Самостоятельная работа №1

Поколение ЭВМ

Компьютерная грамотность предполагает наличие представления о пяти поколениях ЭВМ, которое Вы получите после ознакомления с данной статьей. Когда говорят о поколениях, то в первую очередь говорят об историческом портрете электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Фотографии в фотоальбоме по истечении определенного срока показывают, как изменился во времени один и тот же человек. Точно так же поколения ЭВМ представляют серию портретов вычислительной техники на разных этапах ее развития. Всю историю развития электронно-вычислительной техники принято делить на поколения. Смены поколений чаще всего были связаны со сменой элементной базы ЭВМ, с прогрессом электронной техники. Это всегда приводило к росту быстродействия и увеличению объема памяти. Кроме этого, как правило, происходили изменения в архитектуре ЭВМ, расширялся круг задач, решаемых на ЭВМ, менялся способ взаимодействия между пользователем и компьютером. ЭВМ первого поколения были ламповыми машинами 50-х годов. Их элементной базой были электровакуумные лампы. Эти ЭВМ были весьма громоздкими сооружениями, содержавшими в себе тысячи ламп, занимавшими иногда сотни квадратных метров территории, потреблявшими электроэнергию в сотни киловатт. Например, одна из первых ЭВМ – ENIAC представляла собой огромный по объему агрегат длиной более 30 метров, содержала 18 тысяч электровакуумных ламп и потребляла около 150 киловатт электроэнергии. Для ввода программ и данных применялись перфоленты и перфокарты. Не было монитора, клавиатуры и мышки. Использовались эти машины, главным образом, для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных. В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. Транзисторы В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения. Машины стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими. Возросло быстродействие и объем внутренней памяти. Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах. В этот период стали развиваться языки программирования высокого уровня: ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Составление программы перестало зависеть от конкретной модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее. В 1959 г. был изобретен метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные таким образом схемы стали называться интегральными схемами или чипами. Изобретение интегральных схем послужило основой для дальнейшей миниатюризации компьютеров. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год. Третье поколение ЭВМ создавалось на новой элементной базе – интегральных схемах (ИС). Микросхемы ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Немного позднее появились машины серии IBM-370. В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ) по образцу IBM 360/370. Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла уже нескольких миллионов операций в секунду. На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств – магнитные диски. Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электрических элементов. Микропроцессор В 1971 году американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора. Это событие стало революционным в электронике. Микропроцессор – это миниатюрный мозг, работающий по программе, заложенной в его память. Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода и внешней памяти,  получили новый тип компьютера: микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ относится к машинам четвертого поколения. Наибольшее распространение получили персональные компьютеры (ПК). Их появление связано с именами двух американских специалистов: Стива Джобса и Стива Возняка. В 1976 году на свет появился их первый серийный ПК Apple-1, а в 1977 году – Apple-2. Однако с 1980 года «законодателем мод» на рынке ПК становится американская фирма IBM. Ее архитектура стала фактически международным стандартом на профессиональные ПК. Машины этой серии получили название IBM PC (Personal Computer). Появление и распространение ПК по своему значению для общественного развития сопоставимо с появлением книгопечатания. С развитием этого типа машин появилось понятие «информационные технологии», без которых невозможно обойтись в большинстве областей деятельности человека. Появилась новая дисциплина – информатика. ЭВМ пятого поколения будут основаны на принципиально новой элементной базе. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень, в частности, распознавание речи, образов. Это требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта. Таким образом, для компьютерной грамотности необходимо понимать, что на данный момент создано четыре поколения ЭВМ: 1-ое поколение: 1946 г. создание машины ЭНИАК на электронных лампах. 2-ое поколение: 60-е годы. ЭВМ построены на транзисторах. 3-ье поколение: 70-е годы. ЭВМ построены на интегральных микросхемах (ИС). 4-ое поколение: Начало создаваться с 1971 г. с изобретением микропроцессора (МП). Построены на основе больших интегральных схем (БИС) и сверх БИС (СБИС). Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом. Соответственно, предполагается применение принципиально новых технологий. Огромные усилия были предприняты Японией в разработке компьютера 5-го поколения с искусственным интеллектом, но успеха они пока не добились. Фирма IBM тоже не намерена сдавать свои позиции мирового лидера, например, Японии. Мировая гонка за создание компьютера пятого поколения началась еще в 1981 году. С тех пор еще никто не достиг финиша. Поживем – увидим.

Самостоятельная работа №2

Классификации ЭВМ (по назначению)

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами универсальных ЭВМ является:

• высокая производительность;

• разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятиричных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой степени их представления;

• обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;

• большая емкость оперативной памяти;

• развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.

К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адептеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.К таким компьютерам также относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Бортовые компьютеры управляют средствами ориентации и навигации, осуществляют контроль за состоянием бортовых систем, выполняют некоторые функции автоматического управления и связи, а также большинство функций оптимизации параметров работы объекта (например, оптимизацию расхода топлива объекта в зависимости от конкретных условий движения). Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами.

Во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем все-таки эффективнее. Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности оборудования к величине его стоимости.

Самостоятельная работа № 3

Классификация ЭВМ (по функциональным возможностям)

По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие, большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ).

Функциональные возможности ЭВМ обусловливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

• быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;

• разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;

• номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;

• номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

• типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутримашинного интерфейса);

• способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);

• типы и технико-эксплутационные характеристики операционных систем, используемых в машине;

• наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

• способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);

• система и структура машинных команд;

• возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

• эксплуатационная надежность ЭВМ;

• коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Схема классификации ЭВМ, исходя из их вычислительной мощности и габаритов.

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции. Первая большая ЭВМ ЭНИАК была создана в 1946 году. Эта машина имела массу более 50 т., быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал площадью 100 кв.м.

Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.

Появление в 70-х годах малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.

Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-ЭВМ – вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых ЭВМ, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 году микропроцессора привело к появлению в 70-х годах еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ. Именно наличие микропроцессора служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.

Самостоятельная работа № 4,5,6

Схемы построения логических элементов

Знания из области математической логики можно использовать для конструирования электронныхустройств. Нам известно, что 0 и 1 в логике не просто цифры, а обозначение состояний какого-то предмета нашего мира, условно называемых "ложь" и "истина". Таким предметом, имеющим два фиксированных состояния, может быть электрический ток. Устройства, фиксирующие два устойчивых состояния, называются бистабильными (например, выключатель, реле). Если вы помните, первые вычислительные машины были релейными. Позднее были созданы новые устройства управления электричеством ― электронные схемы, состоящие из набора полупроводниковых элементов. Такие электронные схемы, которые преобразовывают сигналы только двух фиксированных напряжений электрического тока (бистабильные), стали называть логическими элементами.

На элементарном уровне конъюнкцию можно представить себе в виде последовательно соединенных выключателей, а дизъюнкцию ― в виде параллельно соединенных выключателей:

Логические элементы имеют один или несколько входов и один выход, через которые проходят электрические сигналы, обозначаемые условно 0, если "отсутствует" электрический сигнал, и 1, если "имеется" электрический сигнал.

Простейшим логическим элементом является инвертор, выполняющий функцию отрицания. Если на вход поступает сигнал, соответствующий 1, то на выходе будет 0. И наоборот. У этого элемента один вход и один выход. На функциональныхсхемах он обозначается:

Логический элемент, выполняющий логическое сложение, называется дизъюнктор. Он имеет, как минимум, два входа. На функциональных схемах он обозначается:

Логический элемент, выполняющий логическое умножение, называется конъюнктор. Он имеет, как минимум, два входа. На функциональных схемах он обозначается:

Специальных логических элементов для импликации и эквивалентности нет, т.к. А => В можно заменить на ¬А V В ; А <=> В можно заменить на (A & B)V(¬A & ¬B).

Другие логические элементы построены из этих трех простейших и выполняют более сложные логические преобразования информации. Сигнал, выработанный одним логическим элементом, можно подавать на вход другого элемента, это дает возможность образовывать цепочки из отдельных логических элементов. Например:

Эта схема соответствует сложной логической функции F(A,B)= ¬ (А V В).

Попробуйте проследить изменения электрического сигнала в этой схеме. Например, какое значение электрического сигнала (0 или 1) будет на выходе, если на входе: А=1 и В=0.

Такие цепи из логических элементов называются логическими устройствами. Логические устройства же, соединяясь, в свою очередь образуют функциональные схемы (их еще называют структурными или логическими схемами). По заданной функциональной схеме можно определить логическую формулу, по которой эта схема работает, и наоборот.

Самостоятельная работа №7

Комбинационные схемы

Техническим аналогом булевой функции в вычислительной технике является, так называемая, комбинационная схема, на вход которой поступают и с выхода снимаются электрические сигналы в виде одного из уровней напряжения, соответствующих значениям логического 0 и логической 1. Как уже говорилось, любой цифровой автомат содержит комбинационную схему, реализующую функцию переходов автомата (функции возбуждения элементов памяти) и функцию выходов, вырабатывающую выходные сигналы автомата.

Для выяснения, что же такое комбинационная схема, рассмотрим схему S, имеющую m входов и n выходов (рис. 3.1). На ее входы могут быть поданы наборы значений входных переменных Xi {0,1},  , а на выходах формируются выходные переменные YjÎ{0,1},  .

Рис. 3.1. Обозначение комбинационной схемы

Схема S называется комбинационной, если каждую из n функций ее выходов Y1,Y2, ..., Yn можно представить как булеву функцию входных переменных X1, X2, ..., Xm. Такая схема, по сути, является комбинационным автоматом, т.е. цифровым автоматом без памяти.

Комбинационная схема описывается с помощью системы уравнений (3.1), где Fi – булева функция.

 (3.1)

Как следует из определения комбинационной схемы, значения выходных переменных Yj в произвольный момент времени однозначно определяются значениями входных переменных Xi.

Структурно комбинационная схема (КС) может быть представлена как совокупность элементарных логических схем – логических элементов (ЛЭ). ЛЭ выполняют над входными переменными элементарные логические операции типа И-НЕ, И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ и т.д. Число входов логического элемента соответствует числу аргументов воспроизводимой им булевой функции. Графическое изображение комбинационной схемы, при котором показаны связи между различными элементами, а сами элементы представлены условными обозначениями, называется функциональной схемой.

В ходе разработки комбинационных схем приходится решать задачи анализа и синтеза.

Задача анализа комбинационной схемы состоит в определении статических и динамических свойств комбинационной схемы. В статике определяются булевы функции, реализуемые комбинационной схемой по известной ей структуре. В динамике рассматривается способность надежного функционирования схемы в переходных процессах при смене значений переменных на входах схемы, т.е. определяется наличие на выходах схемы возможных нежелательных импульсных сигналов, которые не следуют непосредственно из выражений для булевых функций, реализуемых схемой.

Задача синтеза комбинационной схемы заключается в построении из заданного набора логических элементов комбинационной схемы, реализующей заданную систему булевых функций.

Решение задачи синтеза не является однозначным, можно предложить различные варианты комбинационных схем, реализующих одну и ту же систему булевых функций, но отличающихся по тем или иным параметрам. Разработчик комбинационных схем из этого множества вариантов выбирает один, исходя из дополнительных критериев: минимального количества логических элементов, необходимых для реализации схемы, максимального быстродействия и т.д. Существуют различные методы синтеза комбинационных схем, среди которых наиболее разработан канонический метод.

Самостоятельная работа №8

Анализ ЭВМ (Этапы решения задачи на ЭВМ)

Программирование (programming) - теоретическая и практическая деятельность, связанная с созданием программ. Решение задач на компьютере включает в себя следующие основные этапы, часть из которых осуществляется без участия компьютера.

1. Постановка задачи:

•   сбор информации о задаче;

•   формулировка условия задачи;

•   определение конечных целей решения задачи;

•   определение формы выдачи результатов;

•   описание данных (их типов, диапазонов величин, структуры и т. п.).

2. Анализ и исследование задачи, модели:

•   анализ существующих аналогов;

•   анализ технических и программных средств;

•   разработка математической модели;

•   разработка структур данных.

3. Разработка алгоритма:

•   выбор метода проектирования алгоритма;

•    выбор формы записи алгоритма (блок-схемы, псевдокод и др.);

•    выбор тестов и метода тестирования;

•    проектирование алгоритма.

4. Программирование:

•   выбор языка программирования;

•   уточнение способов организации данных;

•   запись алгоритма на выбранном языке

программирования.

5. Тестирование и отладка:

•   синтаксическая отладка;

•   отладка семантики и логической структуры;

•    тестовые расчеты и анализ результатов тестирования;

•   совершенствование программы.

6. Анализ результатов решения задачи и уточнение в случае необходимости математической модели с повторным выполнением этапов 2-5.

7. Сопровождение программы:

•   доработка программы для решения конкретных задач;

•   составление документации к решенной задаче, к математической модели, к алгоритму, к программе, к набору тестов, к использованию.

Самостоятельная работа № 9

Анализ ЭВМ (Структура ПК)

Процесс взаимодействия человека с ЭВМ насчитывает уже более 40лет. До

недавнего времени в этом процессе могли участвовать только специалисты

-инженеры, математики - программисты, операторы. В последние годы

произошли кардинальные изменения в области вычислительной техники.

Благодаря разработке и внедрению микропроцессоров в структуру ЭВМ появились

малогабаритные, удобные для пользователя персональные компьютеры. Ситуация

изменилась, в роли пользователя может быть не только специалист по

вычислительной технике, но и любой человек, будь то школьник или

домохозяйка, врач или учитель, рабочий или инженер. Часто это явление

называют феноменом персонального компьютера. В настоящее время мировой парк

персональных компьютеров превышает 20 млн.

Почему возник этот феномен? Ответ на этот вопрос можно найти, если

четко сформулировать, что такое персональный компьютер и каковы его

основные признаки. Надо правильно воспринимать само определение "

персональный", оно не означает принадлежность компьютера человеку на правах

личной собственности. Определение "персональный" возникло потому, что

человек получил возможность общаться с ЭВМ без посредничества профессионала-

программиста, самостоятельно, персонально. При этом не обязательно знать

специальный язык ЭВМ. Существующие в компьютере программные средства

обеспечат благоприятную " дружественную" форму диалога пользователя и ЭВМ.

Можно выделить пять формальных признаков, которые помогут нам определить,

является ли данный компьютер персональным или нет.

1. Способ управления простой, наглядный, удобный, не требующий

глубоких знаний в области вычислительной техники. Все технические средства

(дисплей. клавиатура, манипулятор, печатающее устройство и т.д.),

обеспечивающие взаимодействие человека и ЭВМ, сделаны так, чтобы на них

безбоязненно мог работать даже ребенок. Общение человека и компьютера

организованно в диалоговом режиме.

2. Разработано большое количество программных средств для различных

областей применения. Это избавит пользователя от необходимости самому

составлять программу на языке компьютера.

3. Малогабаритные устройства внешней памяти большой емкости допускают

замену одного накопителя другим. К таким устройствам можно отнести:

накопители на гибких магнитных дисках и винчестерских дисках, кассетные

магнитофон.

4. Благодаря малым габариту и массе, сравнимым с телевизором, для

установки не требуется специальных приспособлений, достаточно место на

рабочем столе.

5. Конструкция персонального компьютера, его внешнее оформление

привлекательны по цвету и форме, удовлетворяют эргономическим показателям.

Впервые за время развития вычислительной техники этот признак включен в

качестве основного при определении целого класса ЭВМ.

При более тщательном анализе всех признаков видно, что конечно, самыми

главными являются первые два признака, определяющие характер общения

человека и ЭВМ, хотя отсутствие одного из пяти перечисленных выше признаков

позволяет классифицировать компьютер как не персональный.

Понимая теперь, что такое персональный компьютер, рассмотрим историю

возникновения и развития этого феномена.

