2. Логическая организация памяти и методы адресации информации

К основным способам логической организации памяти относятся адресная, ассоциативная и стековая организации. В случае адресной организации размещение и поиск информации в ЗУ основаны на использовании адреса хранения слова - номера ячейки ЗУ. Ассоциативная. Поиск производится не по адресу ячейки, а по ее содержимому (по ассоциативному признаку). Поиск при этом производится параллельно во всех ячейках ЗМ. Менее универсальная (гибкая) организация, но за счет совмещения операций выборки из памяти с логическими операциями можно ускорить обработку данных (например в базах данных). Стековая. Как и ассоциативная - безадресная стековая память - одномерный массив ячеек. Запись/выборка производится по дисциплине "последний пришел - первым обслужен" (LIFO). Адресная. Основная оперативная память вычислительной машины обычно является адресной. Это значит, что каждой хранимой в памяти единице информации (слову, байту) ставится в соответствие специальное число - адрес, определяющий место ее хранения в памяти. Сведения об адресе или его составных частях содержатся в команде в виде адресного кода. Следует, однако, различать адресный код в команде Ак и исполнительный адрес Аи - номер ячейки памяти, к которой производится фактическое обращение. В современных ЭВМ стремление к уменьшению длины кода команды и созданию удобств при программировании приводит к тому, что адресный код, как правило, не совпадает с исполнительным адресом. Методы адресации Далее рассмотрим основные методы адресации, используемые в современных ЭВМ. Подразумеваемый операнд. В команде не содержится явных указаний об адресе операнда; операнд подразумевается и фактически задается кодом операции команды. Данный метод используется не часто, однако имеется несколько важных случаев его применения. В качестве примера можно привести команды подсчета, в которых к некоторому числу (содержимому счетчика) прибавляется фиксированное приращение, часто единица младшего разряда. Один из операндов — число в счетчике — обычно адресуется явным методом, второй операнд — приращение — не адресуется, в памяти машины не содержится и является подразумеваемым. Подразумеваемый адрес. В команде не содержится явных указаний об адресе участвующего в операции операнда или адреса, по которому помещается результат операции, но этот адрес подразумевается. Например, команда может содержать адреса обоих операндов, участвующих в операции, при этом подразумевается, что результат операции помещается по адресу одного из операндов. Непосредственная адресация. В команде содержится не адрес операнда, а непосредственно сам операнд. При непосредственной адресации не требуется обращения к памяти для выборки операнда и ячейки памяти для его хранения. Это позволяет во многих случаях повысить быстродействие машины и уменьшить объем памяти, необходимый для данной задачи. Прямая адресация. Исполнительный адрес совпадает с адресной частью команды. Этот метод адресации был общепринятым в первых вычислительных машинах и продолжает применяться в настоящее время в комбинации с другими методами. Относительная адресация или базирование. Исполнительный адрес определяется суммой адресного кода команды Ак и некоторого числа А_б, называемого базовым адресом: А_и = А_б + А_к Для хранения базовых адресов в машине могут быть предусмотрены регистры или специально выделенные для этой цели ячейки памяти (базовые регистры). Относительная адресация облегчает распределение памяти при составлении несколькими программистами сложных программ. Каждый программист может располагать свою часть программы в памяти, начиная с нулевого адреса. При компоновке программы достаточно только задать соответствующие значения базовых адресов. Косвенная адресация. Адресный код команды указывает адрес ячейки памяти, в которой находится адрес операнда или команды. Таким образом, косвенная адресация может быть иначе определена как "адресация адреса". На косвенную адресацию указывает код операции команды, а в некоторых ЭВМ в команде отводится специальный разряд (указатель УК) и цифра 0 или 1 в нем указывает, является ли адресная часть команды прямым или косвенным адресом. Укороченная адресация. Для уменьшения длины кода команды часто применяется так называемая укороченная адресация. Суть её сводится к тому, что в команде задаются только младшие разряды адресов. Старшие разряды при этом подразумеваются нулевыми. Такая адресация позволяет использовать только, небольшую группу фиксированных ячеек с начальными (короткими) адресами и поэтому может использоваться лишь совместно с другими методами адресации. Лекция 10 Тема 4: Принцип адресации и структура команд Тема лекции: Структура команд План лекции:

