3. Арифметические операции

Двоичные таблицы сложения вычитания, умножения и деления;

0+0=0	0-0=0	0·0=0	1/1=1
0+1=1	1-0=1	1·0=0	0/1=0
1+0=1	1-1=0	0·1=0	1 / 0 — нельзя
1+1=10	10-1=1	1·1=1

Восьмеричная система счисления

Таблица умножения

X	1	2	3	4	5	6	7
1	1	2	3	4	5	6	7
2	2	4	6	10	12	14	16
3	3	6	11	14	17	22	25
4	4	10	14	20	24	30	34
5	5	12	17	24	31	36	43
6	6	14	22	30	36	44	52
7	7	16	25	34	43	52	61

Таблица сложения

0	1	2	3	4	5	6	7
1	2	3	4	5	6	7	10
2		4	5	6	7	10	11
3			6	7	10	11	12
4				10	11	12	13
5					12	13	14
6						14	15
7							16

Примеры арифметических операций в двойной и восьмеричной системах счисления.

4.3. Логические элементы компьютера

Логический элемент компьютера — это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.

Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и другие (называемые также вентилями), а также триггер. С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера.

Для структурно-функционального описания логических схем (ЛС), составляющих основу любого дискретного вычислительного устройства, ЭВМ или ВС в целом, используется аппарат булевой алгебры, созданной в 1854 г. Дж. Булем как попытка изучения логики мышления математическими методами.

Представив ЛС в виде некоторого черного ящика (рис. 4.3.), имеющего п входов и один выход, его поведение можно определять некоторой логической F(x₁, x₂, ..., х_п)-функцией от п логических переменных.

Логическая F-функция может быть задана таблицей истинности (табл. 4.2) или посредством 6улевых выражений; ЛС, представимые одним из этих способов, называются комбинационными.

х1		Логическая схема (ЛС)	F(х1, х2 ,…, хn)=YB={0,1}
х2	
…	....
…	....
хn	

Рис. 4.3. Формальное представление произвольной логической схемы

Таблица 4.2 Таблица истинности F-функции

х1	х2	....	хn-1	хn	F(х1, х2 ,…, хn)
0	0	....	0	0	F(0,0,…,0,0)
0	0	....	0	1	F(0,0,...,0,1)
0	0	....	1	0	F(0,0, ....,1,0)
....	....	....	....	....	....
1	1	1	1	1	F(1,1, …,1,1)

Другой класс составляют ЛС с внутренней памятью, называемые последовательными; для них значения выходных логических переменных определяются не только текущими значениями входных переменных, но также их значениями в предыдущие моменты времени. Мы ограничимся рассмотрением только комбинационных ЛС, что вполне достаточно для иллюстрации рассматриваемой проблематики.

Логические переменные, объединенные знаками логических операций, составляют логические выражения. При вычислении значения логического выражения, как было отмечено ранее, определено следующее старшинство выполнения логических операций: сначала выполняется инверсия, затем конъюнкция и в последнюю очередь— дизъюнкция.

Для изменения указанного порядка используются скобки.

Например, значение логической функции трех переменных

f (x₁, x₂, x₃) = (x₁· x₂ \/ х₂ х₃) x₁ \/ x₃

при наборе переменных (0, 1, 1) будет ложь, а при наборе (1, 0, 1) — истина.

Булевая алгебра позволяет не только проводить анализ ЛС, описываемых логическими выражениями или таблицами истинности, но и синтез их из более простых, т.е. решать в комплексе структурно-аналитические вопросы ЛС. Анализ ЛС состоит в установлении ее выходных значений по значениям логических входов, тогда как, соединяя известные ЛС в новую схему на основе описывающего ее логического выражения, производим синтез новых ЛС на основе уже имеющихся.

Элементарные ЛС, используемые при создании средств ЦВТ, называются вентилями (gates). В настоящее время существует целый ряд базовых вентилей, на основе которых строится современная ВТ; некоторые из них рассматриваются ниже. Так как набор {И, .ИЛИ, НЕ} логических операций является универсальным. (функционально полным), т.е. на его основе можно представлять любую логическую функцию, то соответствующий ему набор вентилей также будет универсальным:

На основе базовых вентилей может быть построена любая ЛС; при этом вентили (а, б) могут иметь любое число входов, определяемое количеством переменных логического выражения, описывающего ЛС. Из математической логики известно, что наряду с (И, ИЛИ, НЕ) функционально полными являются и другие простые наборы базовых операций: (И, НЕ), {ИЛИ, НЕ} и другие.