Перечисленные признаки персонального компьютера стало возможным

обеспечить благодаря созданию микропроцессоров, которые позволили резко

изменить внешний облик ЭВМ - уменьшить размеры и массу. Однако только одно

это обстоятельство привело к появлению класса микро ЭВМ. Совершенствование

программного обеспечения, изучение математиками и программистами задач

предметной области и разработка на их основе нужных в этой области

программных средств позволили превратить микроЭВМ в персональное средство

человека по обработки информации.

Первая персональная ЭВМ была разработана в 1973 г. во Франции. Ее

автор Труонг Тронг Ти. Первые экземпляры были восприняты как дорогостоящая

экзотическая игрушка. Массовое производство и внедрение в практику

персональных компьютеров связывают с именем Стива Джобса, руководителя и

основателя фирмы "Эпл компьютер", 1977 г. наладившая выпуск персональных

компьютеров "Apple".

Персональные компьютеры можно классифицировать в соответствии с теми

возможностями, которые они предоставляют пользователю. как бытовые и

профессиональные.

Бытовые персональные компьютеры используют в домашних условиях. Их

основное назначение : обеспечение несложных расчетов, выполнение функции

записной книжки, ведение личной картотеки, средство обучения различным

дисциплинам, инструмент доступа по телефонным каналам к общественным

информационным фондам и т.д. Широкое распространение получил он как

средство развлечения - организатор и партнер в различных играх.

Профессиональные персональные ЭВМ используют в конкретной

профессиональной сфере, все программные и технические средства

ориентированы на конкретную профессию. Однако независимо от

профессиональной направленности ЭВМ их основное назначение-выполнение

рутинной работы : они осуществляют поиск информации в различных справочно-

нормативной документации и архивах, составляют типовые формы документации,

ведут дневник или лабораторный журнал, фиксируют результаты исследований,

запоминают и выдают по запросу пользователя информацию по данной

профессиональной деятельности и т.д.

В настоящее время одними из самых популярных компьютеров стали модель

IBM PC и ее модернизированный вариант IBM PC XT, который по архитектуре,

программному обеспечению, внешнему оформлению считается базовой моделью

персонального компьютера. Рассмотрим основную структуру и характеристики

персонального компьютера IBM PC XT. В состав базового комплекта входят;

системный блок2, дисплей1 с цветным изображением, клавиатура6, печатающее

устройство (принтер), накопитель на гибком магнитном диске и накопитель на

винчестерском диске.

Основой персонального компьютера является системный блок. Он

организует работу, обрабатывает информацию, производит расчеты,

обеспечивает связь человека и ЭВМ. Пользователь не обязан досконально

разбираться в том, как работает системный блок. Это удел специалистов. Но

он должен знать, из каких функциональных блоков состоит компьютер. Мы не

имеем четкого представления о принципе действия внутренних функциональных

блоков окружающих нас предметов - холодильника, газовой плиты, стиральной

машины, автомобиля, но должны знать, что заложено в основу работы этих

устройств, каковы возможности составляющих их блоков.

СИСТЕМНЫЙ БЛОК персонального компьютера состоит из системной платы,

имеющей размеры 212/300 мм и расположенной в самом низу, динамика,

вентилятора, источника питания, двух дисководов. Один дисковод обеспечивает

ввод-вывод информации с винчестерского диска, другой- с гибких магнитных

дисков.

СИСТЕМНАЯ ПЛАТА является центральной частью ЭВМ и составлена из

нескольких десятков интегральных схем разного назначения. Микропроцессор

выполнен в виде одной большой интегральной схемы. Предусмотрено гнездо для

дополнительного микропроцессора Intel 8087-выполнения операции с плавающей

запятой. При необходимости повысить производительность компьютера можно

поместить его в это гнездо. Имеется несколько модулей постоянной и

оперативной памяти. В зависимости от модели предусмотрены от 5 до 8

разъемов, куда вставляются платы различных адаптеров.

Адаптер - это устройство, которое обеспечивает связь между центральной

частью ЭВМ и конкретным внешним устройством, например между оперативной

памятью и принтером или винчестерским диском. На плате также устанавливают

несколько модулей, выполняющих вспомогательные функции при работе с

компьютером. Имеются переключатели, которые необходимы для обеспечения

работы компьютера при выбранном составе внешних устройств ( конфигурация

компьютера).

КЛАВИАТУРА

Клавиатура есть у каждого компьютера. С его помощью в компьютер вводят

информацию или отдают компьютеру команды. Прабабушкой клавиатуры компьютера

была пишущая машинка. От нее клавиатура получила в наследство клавиши с

буквами и цифрами.

Но компьютер умеет делать больше дел, чем пишущая машинка, и потому у

его клавиатуры намного больше клавиш. Разные клавиши служат для разных дел.

Например, у обычной пишущей машинки нет клавиш для стирания того, что

написано, а у клавиатуры - есть. Такая пишущая машинка не может вставить

новое слово между двумя другими, а компьютер - может, и для этого тоже есть

специальная клавиша.

Когда мы играем в компьютерные игры, то чаще всего используем клавиши

со стрелками. Их еще называют "курсорными клавишами". С помощью этих клавиш

можно управлять тем, как бегает по экрану герой игры. Очень часто в играх

используются клавиши СTRI и ALT. Одной клавишей герой стреляет, а другой -

прыгает. Это довольно большие клавиши, к тому же они находятся в самом низу

клавиатуры, и потому ими пользоваться удобно.

Самая длинная клавиша - ПРОБЕЛ. Ее можно нажать даже с завязанными

глазами. И потому ее тоже очень часто используют в играх.

МОНИТОР

При работе с компьютером больше всего информации мы получаем, глядя на

экран монитора. Монитор чем-то похож на телевизор. Но телевизор нельзя

смотреть вблизи, потому что он очень вредно действует на глаза. Монитор

тоже действует на глаза, но не так сильно, как телевизор. Изображение у

мониторов более четкое.

Мониторы бывают разные. Они различаются размерами экранов и качеством

изображения. Размер экрана измеряют дюймами. Если вы не знаете, что такое

дюйм. то возьмите спичку и сломайте ее пополам. Длина такой половинки и

есть дюйм.

Измеряют экран наискосок - между противоположными углами. Обычные

мониторы имеют 14 дюймов. Часто также встречаются мониторы с размером 15

дюймов. Бывают и еще больше, но дома ими редко пользуются.

Если у вас мониторы с размером 14 дюймов, то на него надо обязательно

надеть защитный экран - он намного снизит вред от излучения монитора. БЕЗ

ЗАЩИТНОГО ЭКРАНА РАБОТАТЬ С ОБЫЧНЫМ МОНИТОРОМ НЕЛЬЗЯ!

Гораздо лучше мониторы, у которых размер 15 дюймов. Они стоят дороже,

но их качество выше. С такими мониторами можно работать и без защитного

экрана, хотя он и им не помешает.

МЫШЬ (МЫШКА)

Мышь - очень удобная пластмассовая машинка для употребления

компьютером. Это небольшая коробочка, внутри которой крутится резиновый

шарик. Когда мышка двигается по столу или по специальному коврику, шарик

крутится, а на экране двигается указатель мышки(курсор).

Как и клавиатура и джойстик, мышь служит для управления компьютером.

Это как бы "клавиатура наоборот". У клавиатуры более 100 клавиш, а у мыши-

всего 2, но зато мышь можно катать по столу, а клавиатура стоит на одном

месте.

У мыши есть кнопки. Обычно их две - правая кнопка и левая. На левую

кнопку удобно нажимать указательным пальцем. Поэтому эта кнопка

используется очень часто. (У тех, кто не моет руки перед игрой с

компьютером, эта кнопка особенно быстро пачкается). Правая кнопка

используется реже - когда надо сделать что-то очень хитрое или умное.

Бывают мыши с тремя кнопками. У них между правой и левой кнопками есть

еще средняя кнопка. Эта кнопка замечательна тем, что она одна из самых

бесполезных вещей на свете. Много лет назад были очень умные люди, которые

ее придумали, но программ для таких мышей не делают, а трехкнопочные мыши

еще встречаются.

ПЕРЕМЕЩЕНИЕ КУРСОРА.

Мышка хоть и проста, но с ее помощью можно делать много самых разных

дел. Если катать ее по столу, то по экрану двигается стрелка. Это указатель

мыши или, как его еще называют, курсор. Правда, удобнее катать мышь не по

столу, а по специальному резиновому коврику.

Простой щелчок. Если на экране нужно что-то выбрать, то установите

курсор на том, что хотите выбрать. Затем щелкните один раз ЛЕВОЙ кнопкой -

быстро нажмите на кнопку и отпустите. Поскольку почти всегда используется

именно ЛЕВАЯ кнопка, то о том, что она ЛЕВАЯ, можно и не говорить. Когда о

чем-то не говорят потому, что это само собой разумеется, это называется

молчанием.

Так что если написано, что надо "щелкнуть" кнопкой, то это значит, что

надо щелкнуть ЛЕВОЙ кнопкой. А если надо щелкнуть ПРАВОЙ кнопкой, то пишут

полностью "Щелкните правой кнопкой".

ДВОЙНОЙ ЩЕЛЧОК.

Чтобы запустить программу или открыть на экране окно, делают двойной

щелчок. Двойной щелчок – это два быстрых щелчка. Если щелкнуть один раз,

потом подождать и щелкнуть второй раз, то получится не двойной щелчок, а

два обычных щелчка. Поэтому щелкать надо быстро.

ПРАВЫЙ ЩЕЛЧОК. Это щелчок правой кнопкой. Он применяется довольно

редко и служит для вспомогательных дел. Он применяется довольно редко и

служит для вспомогательных дел. Например, в компьютерных играх с помощью

правого щелчка можно иногда получить полезную подсказку.

ПЕРЕТАСКИВАНИЕ. Выполняется при нажатой левой кнопке. Чтобы на экране

перенести что-то из одного места в другое, делают " перетаскивание". Надо

установить курсор на том значке, который хотите перетащить в другое место,

потом нажать левую кнопку и двигать мышь, не отпуская кнопку. Значок будет

двигаться по экрану вместе с курсором. Он встанет на новое место, когда

кнопка будет отпущена.

ПРОТЯГИВАНИЕ. Протягивание похоже на перетаскивание, только при этом

ничего не передвигается, а только растягивается. Если установить курсор на

рамке какого-нибудь окна или на его углу, курсор изменяет форму и

превращается в стрелку с двумя наконечниками. Нажмите левую кнопку и

подвигайте мышку. Размер окна при этом меняется.

ПРИНТЕР.

Если вам удастся создать что-нибудь на компьютере, например,

нарисовать свой портрет при помощи графического редактора, то, конечно же,

захочется показать его друзьям. А если у друзей нет компьютера? Тогда

хотелось бы напечатать этот рисунок на бумаге.

Чтобы вывести на бумагу информацию, имеющуюся в компьютере, служит

принтер. Принтер - это отдельное устройство. Он подключается к компьютеру с

помощью разъема. Самые первые принтеры для компьютеров печатали очень

медленно и могли напечатать только текст, похожий на тот, что получается на

пишущей машинке. Потом появились принтеры, способные по точкам печатать

картинки.

Сегодня самые популярные принтеры – лазерные. На них получаются

странички, не уступающие по качеству книжным.

СКАНЕР.

Сканер - это как бы принтер "наоборот". С помощью принтера компьютер

печатает на бумаге тексты или картинки. А с помощью сканера - наоборот.

Напечатанные на бумаге тексты или картинки вводят в компьютер.

Сканерами пользуются художники, когда рисуют картинки для компьютерных

игр. Но художники ими пользоваться не очень любят. Они привыкли рисовать

карандашом на бумаге - так получается лучше и быстрее. Поэтому картинки для

игр сначала рисуют карандашом. Потом картинку вводят в компьютер при помощи

сканера. Так нарисованная картинка превращается в данные, которые поступают

в компьютер. На компьютере картинку раскрашивают. Для раскрашивания

используют графический редактор.

Хоть графический редактор и не очень удобен для рисования, для

раскрашивания он подходит очень хорошо.

Сканер так же необходим художнику, как писателю - принтер.

Анализ новых решений построения структуры компьютера показывает, что

процессор, память, устройства ввода - вывода составляют основу любого

компьютера. Рассмотрим наиболее распространенную структурную схему, которая

лежит в основе наиболее часто встречающихся моделей компьютеров, в

частности персональных. Модульность, магистральность,

микропрограммируемость, используется при разработке практически любой

модели компьютера.

Модульность - это построение компьютера на основе набора модулей.

Модуль представляет собой конструктивно и функционально законченный

электронный блок в стандартном исполнении. Это означает, что с помощью

модуля может быть реализована какая-то функция либо самостоятельно, либо

совместно с другими модулями. Организация структуры ЭВМ на модульной основе

аналогична строительству блочного дома, где имеются готовые функциональные

блоки, например санузел, кухня, которые устанавливаются в нужном месте.

Магистральность - это способ связи между различными модулями

компьютеров, т.е. все входные и выходные устройства подсоединены одними и

теми же проводами, называемыми шинами. Как в городе главной артерией

является центральная улица, связывающая центр города с помощью различных

улиц и переулков с домами, кварталами, районами, так и в компьютере главной

артерией является магистраль, по которой происходит основное движение

информации.

Магистраль компьютера состоит из нескольких групп шин, объединенных по

функциональному признаку. Шинами данных служат провода, по которым

передается только информация, шинами адреса-провода, по которым передаются

адреса ячеек и участков памяти, шинами управления-провода, по которым

передаются управляющие сигналы. Магистральный принцип лег в основу

организации интерфейса. Интерфейс - это совокупность аппаратуры сопряжения

и программных средств для организации связи устройств компьютера и самих

компьютеров. Аппаратуру сопряжения составляют электронные модули и шины

предназначенные для выполнения различных функций. Организует работу

аппаратуры сопряжения по передаче информации комплекс специальных программ.

Для реализации принципа микропрограммируемости необходимо наличие в

компьютере так называемой постоянной памяти, в ячейках которой будут

постоянно храниться коды, соответствующие различным комбинациям управляющих

сигналов. Каждая такая комбинация позволяет выполнить элементарную

операцию, т.е. подключить определенные электрические цепи и схемы.

Для того чтобы выполнить элементарную операцию, необходимо задать

управляющий сигнал. Как уже было сказано, он хранится в ячейке постоянной

памяти, имеющей совершенно определенный, конкретный адрес. Значит,

достаточно задать определенную последовательность адресов, чтобы был

сформирован набор управляющих сигналов для выполнения элементарных

операций. Задает эту последовательность адресов микропрограмма, также

хранящаяся в постоянной памяти.

Современный компьютер можно представить в большинстве случаев

упрощенной структурной схемой, где выделены центральная и периферийная

части. К центральной части относятся процессор и внутренняя память, к

периферийной части - устройства ввода-вывода и внешняя память. В основу

упрощенной структурной схемы заложены принципы магистральности,

модульности, микропрограммирумостью.

САМАЯ ГЛАВНАЯ ЧАСТЬ КОМПЬЮТЕРА.

Процессор - это устройство, управляющее ходом вычислительного процесса

и выполняющее арифметическое и логическое действия.

Внутренняя память - это память высокого быстродействия и ограниченной

емкости. При изготовлении блока памяти используют либо электронные схемы на

полупроводниковых элементах, либо ферромагнитные материалы. Конструктивно

он выполнен в одном корпусе с процессором и является центральной частью

ЭВМ. Внутренняя память может состоять из оперативной и постоянной памяти.

Принцип ее разделения такой же, как у человека. Мы обладаем некоторой

информацией, которая хранится в памяти постоянно, а есть информация,

которую мы помним некоторое время, либо она нужна только на тот момент,

пока мы думаем над решением какой-то проблемы.

Оперативная память служит для хранения оперативной, часто изменяющейся

в процессе решения задачи. При решении другой задачи в оперативной памяти

будет храниться информация только для этой задачи. При отключении ЭВМ вся

информация, находящаяся в оперативной памяти, в большинстве случаев

стирается.