3. Командный цикл процессора

4. Структура команд процессора

5. Системы операций

4.3 Командный цикл процессора Командой называется элементарное действие, которое может выполнить про­цессор без дальнейшей детализации. Последовательность команд, выполнение которых приводит к достижению определенной цели, называется про­граммой. Команды программы кодируются двоичными словами и размеща­ются в памяти ЭВМ. Вся работа ЭВМ состоит в последовательном выполне­нии команд программы. Действия по выбору из памяти и выполнению одной команды называются командным циклом. В составе любого процессора имеется специальная ячейка, которая хранит адрес выполняемой команды — счетчик команд или программный счетчик. После выполнения очередной команды его значение увеличивается на едини­цу (если код одной команды занимает несколько ячеек памяти, то содержи­мое счетчика команд увеличивается на длину команды). Таким образом осуществляется выполнение последовательности команд. Существуют спе­циальные команды (передачи управления), которые в процессе своего выпол­нения модифицируют содержимое программного счетчика, обеспечивая пе­реходы по программе. Сама выполняемая команда помещается в регистр ко­манд — специальную ячейку процессора. Во время выполнения командного цикла процессор реализует следующую последовательность действий:

1. Извлечение из памяти содержимого ячейки, адрес которой хранится в программном счетчике, и размещение этого кода в регистре команд (чтение команды).

2. Увеличение содержимого программного счетчика на единицу.

3. Формирование адреса операндов.

4. Извлечение операндов из памяти.

5. Выполнение заданной в команде операции.

6. Размещение результата операции в памяти.

7. Переход к п. 1.

Пункты 1, 2 и 7 обязательно выполняются в каждом командном цикле, ос­тальные могут не выполняться в некоторых командах. Если длина кода команды составляет несколько машинных слов, то пп. 1 и 2 повторяются. Фактически вся работа процессора заключается в циклическом выполнении пунктов 1—7 командного цикла. При запуске машины в счетчик команд аппаратно помещается фиксированное значение — начальный адрес программы (часто 0 или последний адрес памяти; встречаются и более экзотические спо­собы загрузки начального адреса). В дальнейшем содержимое программного счетчика модифицируется в командном цикле. Прекращение выполнения командных циклов может произойти только при выполнении специальной команды "СТОП". 4.3 Структура команд процессора Разнообразие типов данных, форм их представления и действий, которые не­обходимы для обработки информации и управления ходом вычислений, по­рождает необходимость использования различных команд — набора команд. Каждый процессор имеет собственный вполне определенный набор команд, называемый системой команд процессора. Система команд должна обладать двумя свойствами — функциональной полнотой и эффективностью. Функциональная полнота — это достаточность системы команд для описания любого алгоритма. Требование функциональной полноты не является слиш­ком жестким. Доказано, что свойством функциональной полноты обладает система, включающая всего три команды (система Поста): присвоение О, присвоение 1, проверка на 0. Однако составление программ в такой системе команд крайне неэффективно. Эффективность системы команд — степень соответствия системы команд назначению ЭВМ, т. е. классу алгоритмов, для выполнения которых предна­значается ЭВМ, а также требованиям к производительности ЭВМ. Очевидно, что реализация развитой системы команд связана с большими затратами обо­рудования и, следовательно, с высокой стоимостью процессора. В то же вре­мя ограниченный набор команд приводит к снижению производительности и повышенным требованиям к памяти для размещения программы. Даже про­стые и дешевые современные микропроцессоры поддерживают систему ко­манд, содержащую несколько десятков (а с модификациями — сотен) ко­манд. Система команд процессора характеризуется тремя аспектами: форматами, способами адресации и системой операций. Форматы команд Под форматом команды следует понимать длину команды, количество, раз­мер, положение, назначение и способ кодировки ее полей. Команды, как и любая информация в ЭВМ, кодируются двоичными словами, которые должны содержать в себе следующие виды информации:

• тип операции, которую следует реализовать в данной команде (КОП);

• место в памяти, откуда следует взять первый операнд (А1);

• место в памяти, откуда следует взять второй операнд (А2);

• место в памяти, куда следует поместить результат (A3).