С помощью логических схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера. Обычно у них бывают от двух до восьми входов и один или два выхода. Входные и выходные сигналы, соответствующие двум логиче­ским состояниям в логических элементах — 1 и 0, имеют один из двух установленных уровней напряжения. Например, +5 Вольт и 0 Вольт. Высокий уровень обычно соответствует значению «истина» («1»), а низкий — значению «ложь» («О»).

Каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, которое выражает его логическую функцию. Работу логических элементов описывают с помощью таблиц истинности.

Схема И. Эта схема реализует конъюнкцию двух или более ло­гических значений. Условное обозначение на структурных схемах и таблица истинности схемы И с двумя входами представлены на рис. 4.4.

Единица на выходе схемы И будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут единицы. Когда хотя бы на одном входе будет ноль, на выходе также будет ноль. Связь между выходом у этой схемы и входами х₁ и х₂ описыва­ется соотношением: у = x₁ x₂ (читается как x₁ и х₂). Операция конъюнкции на структурных схемах обозначается знаком & (читается как «амперсэнд»), являющимся сокращенной записью английского слова «and».

Схема ИЛИ. Эта схема реализует дизъюнкцию двух или более логических значений. Когда хотя бы на одном входе схемы ИЛИ будет единица, на ее выходе также будет единица.

Условное обозначение на структурных схемах и таблица истинности схемы ИЛИ с двумя входами представлены на рис. 4.5. Знак 1 на схеме соответствует обозначению, т. е. значение дизъюнкции равно единице, если сумма значений операндов больше или равна 1. Связь между выходом у этой схемы и входами x₁ и х₂ описывается соотношением: у = x₁  х₂ (читается как х₁ или х₂).

Рис. 4.4. Условное обозначение и таблица истинности схемы И

Рис. 4.5. Условное обозначение и таблица истинности схемы ИЛИ

Схема НЕ. Схема НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания. Связь между входом х этой схемы и выходом у можно записать соотношением у = ¯х , где ¯х читается как «не x» или «инверсия x».

Если на входе схемы 0, то на выходе 1. Когда на входе 1, то на выходе 0. Условное обозначение и таблица истинности инвертора представлены на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Условное обозначение и таблица истинности схемы НЕ

Схема И—НЕ. Схема состоит из элемента И и инвертора и осу­ществляет отрицание результата схемы И. Связь между выходом у и входами x₁ и х₂ схемы записывают следующим образом: у = _{1 2}, где _{1 2} читается как «инверсия x₁ и х₂». Условное обозначение на структурных схемах и таблица истинности схемы И—НЕ с двумя входами представлены на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Условное обозначение и таблица истинности схемы И—НЕ

Схема ИЛИ—НЕ. Схема состоит из элемента ИЛИ и инвертора и осуществляет отрицание результата схемы ИЛИ. Связь между выходом у и входами x₁ и х₂ схемы записывают следующим образом: у= ₁  ₂, где ₁  ₂, читается как "инверсия x₁ или х₂". Условное обозначение на структурных схемах и таблица истинно­сти схемы ИЛИ—НЕ с двумя входами представлены на рис. 4.8.

Триггер (от англ. trigger—защелка, спусковой крючок) — элек­тронное устройство с двумя устойчивыми состояниями равно­весия, чередующимися под воздействием внешних сигналов, предназначенных для записи и хранения 1 бита данных.

Рис. 4.8. Условное обозначение и таблица истинности схемы ИЛИ—НЕ

Для обозначения этой схемы в английском языке чаще употреб­ляется термин flip-flop, что в переводе означает «хлопанье».

В отличие от рассмотренных выше логических схем, триггеры — это логические устройства с памятью. Выходные сигналы триггеров в общем случае зависят не только от их входных сигналов, действующих в настоящий момент, но и от сигналов, действовавших на входы до этого (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Функциональная схема триггера

Триггер функционирует следующим образом. Устройство управления (УУ) преобразует входные сигналы так, что ячейка памяти (ЯП) принимает одно из двух устойчивых состояний в зависимости от входных сигналов. Входные сигналы поступают на входы S₁ и R₁ преобразуются устройством управления (УУ) и поступают на внутренние входы ячейки памяти (ЯП). В общем случае устройство управления может отсутствовать. Тогда сигналы подаются непосредственно на входы R и S ячейки памяти.