Постоянная память предназначена для хранения постоянной информации,

которая не зависит от того, какая задача решается в ЭВМ. В большинстве

случаев постоянной информацией являются программы решения часто

используемых задач, например вычисление функций sin X, cos X, lg X, а также

некоторые управляющие программы, микропрограммы и т.д. Отключение ЭВМ и

включение ее в работу не влияют на качество хранения информации.

Внешняя память предназначена для долговременного хранения информации

независимо от того, работает ЭВМ или нет. Характеризуется она более низким

быстродействием, но позволяет хранить существенно большой объем информации

по сравнению с оперативной памятью. Во внешнюю память записывают

информацию. которая не меняется в процессе решения задачи, программы,

результаты решения и т.д. В качестве внешней памяти используют магнитные

диски. магнитные ленты, магнитные карты, перфокарты, перфоленты. Устройства

ввода - вывода предназначены для организации ввода информации в оперативную

память компьютера или вывода информации из оперативной памяти компьютера во

внешнюю память либо непосредственно пользователю. (НМЛ - накопитель на

магнитной ленте НГМД - накопитель на гибких магнитных дисках, НМД -

накопитель на жестких магнитных дисках, УПК-устройство ввода-вывода с

перфокарт, УПЛ - устройство ввода-вывода с перфолент.

И последнее. Не следует надеяться, что развитие вычислительной техники

как-то кардинально изменит наше существование. Компьютер не более (но и не

менее) чем один из мощных двигателей прогресса (как энергетика,

металлургия, химия, машиностроение), который берет на свои "железные плечи"

такую важную функцию, как рутину обработки информации. Эта рутина всегда и

везде сопровождает самые высокие полеты человеческой мысли.

Самостоятельная работа № 10

Анализ ЭВМ ( Программный принцип работы ПК)

В XIX веке английским математиком и инженером Чарльзом Бэббиджем был разработан проект вычислительной машины, которая предназначалась для автоматического проведения длинных цепочек вычислений. Конструкция его аналитической машины включала 50 тысяч деталей: зубчатых колес, рычагов и пружин, взаимодействовавших определенным образом. Совершенствуя и уточняя конструкцию машины, Бэббидж первым смог выделить необходимые для ее работы части:

• устройство для хранения чисел, как исходных, так и получающихся в результате вычисления;

• специальный вычислительный блок -- процессор;

• устройство для ввода и вывода информации. 

В качестве средства хранения информации в аналитической машине использовалась перфокарта -- картонная прямоугольная пластина с рядами пробитых в ней дырочек. Каждый ряд состоял из двух частей, разделенных столбцом, содержащим отверстия во всех рядах. Первая часть представляла собой запись числа, вторая -- код команды, указывающей, что делать с числом. 

В созданной Бэббиджем аналитической машине присутствовала хранимая в памяти машины программа ее работы. Меняя программу (перфокарту), можно было изменять порядок вычислений, то есть переходить от одной задачи к другой. 

Главной особенностью конструкции этой машины является программный принцип работы. Принцип программы, хранимой в памяти компьютера, считается важнейшей идеей современной компьютерной архитектуры. Суть идеи заключается в том, что 1) программа вычислений вводится в память ЭВМ и хранится в ней наравне с исходными числами; 2) команды, составляющие программу, представлены в числовом коде по форме ничем не отличающемся от чисел.

В основу работы компьютеров положен программный принцип управления, состоящий в том, что компьютер выполняет

действия по заранее заданной программе. Этот принцип обеспечивает универсальность использования компьютера: в

определенный момент времени решается задача соответственно выбранной программе. После ее завершения в память

загружается другая программа и т.д.

Программа - это запись алгоритма решения задачи в виде последовательности команд или операторов языком, который

понимает компьютер. Конечной целью любой компьютерной программы является управление аппаратными средствами.

Для нормального решения задач на компьютере нужно, чтобы программа была отлажена, не требовала доработок и имела

соответствующую документацию. Поэтому, относительно работы на компьютере часто используют термин программное

обеспечение (software), под которым понимают совокупность программ, процедур и правил, а также документации, касающихся

функционирования системы обработки данных.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и взаимодействии. Состав программного

обеспечения вычислительной системы называется программной конфигурацией.

Самостоятельная работа №11

Изучение структурной схемы процессора

В состав микропрограммируемого процессора входят операционный блок, блок микропрограммного управления (БМУ), оперативная память (RAM) и микропрограммная память (MPM). Он может использоваться для выполнения алгоритмов в форме микропрограмм, а также для эмуляции операций в заданной системе команд. В последнем случае для выполнения каждой команды вызывается соответствующая микропрограмма.

Оперативная память содержит 512 16-разрядных слов (1024 байта) с 16-ричными адресами 0-3FF. Микропрограммная память содержит 64 микрокоманды по 64 бит с адресами 0-3F. Оперативная память связана с операционным блоком через регистр чтения RGR, регистр записи RGW и адресный регистр ARAM. С выхода RGR возможны передачи в регистр команд RGK, на мультиплексор MS, как код одного из операндов, и на шину Y для записи в регистровое запоминающее устройство (РЗУ). Возможно чтение в RGR как слова, так и отдельно старшего или младшего байта. Структурная схема микропрограммируемого процессора приведена на рисунке.

Структура микропрограммируемого процессора

Операционный блок

В операционный блок входят блок внутренней памяти, арифметико-логический блок, блок рабочего регистра.

Блок внутренней памяти включает в себя регистровое запоминающее устройство (РЗУ), состоящее из шестнадцати 16-разрядных регистров, предназначенных для хранения операндов и результатов (названия регистров приведены в табл. 2), мультиплексор адреса MX, регистры RGA и RGB.

Чтение РЗУ происходит одновременно по адресам А и В в регистры RGA и RGB соответственно. Запись происходит по адресу В. Адреса А и В поступают на РЗУ из одноименных полей микрокоманды или из полей reg1, reg2, r/m регистра команд RGK. Выбор источника адреса осуществляется схемой мультиплексора адреса MX под управлением полей МА и МВ микрокоманды.

Арифметико-логический блок включает в себя мультиплексоры операндов MR и MS, управляемые полем микрокоманды SRC, арифметико-логическое устройство ALU, сдвигатель SDA и регистры флажков RFI и RFD. ALU и сдвигатель управляются соответственно полями микрокоманды ALU и SH.

Флажки формируются и хранятся только на время исполнения текущей микрокоманды. При необходимости они переписываются в регистр длительного хранения RFD. Обозначение флажков: N — знак минус (старший бит результата), Z — признак нуля, V — признак переполнения, C — перенос из старшего бита, M — признак переноса при выполнении операции умножения на два разряда, Р – признак паритета (нечетное число единиц в результате).

Блок рабочего регистра состоит, собственно, из рабочего регистра RGQ и сдвигателя CP. RGQ используется при умножении, делении, двойном сдвиге, а также как аккумулятор и один из источников операнда S. Запись в него производится с выхода ALU со сдвигом вправо, влево или без сдвига.

Самостоятельная работа № 12

Изучение структурной схемы процессора

Главным устройством любой ЭВМ является центральный процессор. Он выбирает из памяти команды программы и выполняет их. Обычный цикл работы центрального процессора выглядит так: он читает первую команду из памяти, декодирует ее для определения ее типа и операндов, выполняет команду, затем считывает, декодирует и выполняет последующие команды. Таким образом, осуществляется выполнение программ. Пример выполнения команд процессором можно посмотреть здесь.

     Ранее было отмечено, что каждый процессор характеризуется набор команд, который он в состоянии выполнить. Например, процессор Pentium фирмы не может обработать программы, написанные для процессора SPARC фирмы Sun, а SPARC не может выполнить программы, написанные для Pentium.

Укрупненную структурную схему типичного процессора можно представить в виде трех основных блоков: управляющего блока УБ, операционного блока ОБ и интерфейсного блока ИБ. Управляющий блок выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов, а так же генерирует последовательности микрокоманд, реализующих команды процессора. Он содержит устройство управления, прерывания, синхронизации. Операционный блок служит для обработки данных. Он объединяет арифметико-логическое устройство АЛУ, регистры общего назначения РОН и специальные регистры. АЛУ выполняет арифметические (сложение, вычитание и т.п.) и логические (логическое И, ИЛИ и т.п.) операции. Регистры являются своего рода памятью ОБ, предназначенной для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления, информацию о состоянии процессора. Информация из них считываются и записываются очень быстро, поскольку они находятся внутри процессора. Регистров может быть от несколько десятков до нескольких сотен штук в зависимости от типа процессора. Большим количеством регистров характеризуются RISC - процессоры, а небольшим - CISC - процессоры

     Интерфейсный блок ИБ позволяет подключить память и периферийные устройства к процессору. ИБ выполняет также функции канала прямого доступа к памяти. Интерфейс процессора содержит информационные шины данных ШД, адресов ША и управления ШУ. Надо заметить, что такое распределение аппаратных блоков процессора между функциональными частями весьма условно и приводится для примера.

Процессор выполняет каждую команду за несколько шагов:      1. вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд;      2. меняет положение счетчика команд, который теперь должен указывать на следующую команду;      3. определяет тип вызванной команды;      4. если команда использует данные из памяти, определяет место нахождение данных;      5. переносит данные в регистр процессора;      6. выполняет команду;      7. переходит к 1 шагу, что бы начать выполнение следующей команды.

Эта последовательность шагов (выборка – декодирование – исполнение) является основой работы для всех процессоров.

Упрощенная структурная схема типичного процессора изображена на следующем рисунке. 

     Кроме регистров общего назначения РОН, используемых для хранения переменных и временных результатов, большинство процессоров имеют несколько специальных регистров, также доступных для программиста. Один из них называется счетчиком команд СчК, в котором содержится адрес следующей, стоящей в очереди на выполнение команды. После того как команда выбрана из памяти, регистр команд корректируется и указатель переходит к следующей команде. Регистр процессора, служащий для организации стековой памяти, называется указателем стека УС. Он содержит адрес вершины стека в памяти. Стек содержит по одному фрейму (области данных) для каждой процедуры, которая уже начала выполняться, но еще не закончена. В стековом фрейме процедуры хранятся ее входные параметры, а также локальные и временные переменные, не хранящиеся в регистрах.

     Первый байт любой команды поступает из ОЗУ по шине данных на регистр команд РК. Этот первый байт подается в управляющий блок УБ, который определяет вид операции. В частности, он определяет, является ли команда однобайтовой, или она состоит из большего числа байтов. В последнем случае дополнительные байты передаются по шинам данных из ОЗУ и принимаются или в регистр адреса РА данных, или в один из регистров РОН

     Регистр адреса данных РА содержит адрес операнда для команд, обращающихся к памяти, адрес порта для команд ввода/вывода или адрес следующей команды для команд перехода. Регистры РОН могут содержать операнды для всех команд, работающих с данными. Среди РОН есть специальный регистр результата РР или аккумулятор, участвующий во всех арифметических и логических операциях. В частности, он содержит один из операндов перед выполнением операции и получает результат после ее завершения. Все арифметические и логические операции выполняются в арифметико – логическом устройстве АЛУ. Результаты из АЛУ передаются либо в РР, либо в какой-то из регистров РОН.

     Процессор имеет регистр признаков РП, содержащий в своих разрядах значения, которые отражают результаты выполнения некоторых команд процессора, приоритет текущей программы, режим работы процессора (пользовательский или режим ядра). Также РП содержит другую служебную информацию. Обычно пользовательские программы могут читать весь регистр РП целиком, но изменять могут только некоторые из его полей. Регистр РП играет важную роль в системных вызовах и операциях ввода-вывода.

     В управляющем блоке УБ дешифрируется и анализируется код команды, поступающий из РК. В УБ из АЛУ и от триггера переноса поступают сигналы, по которым определяются условия для передачи управления. Все остальные компоненты процессора получают от УБ управляющие и синхронизирующие сигналы, необходимые для выполнения команды.

     Операционная система должна знать все обо всех регистрах. При временном мультиплексировании центрального процессора операционная система часто останавливает работающую программу для запуска (или перезапуска) другой программы, например, обслуживающей периферийное устройство. Каждый раз при таком процессе, называемом прерыванием, операционная система должна сохранять значения тех регистров процессора, которые будут востановленны позже, для того чтобы прерванная программа продолжила свою работу без потери данных, с того места, где она была прервана.

     В целях улучшения характеристик центральных процессоров их разработчики давно отказались от простой модели, в которой за один такт может быть считана, декодирована и выполнена только одна команда. Многие современные процессоры обладают возможностями выполнения нескольких команд одновременно. Например, у процессора могут быть раздельные модули, занимающиеся выборкой, декодированием и выполнением команд, и во время выполнения команды с номером n он может декодировать команду с номером n + 1 и считывать команду с номером n + 2. Подобная организация процесса называется конвейером. Более передовым по сравнению с конвейерной конструкцией является суперскалярный процессор. В этой структуре присутствует множество выполняющих узлов: один для целочисленных арифметических операций, второй - для операций с плавающей точкой и еще один - для логических операций. За один такт считывается две или более команды, которые декодируются и сбрасываются в буфер хранения, где они ждут своей очереди на выполнение. Когда выполняющее устройство освобождается, оно заглядывает в буфер хранения, интересуясь, есть ли там команда, которую оно может обработать, и если да, то забирает ее и выполняет. В результате команды часто исполняются не в порядке их следования. В большинстве случаев аппаратура должна гарантировать, что результат совпадет с тем, который выдала бы последовательная конструкция

     Большинство процессоров, используемых в современных ЭВМ, имеют два режима работы: режим ядра и пользовательский режим. Обычно режим задается битом РП или слова состояния процессора. Если процессор запущен в режиме ядра, он может выполнять все команды из набора инструкций и использовать все возможности аппаратуры. Операционная система работает в режиме ядра, предоставляя доступ ко всему оборудованию.

     В противоположность этому программы пользователей работают в пользовательском режиме, разрешающем выполнение подмножества команд и делающем доступным лишь часть аппаратных средств. Как правило, все команды, включая ввод-вывод данных и защиту памяти, запрещены в пользовательском режиме. Установка бита режима ядра в регистре признаков РП пользовательском режиме естественно, недоступна.

     Для связи с операционной системой пользовательская программа должна сформировать системный вызов, который обеспечивает переход в режим ядра и активизирует функции операционной системы. После завершения работы управление возвращается к пользовательской программе, к команде, следующей за системным вызовом.

     Стоит отметить, что в компьютерах, помимо инструкций для выполнения системных вызовов, есть и другие прерывания. Большинство этих прерываний вызываются аппаратно для предупреждения об исключительных ситуациях, таких как попытка деления на ноль или переполнение при операциях с плавающей точкой. Во всех подобных случаях управление переходит к операционной системе, которая должна решать, что делать дальше. Иногда нужно завершить программу с сообщением об ошибке. В других случаях ошибку можно проигнорировать (например, при потере значимости числа его можно принять равным нулю). Наконец, если программа объявила заранее, что требуется обработать некоторые виды условий, управление может вернуться назад к программе, позволяя ей самой разрешить появившуюся проблему.

Блок микропрограммного управления

В состав данного блока входят:

- схема управления последовательностью микрокоманд (УПМ);

- микропрограммная память (МРМ) емкостью 64 64-битных микрокоманд;

- регистр микрокоманд RgMK;

- схема формирования признака STOP.

Основная функция УПМ — формирование последовательности адресов микрокоманд и организация циклических вычислительных процессов. В схеме управления последовательностью микрокоманд можно выделить шесть основных блоков: мультиплексор адреса MUAD, счетчик микрокоманд СМК, счетчик циклов RAСТ, аппаратный стек, схему управления следующим адресом УСА. Все элементы схемы имеют разрядность 16.

Мультиплексор адреса MUAD выбирает в качестве адреса содержимое СМК, стека или прямой выход с шины DA. Адрес на эту шину может поступить из поля константы микрокоманды или с преобразователя начального адреса РА. Выход MUAD соединен с адресным входом микропрограммной памяти МРМ и входом СМК.

Регистр счетчика циклов RACТ используется для записи и хранения числа циклов, поступающего с шины DA.