Способы адресации команд Способ адресации определяет, каким образом следует использовать инфор­мацию, размещенную в поле адреса команды. Не следует думать, что во всех случаях в поле адреса команды помещается адрес операнда. Существует пять основных способов адресации операндов в командах.

• Прямая — в этом случае в адресном поле располагается адрес операнда. Разновидность — прямая регистровая адресация, адресующая не ячейку памяти, а РОН. Поле адреса регистра имеет в команде значительно меньшую длину, чем поле адреса памяти.

• Непосредственная — в поле адреса команды располагается не адрес операнда, а сам операнд. Такой способ удобно использовать в командах с константами.

• Косвенная — в поле адреса команды располагается адрес ячейки памяти, в которой хранится адрес операнда ("адрес адреса"). Такой способ позволяет оперировать адресами как данными, что облегчает организацию циклов, обработку массивов данных и др. Его основной недостаток— потеря вре­мени на двойное обращение к памяти — сначала за адресом, потом — за операндом. Разновидность — косвенно-регистровая адресация, при которой в поле команды размещается адрес РОН, хранящего адрес операнда.

Этот способ, помимо преимущества обычной косвенной адресации, позво­ляет обращаться к большой памяти с помощью коротких команд и не тре­бует двойного обращения к памяти (обращение к регистру занимает гораздо меньше времени, чем к памяти).

• Относительная — адрес формируется как сумма двух слагаемых: базы, хранящейся в специальном регистре или в одном из РОН, и смещения, извлекаемого из поля адреса команды. Этот способ позволяет сократить длину команды (смещение может быть укороченным, правда в этом слу­чае не вся память доступна в команде) и/или перемещать адресуемые массивы информации по памяти (изменяя базу).

Разновидности — индексная и базово-индексная адресации. Индексная адресация предполагает наличие индексного регистра вместо базового. При каждом обращении содержимое индексного регистра автоматически модифицируется (обычно увеличивается или уменьшается на 1). Базово-индексная адресация фор­мирует адрес операнда как сумму трех слагаемых: базы, индекса и смещения.

• Безадресная — поле адреса в команде отсутствует, а адрес операнда или не имеет смысла для данной команды, или подразумевается по умолчанию. Часто безадресные команды подразумевают действия над содержимым аккумулятора. Характерно, что безадресные команды нельзя применить к другим регистрам или ячейкам памяти.

Одной из разновидностей безадресного обращения является использование т. н. магазинной памяти или стека. Обращение к такой памяти напоминает обращение с магазином стрелкового оружия. Имеется фиксированная ячейка, называемая верхушкой стека. При чтении слово извлекается из верхушки, а все остальное содержимое "поднимается вверх" подобно па­тронам в магазине, так что в верхушке оказывается следующее по порядку слово. Одно слово нельзя прочитать из стека дважды. При записи новое слово помещается в верхушку стека, а все остальное содержимое "опус­кается вниз" на одну позицию. Таким образом, слово, помещенное в стек первым, будет прочитано последним. Говорят, что стек поддерживает дисциплину LIFO — Last In First Out (последний пришел — первый ушел). Реже используется безадресная память типа очередь с дисциплиной FIFO — First In First Out (первый пришел — первый ушел). 4.4 Система операций Все операции, выполняемые в командах ЭВМ, принято делить на пять клас­сов.