В триггерах также может осуществляться синхронизация приема информации с помощью входа С. При наличии входа С триггер называют синхронным, в противном случае — асинхронным.

В асинхронных триггерах информация может записываться непре­рывно. В этом случае она определяется информационными сигна­лами, действующими на входах в данный момент времени, т. е. из­менение состояния ячейки памяти происходит мгновенно после изменения состояния информационных входов.

В синхронном (или тактируемом) триггере информация заносится только в момент действия так называемого синхронизирующего сиг­нала. Синхронизация триггера может осуществляться как импуль­сом (потенциалом), так и фронтом (перепадом потенциала). В схемотехнике приняты следующие обозначения входов триггеров:

— прямой выход триггера;

— инверсный выход триггера;

S — раздельный вход установки в единичное состояние (напряжение высокого уровня на прямом выходе Q);

R — раздельный вход установки в нулевое состояние (напряжение низкого уровня на прямом выходе Q);

D — информационный вход (на него подается информация, предназначенная для занесения в триггер);

С — вход синхронизации;

Т — счетный вход.

В основе любого триггера находится кольцо из двух инверторов (рис. 4.10). Это кольцо принято изображать в виде так называемой защелки (рис. 4.11).

Однозначную запись 1 бита информации в защелку можно осуществить, если снабдить ее цепями управления и запуска.

Схемы триггеров делятся на несколько типов: RS-, Т-, D-, JK-триггер и др. Состояние триггера определяется выходным Q(Q)'-сигналом, а правила его функционирования задаются таблицами переходов. Схема RS-триггера составляет основу для построения других типов триггеров.

Самый распространенный тип триггера — RS-триггер. Принципиальная схема RS-триггера (рис. 4.12) содержит защелку (два элемента И—НЕ или ИЛИ—НЕ), а также два раздельных статических входа управления. В зависимости от используемых элементов можно получить триггеры с прямыми входами (за активный логический уровень принимают уровень логической единицы) — элемент ИЛИ—НЕ — или с инверсными входами (за активный уровень принимается уровень логического ноля). Эти входы управления называют R (reset — сброс) и S (set — установка).

Рис. 4.10. Кольцо инверторов

Рис. 4.11. Элемент-защелка

Рис. 4.12. Принципиальная схема RS-триггера

По сути дела, RS-триггер, изображенный на рис. 4.12, это триггер без устройства управления. Для триггера с прямыми входами подача на вход S-триггера логической единицы, а на вход R — логического ноля приведет к тому, что на выходе триггера Q установится сигнал единицы, и наоборот - при подаче на R единицы, а на S — ноля на выходе Q установится сигнал ноля. Таким образом, таблица истинности для данного триггера будет иметь вид, показанный в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Как видно из табл. 4.3, комбинация R = 1 и S = 1 является запрещенной. После нее состояние выходов триггера становится неопределенным. На выходе Q может установиться как состояние логического ноля, так и состояние логической единицы.

Иногда режим работы триггера, при котором R = 1, a S = 0, называют режимом очистки, при R =0, S = 1 — режимом записи, а при R = 0, S = 0 — режимом хранения, так как информация на выходе триггера в этом случае не изменяется. Для триггера с инверсными входами таблица истинности имеет вид, представленный в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Поскольку один триггер может запомнить только один разряд двоичного кода, то для запоминания байта нужно восемь триггеров, для запоминания килобайта соответственно 8  2¹⁰ = 8192 триггеров. Современные микросхемы памяти содержат миллионы триггеров.

В качестве важных последовательностных схем, выполняемых на одной ИС, можно отметить счетчики, сдвиговые регистры, элементы памяти и др.

4.4. Организация машины

Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное распределение (построение) и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.

ЭВМ – это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации под управлением программы.

Со времени появления в 40-х гг. XX в. первых электронных цифровых вычислительных машин технология их производства была значительно усовершенствована. В последние годы благодаря развитию интегральной технологии существенно улучшились их характеристики, значительно снизилась стоимость. Однако несмотря на успехи, достигнутые в области технологии, существенных изменений в базовой структуре и принципах работы вычислительных машин не произошло. Так, в основу построения подавляющего большинства современных компьютеров положены общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, сформулированные еще в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

Согласно фон Нейману, для того чтобы ЭВМ была универсальным и эффективным устройством обработки информации, она должна строиться в соответствии со следующими принципами:

1) Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

2) Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3) Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

4) Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройст­во управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объеди­няемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 4.13. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные - управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ.

Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура - устройство ввода, дисплей и печать - устройства вывода.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выбор­ка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.

Рис. 4.13. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее уст­ройство у современных компьютеров «многоярусно» и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необхо­димых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоми­нающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не закан­чивается - определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоми­нающее устройство) и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считы­вание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специаль­ным устройством - счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день - фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработ­ки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

Структура современного персонального компьютера представ­лена на рис. 4.14. Достижения микроэлектроники позволили объединить в одной интегральной схеме, называемой микропроцессором (МП) или процессором, АЛУ и УУ. Уменьшение габаритов ОЗУ по­зволило разместить МП и ОЗУ на одной электронной плате, назы­ваемой системной или материнской. Все связи между отдельными устройствами объединены в пучок параллельных проводов — локальную или системную шину. В состав этой шины входят шина данных, по которой передаются из ОЗУ в МП также и команды, ши­на адреса и шина синхронизации (управления).

Рис. 4.14. Структурная схема персонального компьютера

Устройства ввода-вывода (УВВ) разделены на собственно УВВ и управляющие ими контрол­леры (карты), включаемые в системную плату или установленные прямо на ней.

К устройствам ввода информации относятся клавиатура, ручные манипуляторы, мышь, трекбол, джойстик, трекпойн, джойстринг, диджитайзер, трекпад, сканер, световое перо, информационные перчатки, костюм, шлем, цифровая видеокамера, микрофон и т.д.

К устройствам вывода информации относятся дисплей, принтер, плоттер, акустические колонки и др.

Новым в структуре современного компьютера и принципе его действия являются сигналы и понятие прерываний (рис. 4.14). Прерывания появились в связи с переходом от математических вычис­лений, которые не зависят от внешних условий, к обработке ин­формации в реальном масштабе времени.

Компьютер должен реагировать на изменение внешних усло­вий, иногда немедленно, запоминая эти события или даже меняя алгоритм обработки. Допустим, если в микропроцессор извне по­ступает сигнал запроса на прерывание, которое обрабатывается всегда, выполнение текущей программы приостанавливается, в за­ранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес остановки в программе, и микропроцессор вы­полняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. После ее завершения вос­станавливаются все промежуточные результаты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.

В современных компьютерах возможна параллельная работа не­скольких процессоров. За счет распараллеливания выполнения од­ной задачи или параллельного выполнения многих задач достигает­ся увеличение общей производительности компьютера. Для этого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные про­цессоры.

Основу центрального процессора ПЭВМ составляет микропроцессор – обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения ОП и ВнУ и для управления ходом вычислительного процессора.

Наиболее существенными, классификационными различиями между МП чаще всего выступают:

• назначение (микропроцессоры для серверов и мощных приложений; МП для персональных компьютеров и т.д.);

• количество разрядов в обрабатываемой информационной единице (8-битовые, 16-битовые, 32-битовые, 64-битовые);

• технология изготовления (0,5 мкм; 0,35 мкм; 0,25 мкм; 0,18 мкм; 0,13 мкм; 0,07 мкм); МКМ – это микронная технология (каждый транзистор размещается на кристалле внутри квадрата с указанным размером стороны).

Микропроцессор (центральный микропроцессор, CPU) — про­граммно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации по алгоритму, задаваемому программой, находящейся в данный момент в оперативной памяти. Конструктивно представ­ляет собой небольшую микросхему внутри системного блока, уста­новленную на материнской плате.

Процессоры классифицируются по базовому типу, называемого семейством (Intel, AMD, Cyrix, Motorola). С целью преемствен­ности программного обеспечения последующие модели и модифи­кации процессоров, как правило, содержат всю систему команд своих предшественников. Основными характеристиками процессо­ра являются:

• быстродействие — количество операций, производимых в 1 се­кунду, измеряется в бит/с. Каждая последующая модель имеет бо­лее высокую производительность по сравнению с предыдущей. Маркировка современных процессоров имеет расширение ММХ (MultiMedia eXtention — расширение мультимедиа);

• тактовая частота — количество тактов, производимых про­цессором за 1 секунду. Операции, производимые процессором, не являются непрерывными, они разделены на такты. Эта характери­стика определяет скорость выполнения операций и непосредствен­но влияет на производительность процессора;

• разрядность — количество двоичных разрядов, которые про­цессор обрабатывает за один такт. Так, указывая разрядность 64, имеют в виду, что процессор имеет 64-разрядную шину данных, т. е. за один такт он обрабатывает 64 бита.