В аппаратном стеке емкостью 2 слова с указателем стека STP хранятся адреса возврата из подпрограмм.

Схема управления следующим адресом формирует этот адрес под управлением поля СНА. В состав УСА входят мультиплексор кода условия (МКУ) и инвертор кода условия (ИКУ). Мультиплексор кода условия связан по входу с регистрами флажков RFl и RFD. Выбор анализируемых флажков при формировании кода условия Х, а также признака безусловного перехода выполняется полем СС и битами J и F поля JFI. ИКУ инвертирует сигнал Х, если бит I поля JFI равен 1.

Самостоятельная работа № 14

Изучение структурной схемы процессора (функциональная)

Рисунок 1.4. Функциональная схема процессора ARM7TDMI

Несмотря на огромное разнообразие вычислительной техники и ее необычайно быстрое совершенствование, фундаментальные принципы устройства машин во многом остаются неизменными. В частности, начиная с самых первых поколений, любая ЭВМ состоит из следующих основных устройств: процессор, память (внутренняя и внешняя) и устройства ввода и вывода информации. Рассмотрим более подробно назначение каждого из них.

Процессор является главным устройством компьютера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессора является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно наиболее важными частями процессора являются арифметико-логическое устройство АЛУ и устройство управления УУ.

Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Каков именно этот набор, определяется устройством конкретного процессора, но он не очень велик и в основном аналогичен для различных процессоров. Работа ЭВМ состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной команды, ее анализ и выполнение, а также при необходимости принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.

Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной информации, в нем сознательно не предусмотрено место для хранения программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство - память. Мы рассмотрим лишь наиболее важные виды компьютерной памяти, поскольку ее ассортимент непрерывно расширяется и пополняется все новыми и новыми типами.

Память в целом предназначена для хранения как данных, так и программ их обработки: согласно фундаментальному принципу фон Неймана, для обоих типов информации используется единое устройство.

Начиная с самых первых ЭВМ, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю. Исторически это действительно было связано с размещением внутри или вне процессорного шкафа. Однако с уменьшением размеров машин внутрь основного процессорного корпуса удавалось поместить все большее количество устройств, и первоначальный непосредственный смысл данного деления постепенно утратился. Тем не менее, терминология сохранилась.

Под внутренней памятью современного компьютера принято понимать быстродействующую электронную память, расположенную на его системной плате. Сейчас такая память изготавливается на базе самых современных полупроводниковых технологий (раньше использовались магнитные устройства на основе ферритовых сердечников - лишнее свидетельство тому, что конкретная физические принципы значения не имеют). Наиболее существенная часть внутренней памяти называется ОЗУ - оперативное запоминающее устройство. Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Наверное, каждому пользователю известно, что при выключении питания содержимое ОЗУ полностью теряется. В состав внутренней памяти современного компьютера помимо ОЗУ также входят и некоторые другие разновидности памяти, которые при первом знакомстве можно пропустить. Здесь упомянем только о постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), в котором в частности хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, информация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера (для лучшего понимания можно указать на некоторую аналогию между информацией в ПЗУ и “врожденными” безусловными рефлексами у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его даже не извлекая из компьютерной платы.

Внешняя память реализуется в виде довольно разнообразных устройств хранения информации и обычно конструктивно оформляется в виде самостоятельных блоков. Сюда, прежде всего, следует отнести накопители на гибких и жестких магнитных дисках (последние несколько жаргонно пользователи часто именуют винчестерами), а также оптические дисководы (устройства для работы с CD ROM). В конструкции устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому скорость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Тем не менее, внешняя память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования. Подчеркнем, что информация во внешней памяти прежде всего предназначена для самого компьютера и поэтому хранится в удобной ему форме; человек без использования машины не в состоянии, например, даже отдаленно представить содержимое немаркированной дискеты или диска CD ROM.

Самостоятельная работа № 15

Изучение структурной схемы процессора (схема питания процессора)

Задача питания современных процессоров сложна уже потому, что им требуется до 130 Вт, при токах нагрузки до 80 ампер. Это не простая задача не только для источника питания, но для линий подачи питания. Поскольку при напряжении питания 1,65 - 1,5 В, потеря на проводах, разъемах, пайках хотя бы 0,3 В приводит не только к их разогреву, но и нестабильности напряжения, поскольку потребляемый процессором ток меняется в зависимости от его загрузки. 

Для решения этой проблемы существовало простое и оригинальное решение - это получение нужного напряжения в непосредственной на системной плате от преобразователя напряжения с индуктивным накопительным элементом (инвертора). Кроме способности формировать необходимые напряжения, простого его регулирования данное устройство имеет высокий КПД. Из последнего вытекает способность потреблять от блока питания компьютера меньший ток чем отдается в нагрузку.

Из соотношения

 

P_бп = P_проц/КПД 

 

следует

 

I_бп = 1/КПД х А х I_проц

 

Здесь А = U_проц /U _бп  для U_проц = 1,65 В и U_бп = 5 В имеем А =0,33.

При КПД равном 85% (минимальный 75%) ток потребляемый от БП (блока питания) компьютера составляет I_проц = 50 А. Этот ток меньше потребляемого процессором почти в 2 раза.

У такой схемы был один недостаток мощность такого инвертора при малых габаритах не превышает 30 Вт. Но был найден выход, он заключался в параллельном включении нескольких синхронно работающих инверторов, они работают со сдвигом по времени равным T*N=1/F. T - период следования одного инвертора, а N - число инверторов, F-частота коммутации.

Такая схема названа многофазной.

Количество фаз определяется количеством параллельно включенных на одну нагрузку (процессор, память, северный мост) инверторов. Это в свою очередь позволяет увеличить ток в нагрузке при сохранении номинального тока каждого инвертора или уменьшить ток каждого инвертора.  В разные времена применялись инверторы имеющие от трех фаз до (теперь) 8-12 фаз. Причем на системной плате ASUS Maximus Formula  при снижении потребляемого тока инвертор переходит из 8 фазного в 4 фазный режим.  Применение многофазных инверторов вызвано токами в цепи питания некоторых процессоров, достигшими 100А. 

8-12 фазные инверторы позволяют при меньшем рабочем токе каждого инвертора (и соответственно облегченном тепловом режиме силовых ключей) получить больший суммарный выходной ток, снизить пульсации выходного напряжения при той же емкости фильтрующих конденсаторов фильтра. Облегчение теплового режима позволяет выполнить инвертор в интегральном исполнении. Кроме того меньшая мощность, приходящаяся на каждую фазу инвертора, позволяет разгрузить накопительную индуктивность L1. Это уменьшение ее нагрева.  

Схема инвертора.

 

С ростом числа фаз наблюдается и рост времени ожидания каждого инвертора. Это как уже говорилось выше благотворно сказывается на стабильности питающего напряжения процессора. Если не вдаваться в формулы и графики, это можно объяснить так:  - спад тока на вершине импульса тока инвертора (а значит и его стабильность) определяется обычно техническими условиями на него от 0,1 до 0,01 от номинала. Причем чем меньше спад тока, тем больше необходима индуктивность накопительного дросселя L1.  Но эту индуктивность нельзя делать очень большой.  Первая причина в том, что за время равное (T*N= 1/F, где N - число фаз, F - частота коммутации) эта индуктивность должна успеть накопить необходимую энергию.  Вторая причина в том, что чем больше величина накопительной индуктивности (НИ) инвертора - L1 тем больше сопутствующая ей индуктивность рассеяния этой НИ. А индуктивность рассеяния определяет величину выброса на фронте импульса. Чем она больше тем больше и амплитуда выброса. Индуктивность рассеяния минимизируется, но она есть, как есть и выбросы. При увеличении N, за отведенное  время (T*N), большая накопительная индуктивность L1 успеет запасти необходимую энергию. Это значит спад тока нагрузки на вершине будет меньше чем в 1-4 фазном инверторе . В этом преимущество больших N.

 

Внешний вид инвертора.

 

 

Нижний график - осциллограммы 3х фаз инверторов (каждая своим цветом),  верхний- результирующая осциллограмма с утроенной частотой.

 

 

 

 

Самостоятельная работа № 16

Изучение структурной схемы процессора

На рисунке показана структурная схема МП Intel 8080. В правой части рисунка расположен блок регистров и буферный регистр адреса. В центре рисунка расположен буфер шины данных, под ним регистр команд и дешифратор команд. В левой части рисунка показано арифметическо-логическое устройство» в состав которого входит комбинационная схема АЛУ, регистр признаков, схема десятичной коррекции, аккумулятор и регистр временного хранения. Устройство синхронизации и управления, а также работа шин ввода/вывода будут рассмотрены в гл. 7 и 8. Регистры МП Intel 818Э. Микропроцессор Intel 8080 содержит следующие регистры: шесть 8-битных регистров общего назначения с именами В, С, D, Е, Н, L, один 16-битнын указатель стека, один 16-битный счетчик команд, два 8 битных регистра временного хранения (W и Z). Шесть 8-битных регистров могут быть сгруппированы в три 16-битных регистровых пары (В и С, D и Е, Н и L), первый из названных в паре регистров содержит восемь старших значащих бит, и вся пара может носить его имя (В, D и Н). Регистровая пара Н (регистры Н и L) используется в качестве регистра начального адреса Ячейка памяти, адресуемая содержимым Н и L, может быть использована в качестве регистра общего назначения, кроме тех случаев, когда центральному процессору необходим оосуществить передачу данных в схему ИЛИ из этой регистровой пары. Другие пары регистров также могут использоваться в качестве регистра адреса, но только с целью загрузки или запоминания содержимого аккумулятора В блоке регистров имеется возможность выполнять простые арифметические операции. Специальными командами можно увеличивать или уменьшать на 1 содержимое 16-битного указателя стека и любой 16-разрядной регистровой пары. Лва 8-битных регистра временного хранения и схема инкрементора/ декрементора позволяют маннпулнроьать с I"-битными адресами без участия аккумулятора и АЛУ. Счетчик команд также без участия АЛУ автоматически иякрементируется после каждого цикла выборки. Указатель стека автоматически инкрементируется после того, как байт данных выдается из стека в шину, и де-кременгируется перед тем, как байт данных будет передан из шины в стек. Стех загружается данными по содержимому регистра—указателя стека в порядке убывания адресов (от старшего к младшему).

Устройство управления МП Intel 8Э83 состоит из 8-битного регистра команд и дешифратора команд. Команда загружается из шины данных в регистр команд через буферную схему шины данных. Арифметическое устройство МП Intel 8080 состоит из 8-битного АЛУ, схемы десятичного корректора, пяти триггеров признаков, аккумулятора (или регистра А) и регистра временного хранения данных.

Арифметическо-логическое устройство содержит схемы для выполнения операций сложения, вычитания, реализации четырех основных логических функций (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и НЕ) и операций сдвига. При выполнении арифметических я логических операций один операнд всегда извлекается из аккмулятора, а другой — из регистра временного хранения. Последний может загружаться содержимым любого из регистров общего назначения либо из ячейки памяти, адресуемой регистровой парой Н и L. Он загружается через 8-битную внутреннюю шину, что является частью цикла выполнения команды. Схема десятичной коррекции включается специальной командой и позволяет АЛУ, использующему двоичную арифметику, выполнять сложение по правилам десятичной двоично-кодированной арифметики. В МП Intel 8080 имеются пять признаков: ПЕРЕНОС, НУЛЬ, ЗНАК (самый старший разряд) ЧЕТНОСТЬ (НЕЧЕТНОСТЬ), ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС (или Г10Л У ПЕРЕ НОС). Микропроцессор не имеет признака переполнения, при получении дополнительного кода числа.  

Самостоятельная работа № 17

Изучение структурной схемы процессора (внутренняя структура 8086)

Intel 8086 (также известный как iAPX86) — первый 16-битный микропроцессор компании Intel, разрабатывавшийся с весны 1976 года и выпущенный 8 июня 1978 года. Процессор имел набор команд, который применяется и в современных процессорах, именно от этого процессора берёт своё начало известная на сегодня архитектура x86. Основными конкурентами микропроцессора i8086 были Motorola 68000, Zilog Z8000, чипсеты F-11 и J-11 семейства PDP-11, MOS Technology 65C816. В некоторой степени, в области военных разработок, конкурентами являлись процессоры-реализации MIL-STD-1750A. Аналогами микропроцессора i8086 являлись такие разработки, как NEC V30, который был на 5 % производительнее i8086, но при этом был полностью с ним совместим. Советским аналогом являлся микропроцессор К1810ВМ86, входивший в серию микросхем К1810.

<< Intel 8086 >> Центральный процессор
Микропроцессор Intel 8086
Производство:	8 июня 1978
Производители: Intel Corp. AMD, Harris (Intersil), Texas Instruments NEC, OKI Fujitsu, Mitsubishi Siemens, MHS
Частота ЦП:	4—10 МГц
Технология производства:	HMOS, CHMOS, 3 мкм
Наборы инструкций:	x86
Разъём:	DIP40, QFP56, PLCC44

Микропроцессор KP1810BM86, советский клон Intel 8086

Система команд процессора i8086 состоит из 98 команд (и более 3800 их вариаций): 19 команд передачи данных, 38 команд их обработки, 24 команды перехода и 17 команд управления процессором. Возможно 7 режимов адресации. Микропроцессор не содержал команды для работы с числами с плавающей запятой. Данная возможность реализовывалась отдельной микросхемой, называемой математический сопроцессор, который устанавливался на материнской плате. Сопроцессор, вовсе не обязательно должен был быть произвёден Intel (модель i8087), к примеру, некоторые производители микросхем, такие, как Weitek, выпускали более производительные сопроцессоры, чем Intel. Система команд процессора i8086 включает в себя несколько очень мощных строчных инструкций. Если инструкция имеет префикс REP (повтор), то процессор будет выполнять операции с блоками – перемещение блока данных, сравнение блоков данных, присвоение определённого значения блоку данных определенной величины, и т.д., то есть одна инструкция 8086 с префиксом REP может выполнять 4-5 инструкций выполняемых на некоторых других процессорах. Но следует упомянуть, что подобные приёмы были реализованы и в других процессорах, Zilog Z80 имел инструкции перемещения и поиска блоков, а Motorola 68000 может выполнять операции с блоками, используя всего две команды. В микропроцессоре i8086 была использована примитивная форма конвейерной обработки. Блок интерфейса с шиной подавал поток команд к исполнительному устройству через 6-байтовую очередь команд. Таким образом, выборка и выполнение новых команд могли происходить одновременно. Это значительно увеличивало пропускную способность процессора и лишало необходимости считывать команды из медленной памяти.

Самостоятельная работа № 18

Изучение структурной схе­мы процессора(AMD)

Перейдем к рассмотрению микроархитектуры про­цессора AMD Athlon 64, который лежит в основе процессоров 10 поколения (Phenom II). Как ожидается, в середине 2010 года на смену этой отлично обкатанной, но устаревшей архитектуре придет новая, известная в данный момент под кодовым именем Bulldozer.

AMD Athlon 64

Существует достаточно много версий ядра про­цессоров AMD Athlon 64, которые различаются технологией производства, размером кэш-памяти и другими незначительными изменениями архи­тектуры.

Однако в основе всех этих ядер лежит одна и та же микроархитектура. Микроархитектура AMD существенно отличается от рассмотренной микроархи­тектуры процессоров Intel. Сравнивая конструктивную схему ядра процессора на основе микроархитектуры AMD 64 со схемой легендарного К7 (ядра, ставшего основой процессоров AMD Athlon), можно заметить, что общих черт у них больше, чем различий. Однако, несмотря на внешнее сходство, новое ядро процессора все же претерпело существенные изменения. Итак, обо всем по порядку.

