Кб для команд и 32Кб для данных). Такой размер позволяет преодолеть присущие стандарту Socket 7 ограничения в эффективности обмена с памятью, не позволявшие до последнего времени совместимым с Pentium процессорам достигать в реальных приложениях производительности Pentium Pro даже при сравнимом процессорном быстродействии.
Недостатком К6 является работа с ММХ - приложениями. Производительность при выполнении стандартных тестов на 5% ниже средней производительности ПК процессором Pentium II, а в графических тестах ММХ она отставала уже на 20%. Но в тестах с выполнением фильтрации изображений и цветовым преобразованием процессор К6 показал примерно такие же результаты, как и Pentium II. Нужно отметить, что на рынке процессор К6 позиционируется как аналог упрощенного Pentium II – процессора Pentium Celeron.
Некоторые особенности AMD K6: встроенный кэш 1-го уровня 64Кб; технология изготовления 0,35 микрон; количество транзисторов~8,8млн.; тактовые частоты 166, 200, 233МГц.
Следующий процессор фирмы AMD – К6-3D (К6-2), позиционируется как прямой конкурент процессору Pentium II компании Intel. Процессор К6-3D содержит набор дополнительных команд для оптимизации работы с трехмерной графикой и звуком и имеет усовершенствованный сопроцессор. Процессор устанавливается в материнские платы с разъемом Socket 7. Технология изготовления – 0,25микрон, тактовая частота 266, 300, 350, 400, 450, 475МГц, количество транзисторов – 3,3млн., частота системной шины от 66 до 100МГц. Важнейшее усовершенствование в процессорах К6-2 – применение технологии 3DNow, функциональные возможности которой превосходят возможности технологии ММХ. В сотрудничестве с Cyrix и IDT AMD разработала для этой технологии, называвшейся раньше технологией AMD-3, набор из 21 команды, призванный повысить производительность 3D процессоров. Целью разработок было обеспечить провайдеров услуг Интернета единым набором команд на базе платформы Socket 7, ускоряющим расчеты с плавающей запятой, тем самым повышая производительность при работе с графикой.
Фирма Intel, не желая терять нишу дешевых настольных компьютеров, разработала модификацию Pentium II под названием Celeron. По существу, это 266 или 300МГц процессор Pentium II, чей картридж вставляется в разъем Slot 1. Но для его удешевления удален внешний контейнер и кэш 2-го уровня (все последующие, начиная с 300МГц процессоры с буквой А все же имеют кэш 2-го уровня 128Кб). И хотя Celeron можно установить в стандартную плату для Pentium II, был разработан более экономичный корпус PPGA (Plastic Pin Grid Array). Эти процессоры устанавливаются в «плоский» 370 – контактный процессорный разъем, известный как Socket-370. Это позволило уменьшить стоимость всего системного блока за счет использования более дешевой материнской платы. Сегодня процессоры Celeron производятся в 2 вариантах: как для Socket 370, так и для Slot 1.
Весной 1999г. фирма Intel выпустила процессор Pentium III (картридж SECC-2). Одним из новшеств стало использование потокового расширения - SIMD. К типу SIMD относится большинство мультимедийных инструкций ММХ, позволяющих оптимизировать обработку звука, видео и др. информации, что требует целочисленных вычислений. Было добавлено около 70 новых инструкций, которые предназначены для ускорения написанных в расчете на них игр, вспомогательных модулей Интернет, графических приложений и программ распознавания речи. Также были внесены изменения в блок взаимодействия с системной шиной: появилось 8 новых инструкций кэширования, увеличились внешние буферы. Однако процессор Pentium III сохранил прежнюю архитектуру ядра Р6. Изготовленные по 0,25 микронной технологии, процессоры работают на частотах 450, 500, 550, 600МГц. После перехода на 0,18микронную технологию рабочие частоты будут доведены до 800МГц. Имеют встроенный кэш 1-го уровня 32Кб, 2-го – 512Кб и рассчитаны на работу с внешней шиной 100МГц, а также поддерживают технологию SSE. Разработчики уверяют, что Pentium III способен радикально повысить скорость работы в Интернет. Кроме того, одним из самых перспективных направлений является качественное распознавание речи и перевод устных фраз в письменную форму. За счет команд предварительной выборки и поточного запоминания Pentium III может существенно ускорить обработку данных по алгоритму Витерби, применяемым для распознавания речи. Ускорение видео для 3D было достигнуто еще внедрением набора инструкций ММХ, но и для SSE остался обширный фронт работ: по информации Интел, процессор без труда справится с кодировкой видео по стандарту MPEG-2 в режиме реального времени. Что касается офисных приложений, то вряд ли новые инструкции приведут к ощутимому приросту производительности. Согласно результатам предварительного тестирования, которое проводила сама Интел, показатель Business Winstone 99 под Windows 98 вырос на 1% для процессора Pentium III 450МГц по сравнению с P II 450МГц.
25 октября 1999г. компания Интел выпустила новую модель процессора Р III, известную под названием Coppermine. Главной особенностью чипа является размещение кэш 2-го уровня на одном кристалле с процессорным ядром. Впервые кэш на одном кристалле с CPU появился у Celeron, благодаря чему этот процессор получил столь широкое использование. По данным Интел, Coppermine ~20% быстрее P III при той же тактовой частоте.
Некоторые особенности Coppermine: интегрированная кэш-память 2-го уровня 256Кб работающей на частоте процессора; технология – 0,18микрон; использование внешней шины 133МГц; тактовые частоты 600, 677, 733МГц.
Появление в 1999г. процессора AMD Athlon (К7), явилось одним из самых ярких событий на рынке процессоров. Работающий на тактовых частотах 500, 550, 600, 750МГц, процессор имеет 3 блока вычислений с плавающей точкой, блок 3DNow, блок ММХ и очень мощный математический сопроцессор. Кэш 1-го уровня 128Кб, кэш 2-го уровня от 512Кб до 8Мб с частотой от 1/3 до 1/1 частоты процессора, поддержка кэш 3-го уровня на МП. Изготавливаются по 0,25микронной технологии и рассчитаны на работу с внешней шиной 200МГц. По результатам SPECfp_base95 производительность Athlon 550МГц на 46% выше, чем у P III с той же тактовой частотой и объемом кэш-памяти.