Структурная схема базовой модели МП фирмы Intel представлена на рисунке 4.15.

Рис 4.15. Структурная схема базовой модели МП фирмы Intel

Условно микропроцессор можно разделить на две части: исполнительный блок (Execution Unit, EU) и устройство сопряжения с системной магистралью (BUS Interface Unit, BIU).

В исполнительном блоке находятся арифметический блок и регистры общего назначения (РОН). Арифметический блок включает арифметико-логическое устройство, вспомогательные регистры для хранения операндов и регистр флагов.

Восемь регистров исполнительного блока МП (АХ, ВХ, СХ, DX, SP, BP, SI, DI) имеющих длину, равную машинному слову, делятся на две группы. Первую группу составляют регистры общего назначения: – АХ, ВХ, СХ и DX.

Вторую группу составляют адресные регистры: SP, BP, SI и DI (в старших моделях количество адресных регистров увеличено).

Устройство сопряжения с системной магистралью содержит управляющие регистры, конвейер команд, АЛУ команд, устройство управления исполнительным блоком МП и интерфейс памяти, соединяющий внутреннюю магистраль МП с системной магистралью ПЭВМ.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специаль­ных регистров, полноразрядного сумматора и схем местного управ­ления.

Регистры общего назначения (РОН) используются для временно­го хранения операндов исполняемой команды и результатов вычис­лений, а также хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-выво­да для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Необходимо отметить, что если операнды команды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается. Одна из причин, почему программисты иногда обращаются к программиро­ванию на языке машинных команд, это наиболее полное использо­вание РОН для получения максимального быстродействия при вы­полнении программ, критичных по времени.

Рассмотрим кратко характеристики процессоров, используемых в современных ПК типа IBM PC. Процессоры для этих ПК выпускают многие фирмы, но законодателем моды здесь является фирма Intel. Ее последней разработкой является процессор Intel Core, вы­пуск которого начат в начале 2006 г. К основным особенностям ар­хитектуры Intel Core можно отнести следующие:

— имеется специальный внутренний КЭШ размером 2 Мбайта;

— добавлена арбитражная шина, которая уменьшает нагрузку си­стемной шины;

— внутренняя микроархитектура процессора базируется на двух ядрах — параллельно работающих конвейерах команд (суперска­лярная архитектура), которые исполняют сразу несколько команд в 12 разных фазах обработки (чтение, дешифрация, за­грузка операндов, исполнение и т.д.). Конвейеры заканчивают­ся двумя АЛУ: АЛУ, работающим на удвоенной частоте процес­сора для коротких арифметических и логических команд, и АЛУ для выполнения медленных команд;

— введено управление питанием ядра, которое включает в себя блок температурного контроля, способный управлять отдельно пита­нием каждого ядра.

Фирма Intel поставляет упрощенные варианты процессоров Pentium 4 под названием Celeron, который в два раза дешевле базово­го варианта процессора. Однако следует отметить, что последние модели процессора Celeron ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаях превосходят его.

Фирма AMD {Advanced Micro Devices) выпускает процессоры, со­вместимые по системе команд с Intel Pentium 4 — Athlon (K7). Этот процессор выполнен по суперскалярной архитектуре с тремя конвей­ерами команд, работающими параллельно и способными обрабатывать до девяти инструкций за один цикл работы процессора. Тестирование процессора К7 и его сравнение с Pentium 4 показывает, что К7 не ус­тупает ему и даже превосходит его в некоторых случаях. Стоимость процессора Athlon на 20—30 % дешевле процессора Intel. Процессор К7 требует для своей работы собственной шины, несовместимой с шиной процессора Pentium 4. Поэтому замена одного типа процес­сора другим требует и замены системной платы, на которой располо­жен набор микросхем основных функциональных устройств ПК.

4.5. Организация памяти компьютера

Памятью компьютера называется совокупность устройств для хранения программ, вводимой информации, промежуточных результатов и выходных данных.

Комплекс технических устройств, реализующих функцию памяти, называется запоминающем устройством (ЗУ). ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных. Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации. ЗУ делятся на основную память, сверхоперативную (РОН) и внешние запоминающие устройства.