Ядро процессора

Схема работы ядра нового процессора в полной мере соответствует рассмотренной схеме «классического» процессора. Поток инструкций в формате х86-64 ISA (о том, что это такое, мы расскажем чуть позже) поступает в схему предпроцессора (Front End) из кэша L1. Кэш первого уровня (L1) остался точно таким же, как и в процессорах семейства Athlon ХР, то есть имеет общий размер 128 Кбайт и разделен на кэш данных (D-cache) и кэш инструкций (I-cache), каждый размером по 64 Кбайт. Кэш L1 остался ассоциативным двухканальным с размером кэш-блока 64 байт. Кэш инструкций поддерживает два набора дескрипторов (тегов): fetch port (порт выборки) и snoop (слежение).

Архитектура процессора AMD Athlon 64

Кэш данных поддерживает 40-битный физический и 48-битный линейный адреса и уже три типа тегов: port A, port В и snoop. Кроме того, кэш данных поддерживает две 64-битные операции записи/чтения за один такт в различные банки кэша. Кэш второго уровня (L2) может иметь максимальный размер до 1 Мбайт. Сам кэш является эксклюзивным по отношению к кэшу L1,16-канальным, ассоциативным. Как и в большинстве современных х86-совместимых процессоров, имеющих внут­реннюю RISC-архитектуру, в процессоре с архитектурой AMD 64 внешние CISC- команды декодируются во внутренние RISC-инструкции, для чего используется декодер команд.

Сначала инструкции х86 разделяются на большие (Large х86 Instruction) и малень­кие (Small х86 Instruction). Большие, или сложные, инструкции поступают в программный (Microcode Engine) декодер, а маленькие, или простые, — в аппа­ратный (Fastpath) декодер. Оба декодера выполняют одну и ту же задачу — транс­лируют х86-инструкции в простейшие машинные команды (микрооперации), на­зываемые Ops. Сами х86-команды могут быть переменной длины, а вот длина микроопераций уже фиксированная.

Простые инструкции при декодировании представляются с помощью двух-трех Ops-команд, и с этой задачей вполне может справиться аппаратный декодер, по­строенный на логических схемах. Сложные команды при декодировании могут представляться несколькими десятками и даже сотнями Ops-инструкций. Чтобы их декодировать, используется специализированный программный декодер, пред­ставляющий собой своеобразный процессор. Такой декодер содержит программный код, хранящийся в MIS (Microcode Instruction Sequencer), на основе которого воспроизводится последовательность Ops-инструкций.

Структурная схема процессора AMD Athlon 64

Каждый из двух декодеров может обрабатывать инструкцию длиной до 16 байт и выдавать по три Ops-инструкции за такт, поэтому в общей сложности оба деко­дера производят шесть декодированных инструкций за каждый такт процессора.

Попутно отметим, что декодер в новом ядре претерпел существенные изменения. Именно в него были добавлены две ступени конвейера по сравнению с ядром про­цессора Athlon ХР. Кроме того, известно, что если в ядре Athlon ХР команды SSE декодировались с использованием Microcode Engine, то есть считались сложными, то в новом ядре эти команды декодируются с использованием Fastpath, то есть являются простыми.

После прохождения декодера Ops-инструкции (по три за каждый такт) поступа­ют во временный буфер хранения, называемый Instruction Control Unit (ICU). Этот буфер рассчитан на хранение 72 декодированных инструкций. Впрочем, хра­нение — не единственное предназначение ICU, а его главная задача заключается в диспетчеризации трех инструкций за такт по функциональным устройствам. То есть ICU распределяет инструкции в зависимости от их назначения и посы­лает инструкции по работе с целыми числами в целочисленный планировщик (Int. Scheduler), а инструкции для работы с вещественными числами — в плани­ровщик для работы с вещественными числами (FPU Scheduler).

Планировщик для работы с вещественными числами рассчитан на 36 инструкций (как и в процессоре Athlon ХР), и его основная задача заключается в том, чтобы распределять команды по исполнительным блокам по мере их готовности. Про­сматривая все 36 поступающих инструкций, FPU-планировщик переупорядочи­вает следование команд, строя спекулятивные предположения о дальнейшем ходе программы, чтобы создать несколько полностью независимых друг от друга очере­дей инструкций, которые можно выполнять параллельно. В ядре процессора име­ются три исполнительных блока нужных в работе с вещественными числами (FADD, FMUL и FMISC), поэтому FPU-планировщик должен формировать по три инструк­ции за такт, направляя их на исполнительные блоки.

Все целочисленные инструкции направляются в планировщик инструкций для работы с целыми числами, образованный тремя станциями резервирования (RES), каждая из которых рассчитана на восемь инструкций. Все три станции, таким об­разом, формируют планировщик на 24 инструкции (емкость аналогичного плани­ровщика в процессоре Athlon ХР составляла 18 инструкций). Этот планировщик выполняет те же функции, что и FPU-планировщик. Различие заключается в том, что в процессоре имеется семь функциональных исполнительных блоков по ра­боте с целыми числами (три устройства ALU, три устройства AGU и одно устрой­ство MULT).

Исполнительные устройства также претерпели некоторые изменения по сравнению с процессором Athlon ХР. Как уже отмечалось, для работы с вещественными чис­лами реализовано три функциональных устройства FPU, каждое из которых пред­ставляет собой 17-ступенчатый конвейер (как и в процессоре Athlon ХР), то есть  в работе с вещественными числами предусмотрено три разделенных конвейера. Подобная реализация блока FPU позволяет выполнять до трех вещественных операций за такт, причем такая производительность является рекордной для х86-совместимых процессоров.

Блок операций с целыми числами также полностью конвейеризирован, но по сравнению с процессором Athlon ХР длина конвейера увеличена с 10 до 12 сту­пеней. Блок состоит из трех распараллеленных частей, что в итоге позволяет выполнять три целочисленные операции за один такт (кроме умножения). В умножении требуется три такта в случае 32-битных чисел и пять тактов в случае 64-битных.

Говоря об архитектурных особенностях нового ядра, нельзя не упомянуть об изме­нениях, коснувшихся кэша TLB (Translation Look-aside Buffers). Кэш TLB — это специальный кэш процессора, хранящий карту декодированных адресов инструк­ций и данных, что позволяет значительно сократить время доступа к ним. Данный кэш предназначен для уменьшения времени преобразования виртуального адреса данных или инструкций в физический. Дело в том, что процессор, в силу своих особенностей, не может хранить и использовать физические адреса, а пользуется виртуальной адресацией. Преобразование виртуального адреса в физический за­нимает приблизительно три такта процессора. TLB-кэш хранит результаты преды­дущих преобразований, благодаря чему преобразование адреса данных, использо­вавшихся ранее, возможно осуществлять за один такт.

Ядро процессора имеет двухуровневый TLB (LI TLB и L2 TLB), также разделя­ющийся на буфер данных и буфер инструкций. LI TLB кэширует 40 адресов инструкций и 40 адресов данных. Этот кэш является полностью ассоциативным и поддерживает страницы емкостью как 4 Кбайт, так и 2 или 4 Мбайт.

Кэш L2 TLB является четырехканальным ассоциативным кэшем с поддержкой страниц емкостью 4 Кбайт. Этот кэш рассчитан на 512 записей, что в два раза боль­ше, чем в процессоре Athlon ХР.

Самостоятельная работа № 19

Изучение структурной схе­мы процессора (INTEL)

Как известно, осенью прошлого года компания Intel представила первые процессоры с новой микроархитектурой Core i7, являющейся развитием ранее существовавшей Core. Вместе с этим произошло и обновление всей платформы, о ряде изменений которой мы уже говорили в обзоре чипсета Intel X58 Express. Но заглянем в саму структуру новой архитектуры самих CPU. Какие изменения произошли там? Правда, прежде чем задаться этим вопросом, возникает еще один: " А что плохого было в "старой" Core?" Ведь так удачно дебютировавшие процессоры Core 2 в целом до сих пор сохраняли лидирующие позиции по производительности и если в чем и уступали решениям AMD, то разве что только в соотношении цена/производительность. Но не для снижения же цен была разработана новая микроархитектура. Так что, прежде чем приступать к изучению самой Core i7, взглянем, что именно так не устраивало Intel в самой Core, что потребовалось ее менять.

 

А ведь была еще и NetBurst

 

Тот, кто постоянно интересуется развитием IT-рынка, конечно, должен помнить, в каких условиях происходило рождение Core и появление первых процессоров Core 2 Duo. Существовавшая до этого микроархитектура NetBurst выглядела тупиковой еще задолго до вышеназванного момента, но Intel почему-то упорно пыталась продлить ей жизнь самыми очевидными и недальновидными способами - наращиванием объема кэш-памяти и увеличением тактовых частот. В результате мы получили целый ряд не самых быстрых по тем временам процессоров с просто жутким, особенно в соотношении с производительностью, уровнем тепловыделения. А тут еще и практически единственный конкурент - компания AMD - завалил рынок более дешевыми CPU Athlon 64/X2, превосходящими ряд моделей Pentium 4 как по производительности, так и по цене. По всей видимости, Intel ко всему этому оказалась не готовой, и в какой-то момент стало понятно, что для сохранения позиций на рынке компании требовалось уже революционное решение. Мы уже знаем, что таким решением стала микроархитектура Core. Причем, очевидно, что разработка ее производилась в крайне сжатые сроки, и вся эволюция NetBurst на этапе своего заката была лишь способом тянуть время, необходимое на разработку и производство Core 2 Duo.

 

Причем, если взглянуть на структуру Conroe - первого ядра Core 2 Duo, можно сделать предположение, что изначально Intel даже не ставила задачи разработать архитектуру, ориентированную на создание двухъядерных и тем более четырехъядерных процессоров. Если посмотреть на Core 2 Duo "свежим" взглядом, вполне можно сделать предположение: то, что нам пытались выдать за намеренно достигнутые преимущества новых CPU, например, наличие разделяемой кэш-памяти L2, на самом деле может являться следствием того, что Conroe "слеплено" из двух изначально одноядерных процессоров. И, действительно, в то время на рынке были гораздо более востребованы быстрые одноядерные процессоры, а реальная, а не маркетинговая потребность в двухъядерных значилась лишь в туманной перспективе.

 

В результате ставки Intel оказались верными. Получившиеся действительно быстрыми исполнительные ядра Core 2 Duo позволяли получать разительный отрыв от конкурирующих AMD Athlon X2 как в однопоточных приложениях, где преимуществом был еще и огромный по тем временам объем выделяемой кэш-памяти L2, так и при загрузке двух ядер сразу. И даже Core 2 Quad, которые упрощенно можно считать парой слепленных Core 2 Duo, оказались явно быстрей столь долго ожидаемых поклонниками "настоящих" четырехъядерных CPU AMD Phenom X4. И это несмотря на то, что способ, с помощью которого были получены Core 2 Quad, несет в себе ряд недостатков, не самым лучшим способом сказывающихся на производительности.

 

В общем-то, осознав хотя бы то, что архитектура Core изначально не была предназначена или, если это не так, уж точно не адаптирована для создания многоядерных процессоров, становится вполне понятно, зачем Intel потребовалось менять и без того быстрые CPU на что-то еще. Почивать на лаврах при таких обстоятельствах было не время, иначе вполне могла бы повториться ситуация, некогда наблюдавшаяся с NetBurst. Да, по абсолютной производительности с Core 2 Quad все еще не могут тягаться ни AMD Phenom X4, ни новоиспеченные AMD Phenom II X4, но архитектура последних теоретически готова для построения 8 и даже 16-ядерных процессоров, на что Core уже фактически не способна. А ведь тенденции рынка движутся именно в этом направлении. Например, в игровых консолях уже давно работают многоядерные CPU, в результате чего в некоторые портированные с приставок на PC игры на двухъядерниках играть уже не комфортно.

 

Ну и, наконец, вспомним еще один из главных козырей процессоров AMD - встроенный контроллер памяти, интегрированный во все CPU AMD еще с 2004 года. Аналогичное решение Intel было лишь делом времени, хотя здесь ее разработчики пошли немного дальше, но обо всем по порядку.

 

Основные особенности архитектуры Corei7

 

По всей видимости, при создании новой архитектуры главной задачей, ставящейся Intel перед разработчиками, было обеспечение максимальной масштабируемости, чтобы на ее основе можно было строить максимально возможное количество конфигураций процессоров. Обеспечить подобное можно было только путем применения модульного принципа построения ядра, что и было реализовано. Фактически основной модуль новой архитектуры - это одноядерный процессор с классической структурой, основными чертами которой являются наличие исполнительного ядра, кэш-памяти первого уровня, объем которой в данном случае равен 64 KB, и кэша L2 объемом 256 KB.

 

 

Соединив N таких блоков в одно целое и дополнив их другими, мы уже получим готовый N-ядерный процессор. На данном этапе, взглянув на структурную схему существующих процессоров Core i7, мы видим следующий набор модулей:

• четыре исполнительных ядра с собственными L1 и L2 (Core);

• разделяемую кэш-память третьего уровня (L3 Cache);

• трехканальный контроллер памяти DDR3 (IMC);

• контроллер шины для связи с чипсетом (QPI);

• контроллер питания и генератор частот (Power & Clock).

 

При создании других процессоров количество модулей, их состав и даже характер могут вполне гибко варьироваться. Для производителя это одно из главных преимуществ новой архитектуры. Сами собой напрашиваются вариации количества ядер, но это лишь самый очевидный способ получения более дешевых или, напротив, дорогих процессоров. Например, уже доподлинно известно, что готовящиеся к выходу процессоры Core i5 и Core i3 будут оснащаться двухканальными контроллерами памяти и контроллером шины QPI с уменьшенной пропускной способностью.

 

С другой стороны, имеется возможность добавления в корпус процессора еще двух модулей - контроллера шины PCI Express и контроллера интегрированной графики. Еще, например, восьмиядерный процессор можно будет укомплектовать вторым контроллером оперативной памяти и вторым контроллером шины QPI (если контроллер PCI Express все же останется в составе чипсета, а количество линий сильно увеличится).

 

Однако основным потребителем достигнутой модульности является сама Intel, получившая в свое распоряжение архитектуру, позволяющую относительно легко получать процессоры различной производительности, функциональности и, соответственно, стоимости. Согласитесь, обычным пользователям все равно, как был построен новый процессор. Разве что только модульность позволит снизить затраты на разработку самих CPU. Мы же посмотрим на другие изменения, уже присутствующие в реально существующих процессорах, построенных по новой архитектуре.

 

Исполнительное ядро (Core)

 

Если заняться анализом нововведений самого исполнительного ядра новой архитектуры Core i7, существенных отличий от использовавшегося в предшествующей Core найти не удастся. Изменения скорее носят характер доработок, нежели коренных переделок.

 

 

В частности, был доработан декодер инструкций, блок обработки циклов перенесен за декодер, блок предсказания переходов разделили на две части, каждая из которых занимается анализом разной глубины и, наконец, был добавлен новый набор инструкций SSE4.2. К слову, добавленные в набор SSE4.2 инструкции носят скорее прикладное, нежели общее назначение, то есть призваны ускорить работу операций, выполняемых определенными приложениями.

 

Интегрированный контроллер памяти (IMC)

 

Такого ответного хода в сторону конкурирующей компании AMD, как интеграция контроллера оперативной памяти в ядро процессора, от Intel ждали уже давно, и не разрабатывайся бы Core 2 Duo в столь сжатые сроки, возможно, мы увидели бы его уже в составе данных CPU. Довольно любопытно, что в составе Core i7 используется аж трехканальный контроллер памяти, причем работает он с современной DDR3 SDRAM, в то время как у AMD он всегда был двухканальным, а реализация поддержки DDR3 все время откладывалась и появилась лишь недавно. То есть здесь Intel обошла конкурента со свойственным ей размахом и очень солидным заделом на будущее. Впрочем, здесь ведь речь идет о топ-сегменте, где компания никогда не скупилась на усиленные решения. Более дешевые Core i5 и Core i3 будут оснащаться двухканальными контроллерами.

 

Максимальная частота модулей DDR3 поддерживаемых контроллерами ныне существующих процессоров Core i7 на ядре Nehalem для серверных модификаций составляет 1333 МГц, для десктопных - 1066 МГц. Это позволяет заявлять Intel о пропускной способности контроллера 32 GB/s, что получено путем простого умножения пропускной способности DDR3-1333 на количество каналов, то есть на 3. Естественно, с реальностью это коррелирует слабо, но о порядке заложенной производительности представление дает.

 

Блок управления энергопотреблением

 

Добавленный в процессоры с новой архитектурой модуль PCU (Power Control Unit), или блок управления энергопотреблением, по сути, является самостоятельным контроллером, позволяет динамически управлять частотой и напряжением питания каждого ядра в отдельности, анализируя для этого его температуру и энергопотребление. То есть на максимальную мощность могут включаться только те ядра, от которых в текущий момент требуется адекватная отдача, а остальные будут благополучно пребывать в состоянии пониженного энергопотребления.

 

 

Именно этот блок сделал возможным реализацию технологии Turbo Boost, о которой расскажем ниже.

 

Технология TurboBoost

 

Пожалуй, всего-то каких-нибудь лет пять назад, если бы кто-то сказал на каком-нибудь оверклокерском форуме, что Intel станет закладывать технологии разгона прямо в процессоры, его просто подняли бы на смех. Ведь раньше в этом плане компания была очень консервативна. Впрочем, та же AMD, первая выпустившая на рынок процессоры с "легализованным разгоном" (серия Black Edition), заключающимся в разблокированном в сторону увеличения множителем частоты, не так давно - во времена Athlon XP - чтобы сделать невозможным выполнение такой операции, пережигала соответствующие мостики лазером. И не важно, что требуемые связи относительно легко восстанавливались - главное, что они намеренно разрушались, что уж никак не являлось лояльностью к оверклокерам. Так что у всех производителей были времена, когда они воспринимали оверклокеров едва ли не как врагов собственного благосостояния. И только позже все они  поняли, что помимо того, что данный контингент формирует значительную часть народного мнения о производителе, сам он тоже является весьма активным потребителем.

 

Так в процессорах Core i7 появилась технология Turbo Boost, фактически заключающаяся в возможности динамического увеличения множителя частоты каждого из исполнительных ядер выше штатного значения. Однако не все так гладко.

 

 

По своей сути Turbo Boost можно воспринимать как серьезно доработанную технологию Intel EIST, присутствовавшую во всех процессорах Core 2 и научившуюся не только понижать штатную частоту в простое, но и, по возможности, повышать при нагрузке. Возможность эта присутствует всегда, пока не превышен максимальный TDP, установленный для данной конкретной модели. В итоге при максимальной нагрузке процессор Core i7 всегда работает на повышенной относительно номинала частоте. Сила тока, напряжение и мощность, потребляемые каждым ядром, контролируются встроенным PCU, который, зарегистрировав превышение потребляемой мощности, тут же понижает напряжение и частоту ядра до штатных значений, не позволяя процессору выйти из предусмотренного теплового пакета. Если это не удается, контроллер питания продолжит снижение напряжения и частоты до тех пор, пока не достигнет желаемого результата, что уже, по сути, является всерьез эволюционировавшей версией термотроттлинга. Правда, добиться этого можно лишь специально предназначенными программными средствами.

 

И вроде бы все хорошо, но выходит, что у современных процессоров Intel Core i7 теперь нет больше штатной тактовой частоты. Теперь каждое из ядер CPU функционирует на наиболее адекватных текущим условиям частотах, большую часть времени отличных от штатных. В свою очередь ограничение TDP процессора становится серьезным препятствием для оверклокеров. Ведь если раньше для успешного функционирования разогнанного CPU его нужно было всего лишь хорошо охлаждать, то теперь интегрированный в кристалл PCU просто не даст выйти за рамки дозволенного. Впрочем, данный вопрос – тема отдельной статьи.

 

Ну а по итогу получается, что на самом деле,Turbo Boost – это инструмент, позволяющий выжать из каждого процессора как можно больше, что в первую очередь необходимо самой Intel (а как же? Ведь процессоры Core i7 самые быстрые!). Блок PCU же в этом случае – отличный инструмент, не позволяющий CPU в его стремлении к высотам "опалить крылья".

 

Технология HyperThreading

 

Технология хорошо знакома еще со времен процессоров с архитектурой NetBurst, в Core она не использовалась, а теперь Intel снова пустила ее в дело. Если кто подзабыл, напомним: суть ее заключается в эмуляции двух логических исполнительных ядер на основе одного физического.

 

 

Теоретически это должно увеличивать производительность приложений, способных задействовать получившееся число потоков. В случае четырехъядерного CPU логических ядер, соответственно, получится 8. Интересно, как много приложений для настольных ПК могут использовать такое количество процессоров? То есть на сегодняшний день данная технология носит скорее маркетинговый (еще бы! 8 ядер в вашем домашнем ПК!), нежели практический характер.

Самостоятельная работа № 20

Сравнительный анализ ЗУ

В Мире много различной информации, которую надо в чем-то хранить. С этой функцией раньше хорошо справлялась бумага, но сейчас, когда есть компьютерные технологии, человеку нужно более усовершенствованные устройства для этого. В качестве таких устройств выступают:

· Накопители на ЖМД

· Накопители на ГМД

· Оптические диски

· Магнитооптические диски

· Флэш-память

· Накопители на магнитной ленте

Устройства внешней памяти (накопители) являются энергонезависимыми, выключение питания не приводит к потере данных. Они могут быть встроены в системный блок или выполнены в виде самостоятельных блоков, связанных с системным через его порты. Важной характеристикой внешней памяти служит ее объем. Объем внешней памяти можно увеличивать, добавляя новые накопители. Не менее важными характеристиками внешней памяти являются время доступа к информации и скорость обмена информацией. Эти параметры зависят от устройства считывания информации и организации типа доступа к ней.

Кто не знает, что такое магнитофон? На магнитофон мы можем записать речь, музыку, а затем прослушивать записи. Звук записывается на дорожках магнитной ленты с помощью магнитной головки. С помощью этого же устройства магнитная запись снова превращается в звук.

Аналогично действует устройство внешней памяти ЭВМ - накопитель на магнитной ленте (стример). На дорожки ленты записывается все тот же двоичный код: намагниченный участок - единица, не намагниченный - нуль. При чтении с ленты запись превращается в нули и единицы в битах внутренней памяти.

Они служат для запомина-ния больших массивов информации - наборов данных, программ пользователей и операционных систем. В про-цессе работы вычислительной системы по мере необхо-димости производится оперативный обмен информацион-ными массивами между ВЗУ и основной памятью.

Положительным качеством ЗУ на магнитных лентах, дисках, барабанах по сравнению с оперативными ЗУ, например, на ферритовых сердечниках является их боль-шая емкость при сравнительно низкой стоимости хра-нения единицы информации. Во многих ВЗУ имеется возможность быстрой смены носителей информации: ка-тушек с магнитной лентой, пакетов магнитных дисков. Это позволяет, как бы беспредельно наращивать их ем-кость.

Для того чтобы полностью оценить новейшие разработки в области внешних запоминающих устройств необходимо знать, с чего все начиналось, т. е. Историю ВЗУ.

В связи с развитием и совершенствованием технологического процесса, а именно компьютерных технологий, с каждым днем появляются новые накопители информации, такие как USB-флэш-карты, внешние жесткие диски, MP3-плееры, мобильные телефоны со встроенными флэш-картами.

Самостоятельная работа № 21

Изучение структурных схем статических ЗУ

Начнем с записи данных в статическую память и рассмотрим случай записи единицы в ячейку М₁₁.

В контроллер шины памяти от контроллера памяти, встроенного в северный мост материнской платы или в процессор, приходит адрес ячейки памяти и данные для записи. Адрес ячейки преобразуется на две составляющие – номер строки и номер столбца. Номер строки передается в «Дешифратор адреса строки», откуда на нужную строку подается напряжение.

Так как мы рассматриваем запись в ячейку М₁₁, то напряжение с дешифратора адреса строки подается на первую строку. В результате, транзисторы VT1, VT2 и VT3 открываются. Аналогичные транзисторы других ячеек памяти, располагающихся в этой строке, также открываются.

Через транзистор VT3 первой ячейки и аналогичные транзисторы других ячеек памяти первой строки пойдет ток, соответствующий состоянию триггеров этих ячеек, в «Буфер данных». Однако «Буфер данных» получаемую информацию будет игнорировать, так как у него нет сигнала от «Блока управления» на сохранение считываемых данных.

Параллельно с подачей напряжения на строку матрицы памяти с «Блока работы с данными» будет выдано напряжение, соответствующее записываемым данным, в «Блоки записи 1 - m», а с «Блока дешифровки адреса столбца» на соответствующие столбцы будет выдано разрешение (напряжение, соответствующее логической единице) на запись данных.

Блоки записи используются для запрета выдачи тока в линии D и   при чтении данных и преобразования из входящих сигналов данных их инвертируемых сигналов для переключения состояния триггеров, в которые необходимо сохранить данные.

В нашем случае, запись проводится в ячейку М₁₁, и записывается единица. Соответственно, с «Блока работы с данными» будет выдана логическая единица в «Блок записи 1», и с «Блока дешифровки адреса столбца» будет выдана логическая единица в «Блок записи 1».

Рассмотрим работу «Блока записи 1» при таких входных сигналах. И так, на входе элемента D.D3 будет логическая единица, а на выходе – логический ноль, так как элемент D.D3 – инвертер (логический элемент «НЕ»). Соответственно, на входах элемента D.D4 (логический элемент «И») будут: логический ноль и логическая единица. В результате, на выходе этого элемента будет логический ноль.

На входах элемента D.D5 (логический элемент «И») будут две логические единицы, в результате, на выходе этого элемента будет логический ноль.

Следовательно, на выходе D1 «Блока записи 1» будет напряжение, соответствующее логическому нулю, а на выходе  1 будет напряжение, соответствующее логической единице. Эти напряжения будут поданы на все ячейки памяти первого столбца. Однако у всех ячеек, кроме первой, транзисторы, разрешающие запись, закрыты, а, следовательно, подаваемое напряжение попадет только на триггер первой ячейки и переведет его в состояние хранения единицы.

После изменения состояния триггера первой ячейки напряжение с первой строки снимается, и транзисторы VT1, VT2 и VT3 закрываются, запрещая запись и чтение из ячейки.

При записи нуля в ячейку памяти все происходит по той же схеме, только с «Блока работы с данными» в «Блок записи 1» будет подано напряжение, соответствующее логическому нулю. Это значит, что на выходе D1 «Блока записи 1» будет напряжение, соответствующее логической единице, а на выходе  1 будет напряжение, соответствующее логическому нулю. Эти значения напряжений переведут триггер первой ячейки памяти в состояние хранения нуля.

В установленном состоянии триггер первой ячейки останется, пока на него будет подаваться питание Uп.

Чтение записи происходит еще проще. От контроллера памяти приходит адрес ячеек памяти, с которых требуется считать данные, и команда на чтение.

В результате, адрес преобразуется в номер строки, и на соответствующую строку будет подано напряжение, которое откроет транзисторы разрешения/запрета чтения/записи.

Рассмотрим случай, когда данные считываются из первой ячейки. В этом случае напряжение с «Дешифратора адреса строки» будет подано в первую строку, что приведет к открытию транзисторов VT1, VT2 и VT3 ячейки М₁₁ и всех остальных ячеек первой строки. Ток с триггера первой ячейки, через транзистор VT1, беспрепятственно пройдет в «Буфер данных». То же самое произойдет с остальными ячейками первой строки. Считанные с ячеек памяти первой строки данные сохранятся в «Буфере данных».

После того, как информация в «Буфере данных» будет сохранена, «Дешифратор адреса столбцов» выдаст номера столбцов, данные с которых необходимо считать, в «Буфер данных». Соответствующие данные будут переданы из микросхемы памяти в контроллер памяти, располагающийся в материнской плате или непосредственно в процессоре.

Для того чтобы при чтении данных не происходила запись в эти же ячейки, ведь транзисторы, разрешающие запись, открыты, блоки записи выдают в линии D и   всех столбцов матрицы памяти напряжение, соответствующее логическому нулю. Это происходит из-за того, что с блока дешифровки адреса столбцов выдается напряжение, соответствующее логическому нулю на все «Блоки записи».

Как видите, работа статической памяти очень похожа на работу динамической памяти, однако процесс записи и чтения гораздо быстрее, так как не тратится время на заряд и разряд конденсаторов и не требуется регенерация ячеек. Однако необходимо обратить внимание, что рассмотренная нами схема сильно упрощена, и на практике используют гораздо более сложные механизмы записи и чтения из памяти, повышающие надежность и скорость работы статической памяти. Однако описанный выше принцип работы позволяет понять основы функционирования статической памяти, ее недостатки и преимущества. Давайте попробуем сформулировать их (основные недостатки и преимущества).

Самостоятельная работа № 22

Изучение структурных схем динамических ЗУ

Динамическая оперативная память (DRAM – Dynamic Random Access Memory) – энергозависимая память с произвольным доступом, каждая ячейка которой состоит из одного конденсатора и нескольких транзисторов. Конденсатор хранит один бит данных, а транзисторы играют роль ключей, удерживающих заряд в конденсаторе и разрешающих доступ к конденсатору при чтении и записи данных.

На практике существуют разные способы реализации динамической памяти. Упрощенная структурная схема одного из способов реализации приведена на рисунке 1.

Как видно из рисунка, основным блоком памяти является матрица памяти, состоящая из множества ячеек, каждая из которых хранит 1 бит информации.

Каждая ячейка состоит из одного конденсатора (С) и трех транзисторов. Транзистор VT1 разрешает или запрещает запись новых данных или регенерацию ячейки. Транзистор VT3 выполняет роль ключа, удерживающего конденсатор от разряда и разрешающего или запрещающего чтение данных из ячейки памяти. Транзистор VT2 используется для считывания данных с конденсатора. Если на конденсаторе есть заряд, то транзистор VT2 открыт, и ток пойдет по линии AB, соответственно, на выходе Q1 тока не будет, что означает – ячейка хранит бит информации с нулевым значением. Если заряда на конденсаторе нет, то конденсатор VT2 закрыт, а ток пойдет по линии AE, соответственно, на выходе Q1 ток будет, что означает – ячейка хранит бит информации со значением “единица”.

Заряд в конденсаторе, используемый для поддержания транзистора VT2 в открытом состоянии, во время прохождения по нему тока, быстро расходуется, поэтому при чтении данных из ячейки необходимо проводить регенерацию заряда конденсатора.

Для работы динамической памяти на матрицу должно всегда поступать напряжение, на схеме оно обозначено, как Uп. С помощью резисторов R напряжение питания Uп равномерно распределяется между всеми столбцами матрицы.

Также в состав памяти входит контроллер шины памяти, который получает команды, адрес и данные от внешних устройств и ретранслирует их во внутренние блоки памяти.

Команды передаются в блок управления, который организует работу остальных блоков и периодическую регенерацию ячеек памяти.

Адрес преобразуется в две составляющие – адрес строки и адрес столбца, и передается в соответствующие дешифраторы.

Дешифратор адреса строки определяет, с какой строки надо провести чтение или запись, и выдает на эту строку напряжение.

Дешифратор адреса столбца при чтении данных определяет, какие из считанных бит данных были запрошены и должны быть выданы в шину памяти. При записи данных дешифратор определяет, в какие столбцы надо подать команды записи.

Блок работы с данными определяет, какие данные, в какую ячейку памяти требуется записать, и выдает соответствующие биты данных для записи в эти ячейки.

Блоки регенерации определяют:

• когда происходит чтение данных и надо провести регенерацию ячейки, из которой данные были считаны;

• когда происходит запись данных, а, следовательно, регенерацию ячейки производить не надо.

Буфер данных сохраняет всю считанную строку матрицы, так как при чтении всегда считывается вся строка целиком, и позволяет потом выбрать из считанной строки требуемые биты данных.

Рассмотрим принцип работы динамической памяти на примере структурной схемы, приведенной на рисунке 1. Рассматривать будем работу с первой ячейкой (M11). Работа остальных ячеек памяти полностью идентична.