Основная память включает два типа устройств:

а) оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или RAM-Random Access Memory и б) постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или Rom-Read Onty Memory.

ОЗУ предназначена для хранения переменной информации, работает в режимах записи, чтения и хранения.

Оперативная память (RAM — Random Access Memory, ОЗУ) — устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой ин­формации (данных) и программ, управляющих процессом обработ­ки информации. Конструктивно оперативная память изготавлива­ется в виде небольших печатных плат с рядами контактов, на кото­рых размещаются интегральные схемы памяти (модули памяти), различающиеся по размеру и количеству контактов (SIMM или DIMM), по быстродействию, по объему.

Важнейшей характеристикой модулей оперативной памяти яв­ляется быстродействие — частота, с которой считывается или запи­сывается информация в ячейки памяти. Современные модули па­мяти имеют частоту 133 МГц и выше.

Для того чтобы какая-либо программа начала свое выполнение, она должна быть загружена в оперативную память. Оперативная па­мять является энергозависимой, т. е. хранит информацию, пока ком­пьютер включен (подано питание на модуль оперативной памяти). В оперативную память программа и данные для ее работы попадают из других устройств, т. е. загружаются из энергонезависимых уст­ройств внешней памяти (жесткий диск, компакт-диск и т. д.). Та­ким образом, «загрузить» программу означает прочесть ее из файла, находящегося на одном из устройств внешней памяти и поместить в оперативную память, после чего микропроцессор начнет ее выпол­нение.

Оперативная память хранит загруженную, выполняющуюся в данный момент, программу и данные, которые с ее помощью об­рабатываются. Если после обработки предполагается дальнейшее использование данных, то копию документа из оперативной памяти можно записать на одном из устройств внешней памяти (например, на жестком диске), создав файл, хранящий документ.

Основными характеристиками памяти являются объем, время доступа и плотность записи информации.

Объем памяти определяется максимальным количеством ин­формации, которая может быть помещена в эту память, и выражает­ся в кило-, мега- или гигабайтах. Типичный современный компью­тер имеет 512 Мб оперативной памяти и выше.

Время доступа к памяти (секунды) представляет собой мини­мальное время, достаточное для размещения в памяти единицы ин­формации.

Плотность записи информации (бит/см²) представляет собой количество информации, записанной на единице поверхности но­сителя.

Важнейшей характеристикой компьютера в целом является его производительность, т. е. возможность обрабатывать большие объе­мы информации. Производительность ПК во многом определяется быстродействием процессора, а также объемом оперативной памя­ти и скоростью доступа к ней.

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш­память (cache (англ.) — запас). Это сверхбыстрая оперативная па­мять, предназначенная для временного хранения данных и поме­щенная между оперативной памятью и процессором. Специальные программно-аппаратные средства обеспечивают опережающее копирование данных из опе­ративной в кэш-память и обратное копирование данных по оконча­нии их обработки. Обработка данных в кэш-памяти производится быстрее, что приводит к увеличению производительности ПК. Не­посредственного доступа из программы в кэш-память нет.

Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновремен­но копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратит­ся к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Та­кая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, ког­да шина свободна, переписываются в ОЗУ. Современные процессо­ры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри про­цессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16—128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш­-память второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт — 4 Мбайта. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, ее объем может составлять 2—24 Мбайта.

Управление записью и считыванием данных в кэш-память вы­полняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных устройство управления кэш­-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производи­тельность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит по-следовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

Используется два основных типа оперативной памяти:

• статистическая (SRAM-Static RAM)

• динамическая (DRAM – Dynamic RAM)

Эти две разновидности памяти различаются быстродействием и удельной плотностью (емкостью хранимой информации).

Структурная схема ОЗУ представлена на рисунке 4.16.

По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить.

По шине данных передается информация, записывающая в память или считываемая из нее.

По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти.

Рис 4.16. Структурная схема ОЗУ

Постоянное запоминающее устройства (ПЗУ) содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислительных операции, например, стандартные программы и константы. Основные операции ПЗУ – чтение и хранение.

Эта память предназначена для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление вне­шними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохра­няет записанную информацию при отсутствии напряжения питания.

Содержимое ПЗУ устанавливается на заводе-изготовителе и в дальнейшем не меняется. Эта память составлена из микросхем, как правило, небольшого объема. Обычно в ПЗУ записываются программы, обеспечивающие минимальный базовый набор функций управления устройствами компьютера. При включении компьютера первоначально управление передается программе из ПЗУ, которая тестирует компоненты компьютера и запускает программу-загрузчик операционной системы.

Постоянные запоминающие устройства можно разделить по способу записи в них информации на следующие категории:

—ПЗУ, программируемые однократно. Программируются при из­готовлении и не позволяют изменять записанную в них инфор­мацию;

—перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Позволяют перепрограмми­ровать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ инфор­мации осуществляется или засветкой полупроводникового кри­сталла ультрафиолетовым излучением, или электрическим сигналом повышенной мощности, для этого в корпусе микросхе­мы предусматривается специальное окно, закрытое кварцевым стеклом.

Сверхоперативные ЗУ (СОЗУ) используются для хранения небольших объемов информации и имеют значительно меньшее время (в 2-10раз) считывания / записи, чем основная память. СОЗУ обычно строятся на регистрах и регистровых структурах.

В микропроцессорах ассоциативные ЗУ используются в составе КЭШ-памяти для хранения адресной части команд и операндов исполняемой программы.

В отличие от оперативного запоминающего устройства, внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обладают большим объемом сохра­няемой информации и являются энергонезависимыми. Наибольшее распространение в настоящее время получили дисковые ВЗУ, кото­рые, в зависимости от типа носителя, можно разделить на магнит­ные, оптические и смешанные.

Накопители на магнитным дисках.

Магнитные диски в качестве запоминающей среды используют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Информация на магнитные диски запи­сывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называется дорожкой или треком. Количество дорожек на диске определяется шагом перемещения головки и зависит от технических характерис­тик привода диска и качества самого диска. За один оборот диска может быть считана информация с одной дорожки. Общее время доступа к информации на диске складывается из времени перемеще­ния головки на нужную дорожку и времени одного оборота диска. Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков — сек­торов. Сектор содержит минимальный блок информации, который может быть записан или считан с диска. Чтение и запись на диск осуществляется блоками, поэтому дисководы называют блочными устройствами.

Дисководы магнитных дисков делятся на дисководы для сменных носителей (дискет) и дисководы жестких дисков (винчестеры), кото­рые устанавливаются в системном блоке компьютера. Сменные маг­нитные диски изготавливаются на основе гибкого синтетического материала, на который с обеих сторон нанесен слой магнитного ма­териала. Такие гибкие диски имеют объем хранимой информации 1,44—2,88 Мбайт. Все сменные носители на дисках, в том числе и рассмотренные далее оптические диски, характеризуются своим ди­аметром, или форм-фактором. Наибольшее распространение получи­ли гибкие магнитные диски с форм-фактором 3,5 дюйма. Но суще­ствуют диски с форм-фактором 5,25 дюйма и 1,8 дюйма.

Кроме гибких дисков широкое распространение получили смен­ные магнитные носители типа ZIP. Использование более совершен­ной системы позиционирования головок системы привода позво­лило увеличить плотность записи, и довести его для диска с форм-фактором 3,5 дюйма до 250 Мбайт. К сожалению, диски ZIP несовместимы с обычными гибкими дисками и для их использова­ния приходится устанавливать специальный привод ZIP.

Основа жесткого диска изготавливается из сплавов алюминия или керамики, на который наносится магнитный слой. Жесткость диска позволяет увеличить плотность записи, по сравнению с гиб­ким диском. Несколько жестких дисков надеваются на одну общую ось и представляют собой пакет дисков. Такие пакеты позволяют резко увеличить объем информации, хранящейся на одном дисково­де жесткого диска. В настоящее время используются дисководы с объемом 120-750 Гбайт, и эти значения постоянно увеличиваются.

Накопители на оптических дисках

Оптический компакт-диск (Compact Disk (CD)), который был предложен в 1982 г. фирмами Philips и Sony первоначально для запи­си звуковой информации, произвел переворот и в компьютерной тех­нике, так как идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов на сменном носителе. Объем информации, запи­санной на компакт-диске, составляет 600—700 Мбайт. К достоин­ствам компакт-диска можно отнести и его относительную дешевиз­ну в массовом производстве, высокую надежность и долговечность, нечувствительность к загрязнению и воздействию магнитных полей.