Самостоятельная работа № 23

Изучение структурных схем энергозависимых ЗУ

Развертывание загрузочного образа среды выполнения в устройстве требует наличия файловой системы на запоминающем устройстве с возможностью чтения и записи. Если загрузочное запоминающее устройство является энергонезависимым, в случае нехватки дискового пространства образ можно сохранить локально. Встроенные системы поддерживают многочисленные виды запоминающих устройств. В ОС Windows Embedded Standard альтернативные запоминающие устройства подразделяются на следующие основные группы.

• Энергозависимые запоминающие устройства типа ОЗУ с возможностью чтения и записи.  Запоминающие устройства на основе ОЗУ схожи с энергонезависимой флэш-памятью. В то же время, содержание памяти в ОЗУ остается постоянным только благодаря использованию источника питания (батареи). Как правило, время доступа на запись и время доступа на чтение в ОЗУ совпадают. 

• Энергонезависимые запоминающие устройства с возможностью чтения и записи, такие как флэш-память и магнитные диски.  Энергонезависимая флэш-память или ОЗУ считается ПЗУ, если компьютер, в котором она установлена, не может производить запись в файловую систему. Содержимое файловой системы задается во время изготовления. 

Самостоятельная работа № 24

Изучение структурных схем флэш-памяти

Принцип работы полупроводниковой технологии флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области («кармане») полупроводниковой структуры.

Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонкомдиэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта туннелирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора (эффект Hot carrier injection (англ.)).

Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения.

Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек.

• 

Разрез транзистора с плавающим затвором

 

• 

Программирование флеш-памяти

 

• 

Стирание флеш-памяти

Самостоятельная работа № 25

Алгоритм теста ЗУ

Контроль правильности работы запоминающих устройств; испытание запоминающих устройств во время режима ожидания или автономного режима работы

G11C 29/02	.детектирование или определение местоположения неисправных вспомогательных схем, например неисправных счетчиков регенерации
G11C 29/04	.детектирование или определение местоположения неисправных элементов памяти
G11C 29/06	..испытание на ускорение
G11C 29/08	..функциональные испытания, например испытание во время регенерации (обновления) данных, самотестирование при включении питания (POST) или распределенные испытания
G11C 29/10	...алгоритмы испытаний, например алгоритм сканирования памяти (MScan); последовательности тестирования, например в шахматном порядке
G11C 29/12	...встроенные (аппаратные) средства самотестирования (BIST)
G11C 29/14	....реализация логики управления, например декодеры режима тестирования
G11C 29/16	.....с использованием микропрограммных блоков, например конечных автоматов
G11C 29/18	....устройства генерирования адреса; устройства для доступа к памяти, например элементы схем адресации
G11C 29/20	.....и использованием счетчиков или сдвиговых регистров с линейной обратной связью (LFSR)
G11C 29/22	.....доступ к последовательным запоминающим устройствам
G11C 29/24	.....доступ к дополнительным ячейкам памяти, например резервным ячейкам или переполненным ячейки
G11C 29/26	.....доступ к множественным массивам данных  29/24 имеет преимущество
G11C 29/28	......зависимые множественные массивы, например многоразрядные массивы
G11C 29/30	.....доступ к единичным массивам данных
G11C 29/32	......последовательный доступ; испытание сканированием
G11C 29/34	......доступ одновременно к множеству разрядов
G11C 29/36	....устройства формирования данных, например инверторы данных
G11C 29/38	....устройства проверки ответа на запрос
G11C 29/40	.....с использованием методов сжатия данных
G11C 29/42	.....с использованием кодов с исправлением ошибок (ECC) или констроля соотношений
G11C 29/44	....индикация или идентификация ошибок, например для ремонта
G11C 29/46	.....испытание триггерных логических схем
G11C 29/48	...приспособления в статических запоминающих устройствах, специально предназначенные для испытаний с помощью внешних средств по отношению к запоминающему устройству, например использование прямого доступа к памяти или вспомогательных путей доступа внешнее оборудование для испытаний  29/56
G11C 29/50	..граничные испытания, например проверка скорости, напряжения или тока
G11C 29/52	.защита содержимого памяти; обнаружение ошибок в содержимом памяти
G11C 29/54	.устройства для разработки схем тестирования, например подпрограмм тестирования (DFT)
G11C 29/56	.внешнее оборудование для испытаний статических запоминающих устройств, например автоматическое оборудование для тестирования (ATE) ; интерфейсы для таких испытаний

Самостоятельная работа № 26

Конструкция ЗУ

        ЗУ - блок вычислительной машины или самостоятельное устройство, предназначенное для записи, хранения и воспроизведения информации. Наибольшее распространение ЗУ получили в цифровых вычислительных машинах (См. Цифровая вычислительная машина) (ЦВМ), а также в устройствах автоматики, телемеханики, ядерной физики и т.д. для хранения главным образом дискретной информации, для временного согласования работы нескольких объектов или накопления данных, подлежащих передаче по каналам телемеханики. Фиксация информации в ЗУ основана на различных физических принципах: механическое перемещение или удаление части материала носителя информации (См. Носитель информации) (перфорационные ленты, перфокарты), изменение магнитного состояния материала (магнитные ленты, диски, барабаны, ферритовые сердечники), накопление электростатического заряда в диэлектриках (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки), использование звуковых и ультразвуковых колебаний (линии задержки (См. Линия задержки)),применение явления сверхпроводимости (Криогенные элементы) и др. Основными показателями ЗУ, определяющими их эффективность, являются: ёмкость М (максимальное количество слов или знаков, которые можно одновременно разместить в ЗУ), выражаемая в двоичных единицах (битах) или в байтах (8 бит); быстродействие, характеризуемое временем полного цикла обращения к ЗУ Тц (иногда временем выборки) или частотой обращения

         

        Иногда для характеристики ЗУ пользуются обобщающим параметром — информационной мощностью W = М•F (в лучших современных ЗУ она достигает 10¹³ байт/сек).

         В зависимости от назначения, способов размещения информации и особенностей функционирования ЗУ. По способу поиска нужной информации различают адресные ЗУ, в которых каждой ячейке памяти присваивается определённый номер (адрес) и требуемая информация ищется по конкретному адресу, и ассоциативные запоминающие устройства, в которых информация отыскивается по совокупности признаков. В ЗУ возможно как последовательное, так и циклическое обращение (доступ) к ячейкам либо произвольный доступ, когда обращение к любой ячейке осуществляется независимо от её расположения среди других ячеек.

         В зависимости от кратности записи ЗУ делятся на нестирающиеся, допускающие однократную запись с последующим многократным считыванием без регенерации (например, диодные матрицы (См. Диодная матрица), перфорационные карты, перфорационные ленты), и стирающиеся (ЗУ на магнитных носителях, ферритовых сердечниках, электронных триггерах и др.).

         Статическими называются такие ЗУ, в которых состояния носителя, соответствующие записанному коду, неподвижны относительно носителя информации. К статическим относятся и все ЗУ с неразрушающим считыванием. В динамических ЗУ последовательность сигналов, соответствующая фиксируемому коду, циркулирует по замкнутому контуру, включающему линию задержки. Статические ЗУ могут быть устойчивыми, в которых информация сохраняется неограниченно долго (например, ЗУ на триггерах, ферритовых сердечниках), и неустойчивыми, обладающими свойством самопроизвольного стирания информации (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки).

         Для хранения больших массивов информации чаще всего применяют т. н. внешние ЗУ с записью на магнитных носителях: магнитные ленты, барабаны, диски. Путём параллельного подключения нескольких блоков ЗУ можно хранить теоретически неограниченные объёмы информации. Ёмкость современных внешних ЗУ на магнитных лентах достигает 10⁸ байт (с подключением до 256 блоков), на магнитных дисках — до 6-10⁸ байт; скорость ввода (вывода) 3,2-10⁵ байт/сек для ЗУ на магнитных лентах и 2-10⁶ байт/сек для ЗУ на магнитных дисках.

         В ЦВМ для хранения данных, необходимых на ближайших этапах решения задачи, служат оперативные ЗУ, которые, как правило, строятся на тороидальных ферритовых сердечниках (до 95% всех оперативных ЗУ), реже — на др. ферромагнитных элементах (например, многоотверстных ферритовых пластинах, магнитных тонких плёнках (См. Магнитная тонкая плёнка) и др.). Весьма перспективными считаются интегральные полупроводниковые ЗУ. Ёмкость оперативных ЗУ в современных крупных ЦВМ достигает 16-10⁶ байт; время записи и считывания (выборки) составляет от сотых долей мксек до нескольких мксек.

         В больших ЦВМ в отдельный блок часто выделяют буферное ЗУ, выполняющее функции промежуточного звена при обмене информацией между устройствами с различным быстродействием (например, между оперативным и внешним ЗУ), а иногда и сверхоперативное ЗУ небольшой ёмкости (порядка нескольких сотен байт). Сверхоперативные ЗУ выполняются на запоминающих элементах повышенного быстродействия (например, тонких магнитных плёнках, туннельных диодах, триггерах). Для хранения данных, состав которых в процессе обработки определённого типа информации или решения одного класса задач не меняется (например, табличные данные, стандартные подпрограммы, неизменные программы управляющих вычислительных машин), применяют постоянные запоминающие устройства.

         ЗУ адресного типа включают собственно накопитель 1, числовую часть 2, адресную часть 3 и блок местного управления или синхронизации 4 (рис. 1). Накопитель состоит из запоминающих ячеек и выполняет функции хранения информации. Числовая часть или схема записи — считывания представляет собой промежуточное звено, в котором происходит обмен информацией между накопителем и внешними по отношению к ЗУ устройствами. Она состоит из регистра числа для временного хранения записываемых или считываемых слов (чисел); формирователей записи, преобразующих код числа в серию сигналов, фиксируемых ячейками накопителя; усилителей считывания для усиления, отделения от помехи и формирования считанных сигналов. В адресной части ЗУ заданный код адреса преобразуется в совокупность сигналов, однозначно определяющих требуемую ячейку накопителя. Блок синхронизации формирует внутренние команды, обеспечивающие управление последовательностью работы всех узлов ЗУ в соответствии с поступающими извне командами. Совокупность всех блоков ЗУ, за исключением накопителя, называется электронной схемой управления, периферийным оборудованием или электронным обрамлением ЗУ.

                          

  Рисунок 1 Упрощённая блок-схема адресного запоминающего устройства.      

Самостоятельная работа № 27

Анализ каналов ПД

Многослойный (многоуровневый характер) сетевых процессов приводит к необходимости рассмотрения многоуровневых моделей телекоммуникационных сетей. В качестве эталонной утверждена семиуровневая модель - OSI Referens Model, в которой все процессы, реализуемые системой, разбиты на взаимоподчиненные уровни. Основная идея этой модели заключается в том, что каждому уровню отводится конкретная роль. Благодаря этому общая задача передачи данных расчленяется на отдельные, легко обозримые задачи.

В качестве прообраза модели взаимодействия OSI (Open System Interconnection) была использована структура, предложенная ANSI (American National Standarts Institute). Основные работы по созданию текста документа были выполнены CCITT (Consultative Committee for International Telegraphy), а итоговый документ появился в виде стандарта ISO. Статус стандарта ISO важен для данного документа, поскольку ISO 7498 является стандартом стандартов в области телекоммуникаций.

Соглашения, необходимые для связи одного уровня с выше - и нижерасположенными, называют протоколом. В семиуровневой модели сетевого обмена обмен информацией может быть представлен в виде стека протоколов межсетевого обмена OSI.

Рассмотрим кратко каждый из указанных уровней модели открытых систем.

1. Физический уровень модели определяет характеристики физической сети передачи данных, которая используется для межсетевого обмена. Это такие параметры, как напряжение в сети, сила тока, число контактов на разъемах, электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Протоколы физического уровня определяют вид и характеристики линий связи между компьютерами. В компьютерных сетяхt используются практически все известные в настоящее время способы связи от простого провода (витая пара) до волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).

2. Канальный (или логический) уровень представляет собой комплекс процедур и методов управления каналом передачи данных, организованный на основе физического соединения. Канальный уровень формируется из данных, передаваемых первым уровнем. Для каждого типа линий связи разработан соответствующий протокол данного уровня, занимающийся управлением передачей информации по каналу. К протоколам логического уровня для телефонных линий относятся протоколы SLIP (Serial Line Interface Protocol) и PPP (Point to Point Protocol). Для связи по кабелю локальной сети - это пакетные драйверы плат ЛВС.

3. Сетевой уровень устанавливает связь между двумя абонентами. Его основная задача - маршрутизация данных. Специальные устройства - маршрутизаторыопределяют для какой сети предназначено сообщений и направляют его по адресу. Протоколы сетевого уровня отвечают за передачу данных между устройствами в разных сетях, то есть занимаются маршрутизацией пакетов в сети. К протоколам сетевого уровня принадлежат IP (Internet Protocol) и ARP (Address Resolution Protocol).

4. Транспортный уровень поддерживает непрерывную передачу данных между двумя взаимодействующими удаленными пользовательскими процессами. Транспортный протокол связывает нижние уровни (физический, канальный и сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными средствами. Протоколы транспортного уровня управляют передачей данных из одной программы в другую. К протоколам транспортного уровня принадлежат TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol).

5. Сеансовый уровень (уровень сессий) осуществляет управление сеансами связи между двумя взаимодействующими пользовательскими процессами. Кроме того, данный уровень содержит дополнительные функции управления паролями, подсчета платы за пользование ресурсами сети, управление диалогом, синхронизации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок на нижерасположенных уровнях. Протоколы уровня сеансов связи отвечают за установку, поддержание и уничтожение соответствующих каналов. В Internet этим занимаются TCP и UDP протоколы, а также протокол UUCP (Unix to Unix Copy Protocol).

6. Уровень представления данных управляет представлением данных в необходимой для программы пользователя форме, осуществляет генерацию и интерпретацию взаимодействия процессов, кодирование и декодирование данных. Протоколы представительского уровня занимаются обслуживанием прикладных программ. К программам представительского уровня принадлежат программы, запускаемые, к примеру, на Unix-сервере, для предоставления различных услуг абонентам. К таким программам относятся: telnet-сервер, FTP-сервер, Gopher-сервер, NFS-сервер, NNTP (Net News Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), POP2 и POP3 (Post Office Protocol) и т.д.

7. Прикладной уровень определяет протоколы обмена данными прикладных программ. В его ведении находятся прикладные сетевые программы, обслуживающие файлы, а так же выполняются вычислительные, информационно-поисковые работы, логические преобразования информации и так далее.

Следует знать, что на разных уровнях обмен происходит в различных единицах информации: биты, кадры, фреймы, пакеты, сеансовые сообщения, пользовательские сообщения. Уровень может "ничего не знать" о содержании сообщения, но должен "знать", что дальше делать с этим сообщением. Для полной и безошибочной передачи данных необходимо придерживаться установленных в протоколе передачи данных правил.

1.2 Методы передачи данных на нижнем уровне

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется также модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким. Это не удивительно, если вспомнить, что спектр идеального импульса имеет бесконечную ширину. Применение синусоиды приводит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости передачи информации. Однако для реализации синусоидальной модуляции требуется более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.

В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму - речь, телевизионное изображение, - передаются по каналам связи в дискретном виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией. Термины "модуляция" и "кодирование" часто используют как синонимы.

Аналоговая модуляция

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является каналтональной частоты, предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей. Типичная амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты представлена на рис.1. Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц. Хотя человеческий голос имеет гораздо более широкий спектр - примерно от 100 Гц до 10 кГц, - для приемлемого качества передачи речи диапазон в 3100 Гц является хорошим решением. Строгое ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем(модулятор - демодулятор). Методы аналоговой модуляции. Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. На диаграмме показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля.

Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто используется при передаче данных между блоками компьютера.

При амплитудной модуляции для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.

При частотной модуляции значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой - f₀ и f₁. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

При фазовой модуляции значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, нос различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.

Самостоятельная работа № 28

Схемы организации интерфейсов

Организация интерфейса связи приборов с ПК

При запуске ОРМ тестирует рабочий компьютер и автоматически определяет свободные COM-порты, к которым через адаптер интерфейса могут быть подключены приборы ОВЕН. Информация о COM-портах выводится на экран ПК в главном окне программы.

Выбор адаптера интерфейса зависит от типа интерфейса подключаемых приборов. К одному COM-порту возможно подключить только один адаптер интерфейса.

При необходимости увеличения количества отображаемых каналов на ПК необходимо установить дополнительные СОМ-порты. Максимальное количество СОМ-портов определяется характеристиками ПК.

Подключение приборов с интерфейсом RS-485

Для подключения к компьютеру приборов с интерфейсом RS-485 используются:

• ОВЕН АС3-М – автоматический преобразователь RS-232/RS-485;

• ОВЕН АС3 – полуавтоматический преобразователь RS-232/RS-485;

• ОВЕН АС4 – автоматический преобразователь USB/RS-485.

Возможно также использование преобразователей интерфейсов сторонних производителей.

Максимальное количество каналов отображения для одного порта составляет 256. Без использования средств усиления сигнала к преобразователю АС3-М, АС3 или АС4 можно подсоединять до 32 приборов, с использованием усилителя – до 256.

Подключение приборов с интерфейсом «токовая петля»

Для подключения к ПК приборов с интерфейсом «токовая петля» используются:

• ОВЕН АС2 – адаптер интерфейса «токовая петля»/RS-232;

• ОВЕН АС2-М – преобразователь интерфейса «токовая петля»/RS-485.

Через адаптер АС2 прибор подключается к компьютеру напрямую. К АС2 можно подключить до восьми приборов ОВЕН типа ТРМ1-PiC, ТРМ38. Максимальное количество каналов отображения для одного порта (при использовании восьмиканальных приборов типа УКТ38 или ТРМ38) равно 64.

Через преобразователь АС2-М прибор подключается к сети RS-485, которая, в свою очередь, через адаптер АС3-М, АС3 или АС4 может быть подключена к ПК. К каждому преобразователю АС2-М подключается один прибор типа ТРМ1-PiC, ТРМ38, МПР51 и т. п. Максимальное количество каналов отображения для одного порта (при использовании восьмиканальных приборов типа УКТ38 или ТРМ38) равно 256.

 

Самостоятельная работа № 29

Структура системных интерфейсов ЭВМ

Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной — ЭВМ. Структура такого устройства была описана знаменитым математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г

Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Структура современного персонального компьютера представлена на рисунке ниже. 

Рассмотрим принцип взаимодействия основных устройств.

Материнская (системная) плата — важнейший элемент ПК, на ней размещаются устройства непосредственно осуществляющие процесс обработки информации (вычислений), как правило это микропроцессор, внутренняя память, системная шина, контроллер клавиатуры, генератор тактовой частоты, контроллер прерываний, таймер и др. Схемы, управляющие другими внешними устройствами компьютера, как правило, находятся на отдельных платах, вставляемых в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере — шине. Иногда эти контроллеры могут располагаться на системной плате. Наборы микросхем, на основе которых исполняются системные платы, называют чипсетами. Материнские платы различаются по типу процессоров, которые могут быть установлены на них, и названия фирм, их выпускающих. На материнских платах находятся специальные перемычки — джамперы, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавливаемых на ней.

Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных — шину. Виды слотов расширения различаются по типу шины. Данные могут передаваться между внешними устройствами и процессором, оперативной памятью и процессором, внешними устройствами и оперативной памятью или между устройствами ввода-вывода. Шина характеризуется типом, разрядностью, частотой и количеством подключаемых внешних устройств. При работе с оперативной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина данных.

Аппаратно-логические устройства, отвечающие за совместное функционирование различных компонентов, называют интерфейсами. Современный компьютер заполнен разными интерфейсами, обеспечивающими всеобщее взаимодействие. На интерфейсы существуют стандарты.

Совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, образует то, что называют архитектурой компьютера.

Для добавления в ПК нового дополнительного устройства необходим контроллер — устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Кроме того, необходим драйвер этого устройства — программа, позволяющая программно связать это устройство с системой в целом.

Контроллер должен учитывать аппаратные особенности подключаемого устройства, а драйвер должен позволить операционной системе, используя стандартный набор командных запросов, управ­лять нестандартным устройством.

Драйвер выступает в роли «переводчика» с языка операционной системы на язык конкретного устройства, контроллер выступает в роли аппаратного «мостика» между системой в целом и дополнительным устройством.

Центральной частью компьютера является системный блок, с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью. Системный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к источнику питания — сети переменного тока. В современных компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируются в едином корпусе.

В системном блоке располагаются все основные устройства компьютера:

- микропроцессор -— мозг компьютера, который выполняет поступающие на его вход команды: проводит вычисления и управляет работой остальных устройств ПК;

- оперативная память, предназначенная для временного хранения программ и данных;

- контроллеры, предназначенные для независимого от процессора управления отдельными процессами в работе ПК;

- накопители на гибких магнитных дисках, используемые для чтения и записи на дискеты;

- накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на жесткий магнитный диск (винчестер);

- дисководы для компакт-дисков, обеспечивающие возможность чтения данных с компьютерных компакт-дисков и проигрывания аудиокомпакт-дисков, а также запись инфор­мации на компакт-диск;

- блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток, подаваемый на электронные схемы компьютера;

- счетчик времени, который функционирует независимо от того, включен компьютер или нет;

- другие устройства. 

Все компоненты ПК по их функциональному отношению к работе с информацией можно условно разделить на:

- устройства обработки информации (центральный процессор, специализированные процессоры);

- устройства хранения информации (жесткий диск, CD-ROM, оперативная память, др.);

- устройства ввода информации (клавиатура, мышь, микро­фон, сканер и т.д.);

- устройства вывода информации (монитор, принтер, акусти­ческая система и т.д.).

Микропроцессор (МП), или центральный процессор {CPU, от англ. Central Processing Unit) — основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему — контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Память (внутренняя — системная, включающая ОЗУ и ПЗУ и внешняя дисковая). ПЗУ (от англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации. ОЗУ (от англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычисли­тельном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Дисковая память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач, в ней, в частности, хранится все программное обеспечение компьютера. В качестве устройств внешней памяти размещаемых в системном блоке, используются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках, накопители на оптических дисках (НОД) и др;

Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания — аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50 - 80% всего ПК, От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:

- внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

- устройства ввода информации;

- устройства вывода информации;

- средства связи и телекоммуникации.

Монитор — устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации.

Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстроразвивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода — это различные микрофонные акустаческие системы, "звуковые мыши", например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать.

Устройства речевого вывода — это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

- клавиатура — устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

- графические планшеты (диджитайзеры)— для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

- сканеры (читающие автоматы) — для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат;

- манипуляторы (устройства указания): джойстик — рычаг, мышь, трекбол — шар в оправе, световое перо и др. — для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

- сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

Самостоятельная работа № 30

Изучение модели ввода-вывода

Устройства (модули) ввода-вывода являются интерфейсом между процессором ПЛК и реальным миром. В идеальном случае было бы желательно иметь в процессоре значения измеренных сигналов в любой момент времени. Однако поскольку количество каналов ввода-вывода в некоторых системах может достигать тысяч, а измерительные каналы всегда имеют ограниченную пропускную способность, измеренные значения поступают в процессор в дискретные моменты времени.

Существует несколько уровней и способов опроса множества каналов ввода. Современный модуль ввода имеет свой собственный микроконтроллер, который выполняет циклический опрос всех своих каналов и помещает полученные данные в буфер. Если по алгоритму работы системы автоматизации используются только несколько каналов модуля, то неиспользуемые каналы можно замаскировать (исключить их из процедуры опроса), если это требуется для увеличения быстродействия системы. При поступлении в модуль команды считывания значений со входов собранные данные передаются из буфера модуля в ПЛК, где помещаются в буфер OPC сервера или в определенную область ОЗУ.

Опрос модулей может выполняться циклически с одинаковой частотой для всех модулей, или с разной частотой. Второй вариант позволяет уменьшить загруженность шины, по которой выполняется обмен данными между модулями ввода и процессорным модулем.

Циклический опрос всех модулей с заранее заданной частотой сильно загружает шину, по которой модули ввода связываются с процессором. Это особенно очевидно, если процессор сканирует входы для обнаружения сигнала от аварийного датчика, который может сработать один раз в 10 лет, или если вводятся данные от датчика температуры в условиях, когда температура постоянна. В подобных случаях более эффективны многомастерные шины (например, CAN или Profibus), которые позволяют использовать режим подписки, при котором процессор модуля ввода, в котором произошло изменение состояния входа, является инициатором обмена данными.

Наибольшее распространение в промышленной автоматизации нашли одномастерные шины и циклический опрос (поллинг - от "polling") модулей ввода в силу своей простоты и сравнительно низкой стоимости.

Модули ввода и вывода в промышленной автоматизации имеют гальваническую изоляцию между входными (выходными) зажимами и шиной контроллера. Напряжение изоляции составляет от 2500 В (реже от 500 В) до 4000 В.

Иногда требуется выполнить одновременный опрос входов всех модулей ввода или вывести данные одновременно в каналы всех модулей вывода. Для решения этой проблемы используют широковещательные команды, которые воспринимаются всеми модулями одновременно и они выполняют ввод или вывод данных в свои буферные регистры в одно и то же время. После этого обычным циклическим опросом данные по очереди вводятся в процессорный модуль.

Модули ввода соединяются с процессором последовательной или параллельной шиной. В магистрально-модульных системах используются параллельные шины ISA, PCI, Compact PCI, PCI Express, PC/104, SpeedBus, VME и др., в модульных ПЛК - частнофирменные (нестандартные) последовательные и параллельные шины. В контроллерах с распределенными (удаленными) модулями ввода-вывода наиболее распространены последовательные шины на основе интерфейсов RS-485 и CAN.

Преимуществом параллельной шины является высокая пропускная способность, позволяющая выполнять сканирование модулей ввода с высокой частотой и использовать модули аналогового ввода с тактовой частотой АЦП до 100 кГц. Однако небольшая длина параллельной шины, ограниченная рассинхронизацией отдельных бит в передаваемом слове, не позволяет подключить к одному контроллеру более 32 модулей. Контроллеры с последовательной шиной имеют противоположные свойства. Кроме того, они позволяют организовать распределенные системы сбора данных и управления, преимущества которых обсуждались в разделе "Архитектура автоматизированной системы".

Большинство параллельных и последовательных шин контроллеров являются одномастерными, поскольку многомастерные шины существенно сложнее и дороже.

Обмен данными с модулем выполняется по адресу, который обычно записывается в ПЗУ модуля. Иногда адресом является номер слота, в который вставляется модуль или положение микропереключателя.

Цепи входов и выходов модулей ввода должны иметь гальваническую изоляцию, назначение которой подробно описано в разделе "Защита от помех". Гальваническая изоляция может быть поканальная, когда каждый канал изолирован от остальных, или групповая. Обычно используется групповая изоляция. В удаленных модулях распределенных ПЛК может быть использована индивидуальная гальваническая изоляция интерфейса RS-485 каждого модуля или групповая изоляция интерфейсов нескольких модулей с помощью одного модуля развязывающего повторителя интерфейсов. Для передачи напряжения питания в изолированную часть модуля используются DC-DC преобразователи, построенные с применением развязывающих миниатюрных трансформаторов.

Современные модули ввода-вывода могут выполнять кроме функций ввода некоторую обработку вводимой информации и дополнительные функции: компенсацию температуры холодного спая термопар, линеаризацию нелинейных датчиков, диагностику обрыва датчика, автоматическую калибровку, ПИД-регулирование, управление движением. Перенос части функций контроллера в модули ввода-вывода является современной тенденцией, направленной на увеличение степени распараллеливания задач управления, обеспечение независимости локальных модулей (которые по своим функциям приближаются к ПЛК) и уменьшение потока информации между параллельно работающими процессорами в модулях ввода-вывода. По такому принципу построены, в частности, модули RealLab! фирмы НИЛ АП.

Самостоятельная работа № 31

Шины ISA, E ISA, VCF, VLB, PCI, AGP, PCI-E и их характеристики

Шина isa (Industrial Standard Architecture)

Шина, как известно, представляет из себя, собственно, набор проводов (линий), соединяющий различные компоненты компьютера для подвода к ним питания и обмена данными. В "минимальной комплектации" шина имеет три типа линий:

• линии управления;

• линии адресации;

• линии данных.

Устройства, подключенные к шине, делятся на две основных категории — bus masters и bus slaves. Bus masters — это устройства, способные управлять работой шины, т.е инициировать запись/чтение и т.д. Bus slaves — соответственно, устройства, которые могут только отвечать на запросы. Правда, есть еще "интеллектуальные слуги" (intelligent slaves), но мы их пока для ясности замнем. Ну вот, собственно, и все, что нужно знать про шины для того, чтобы понять, о чем пойдет речь дальше.

Шина eisa (Extended Industry Standard Architecture)

Шина EISA явилась "асимметричным ответом" производителей клонов РС на попытку IBM поставить рынок под свой контроль. В сентябре 1988 года Compaq, поддержанный "бандой девяти" — Wyse, AST Research, Tandy, собственно Compaq, Hewlett-Packard, Zenith, Olivetti, NEC и Epson — представил 32-разрядное расширение шины ISA с полной обратной совместимостью. Основные характеристики новой шины были следующими:

• 32-разрядная передача данных;

• максимальная пропускная способность — 33 МВ/сек;

• 32-разрядная адресация памяти позволяла адресовать до 4 GB (как и в расширении ISA, новые адресные линии были без задержки);

• поддержка multiply bus master;

• возможность задания уровня двухуровневого (edge-triggered) прерывания (что позволяло нескольким устройствам использовать одно прерывание, как и в случае многоуровневого (level-triggered) прерывания);

• автонастройка плат расширения;

Как и в случае 16-разрядного расширения, новые возможности обеспечивались путем добавления новых линий. Поскольку дальше удлинять разъем ISA было некуда, разработчики нашли оригинальное решение: новые контакты были размещены между контактами шины ISA и не были доведены до края разъема. Специальная система выступов на разъеме и щелей в EISA-картах позволяла им глубже заходить в разъем и подсоединяться к новым контактам. (Правда, утверждают, что при большом желании можно запихнуть и ISA-карту так, чтобы она замкнула EISA-контакты. Не знаю, не пробовал, т.к. большого опыта общения с EISA у меня нет: маленький был еще). Поскольку на данный момент шина EISA практически вымерла, приводить значения контактов разъема не имеет смысла. Стоит отметить лишь две новых сигнальных линии - EX32 и EX16, которые определяли, что bus slave поддерживает соответственно 32- и 16-разрядный цикл EISA. Если ни один из этих сигналов не был получен в начале цикла шины, выполнялся цикл ISA.

Важной особенностью шины являлась возможность для любого bus master обращаться к любому устройству памяти или периферийному устройству, даже если они имели разные разряды шины. Говоря о полной обратной совместимости с ISA, следует отметить, что ISA-карты, естественно, не поддерживали разделение прерываний, даже будучи вставленными в EISA-коннектор. Что касается поддержки multiply bus master, то она представляла собой улучшенную и дополненную версию таковой для ISA. Также присутствовали четыре уровня приоритета:

1. схемы обновления памяти;

2. DMA;

3. процессор;

4. адаптеры шины

и арбитр шины EISA — периферийный контроллер (ISP — Integrated System Peripheral) - "следил за порядком". Кроме этого, наличествовало еще одно устройство — Intel's Bus Master Interface Chip (BMIC), которое следило за тем, чтобы master "не засиживался" на шине. Через определенное количество тактов master "снимался" с шины и генерировалось немаскируемое прерывание.