В середине 90-х гг. появились устройства, устанавливаемые не­посредственно на компьютере и позволяющие производить однократ­ную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств вы­пускают специальные компакт-диски, которые получили название CD-Recodable (CD-R). Отражающим слоем у них служит тонкий слой позолоты. Между слоем позолоты и слоем поликарбамидной смолы вводится слой красителя. На диске без записи этот слой красителя бесцветен, но под воздействием лазерного луча краситель темнеет, образуя пятна, которые при воспроизведении воспринимаются как выступы.

Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи — CD-ReWritable (CD-RW). На этих дисках слой красителя может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. Эти два состояния имеют разную отражательную способность. Лазер устрой­ства имеет три уровня мощности. При записи мощность лазерного диода повышается и расплавляет слой красителя, переводя его в аморфное состояние с низкой отражательной способностью, что со­ответствует выступу (запись информации). При средней мощности краситель плавится и переходит в кристаллическое состояние с высокой отражательной способностью (стирание информации). Низкая мощность лазера используется для считывания информации.

Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи — цифро­вой универсальный диск Digital Versatile Disk {DVD). Впадины на них имеют меньший диаметр (0,4 микрона), а спираль размещается с плотностью 0,74 микрона между дорожками (вместо 1,6 микрон у CD). Это позволило увеличить объем информации на диске до 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечива­ется применением двусторонних DVD.

Флэш-память

Флэш-память представляет собой микросхему перепрограм­мируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с нео­граниченным числом циклов перезаписи. В ППЗУ флэш-памяти использован новый принцип записи и считывания, отличный от того, который используется в известных схемах ППЗУ. Кристалл схе­мы флэш-памяти состоит из трех слоев. Средний слой, имеющий толщину порядка 1,5 нм, изготовлен из ферроэлектрического мате­риала. Две крайние пластины представляют собой матрицу провод­ников для подачи напряжения на средний слой. При подаче напря­жения, на пересечении проводников, возникает напряжение, достаточное для изменения направления магнитного момента атомов его кристаллической решетки, расположенной под местом пересече­ния проводников. Направление магнитного поля сохраняется и после снятия внешнего электрического поля. Изменение направления магнитного поля ферроэлектрика изменяет сопротивления этого участ­ка слоя. При считывании на один крайний слой подается напряже­ние, а на втором слое замеряется напряжение, прошедшее через фер-роэлектрик, которое будет иметь разное значение для участков с разным направлением магнитного момента. Такой тип флэш-памя­ти получил название FRAM (ферроэлектрическая память с произволь­ным доступом).

Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера. Разме­ры этого блока 40 х 16 W 7 мм. Флэш-память, используемая в других цифровых устройствах, имеет иные размеры и конструктивное оформление. В настоящее время объем флэш-памяти достигает не­скольких Гбайт, скорость записи и считывания составляют десятки Мбайт/с.

Виртуальная память (англ, Virtual memory) — технология управления памятью ЭВМ, разработанная для многозадачных операционных систем. При использовании данной технологии для каждой программы используются независимые схемы адресации памяти, отображающиеся тем или иным способом на физические адреса в памяти ЭВМ. Позволяет увеличить эффективность использования памяти несколькими одновременно работающими программами, организовав множество независимых адресных пространств, и обеспечить защиту памяти между разными приложениями. Также позволяет программисту использовать больше памяти, чем установлено в компьютере, за счет откачки неиспользуемых страниц на вторичное хранилище.

При использовании виртуальной памяти упрощается программирование, так как программисту больше не нужно учитывать ограниченность памяти или согласовывать использование памяти с другими приложениями. Для программы выглядит доступным и непрерывным все допустимое адресное пространство, вне зависимости от наличия в ЭВМ соответствующего объема ОЗУ. Применение механизма виртуальной памяти позволяет: упростить адресацию памяти клиентским программным обеспечением; рационально управлять оперативной памятью компьютера (хранить в ней только активно используемые области памяти); изолировать процессы друг от друга (процесс полагает, что монопольно владеет всей памятью).

В настоящее время эта технология имеет аппаратурную поддержку на всех современных бытовых процессорах. В тоже время во встраиваемых системах и в системах специального назначения, где требуется либо очень быстрая работа, либо есть ограничения на длительность отклика (системы реального времени) виртуальная память используется относительно редко. Также в таких системах реже встречается многозадачность и сложные иерархии памяти.