• Арифметико-логические и специальные — команды, в которых выполняет­ся собственно преобразование информации. К ним относятся арифметические операции сложение, вычитание, умножение и деление (с фиксиро­ванной и плавающей занятой), команды десятичной арифме-тики, логические операции конъюнкции, дизъюнкции, инверсии и др., сдвиги, преобразо-вание чисел из одной системы счисления в другую и такие эк­зотические, как извлечение корня, решение системы уравнений и др. Конечно, очень редко встречаются ЭВМ, система команд которых включает все эти команды.

• Пересылки и загрузки — обеспечивают передачу информации между процессором и памятью или между различными уровнями памяти (СОЗУ ОЗУ). Разновидность — загрузка регистров и ячеек константами.

□ Ввода/вывода — обеспечивают передачу информации между процессором и внешними устройствами. По структуре они очень похожи на команды предыдущего класса. В некоторых ЭВМ принципиально отсутствует раз­личие между ячейками памяти и регистрами внешних устройств (единое адресное пространство) и класс команд ввода/вывода не выделяется, все обмены осуществляются в рамках команд пересылки и загрузки. □ Передачи управления — команды, которые изменяют естественный поря­док выполнения команд программы. Эти команды меняют содержимое программного счетчика, обеспечивая переходы по программе. Существуют команды безусловной и условной передачи управления. В последнем случае передача управления происходит, если выполняется заданное в коде команды условие, иначе выполняется следующая по порядку команда. В качестве условий обычно используются признаки результата предыду­щей операции, которые хранятся в специальном регистре признаков (флажков). Чаще всего формируются и проверяются признаки нулевого результата, отрицательного результата, наличия переноса из старшего разряда, четности числа единиц в результате и др. Различают три разно­видности команд передачи управления:

• переходы;

• вызовы подпрограмм;

• возвраты из подпрограмм.

Команды переходов помещают в программный счетчик содержимое своего адресного поля — адрес перехода. При этом старое значение программно­го счетчика теряется. В микроЭВМ часто для экономии длины адресного поля команд условных переходов адрес перехода формируется как сумма текущего значения программного счетчика и относительно короткого зна­кового смещения, размещаемого в команде. В крайнем случае, в командах условных переходов можно и вовсе обойтись без адресной части — при выполнении условия команда "перепрыгивает" через следующую команду, которой обычно является безусловный переход. Команда вызова подпрограммы работает подобно команде безусловного перехода, но старое значение программного счетчика предварительно со­храняется в специальном регистре или в стеке. Команда возврата передает содержимое верхушки стека или специального регистра в программный счетчик. Команды вызова и возврата работают "в паре". Подпрограмма, вызываемая командой вызова, должна заканчиваться командой возврата, что обеспечивает по окончании работы подпрограммы передачу управле­ния в точку вызова. Хранение адресов возврата в стеке обеспечивает воз­можность реализации вложенных подпрограмм. □ Системные— команды, выполняющие управление процессом обработки информации и внутренними ресурсами процессора. К таким командам от­носятся команды управления подсистемой прерывания, команды уста­новки и изменения параметров защиты памяти, команда останова про­граммы и некоторые другие. В простых процессорах класс системных команд немногочисленный, а в сложных мультипрограммных системах предусматривается большое число системных команд.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 4

1. Что входит в понятие память ЭВМ.

2. Дайте определение ёмкости памяти.

3. Объясните понятие быстродействие памяти.

4. Как различают память в зависимости от её реализации.

5. Объясните иерархической структуры запоминающих устройств.

6. Основные способы логической организации памяти.

7. Основные методы адресации, используемые в современных ЭВМ

8. Дайте определение команды и программы. Как они кодируются и где размещаются.

9. Что такое счетчик команд, регистр команд и выполняемые ими функции.

10. Последовательность действий во время выполнения командного цикла.

11. Что такое система команд процессора и её свойства.

12. Объясните понятие формат команды

13. Какую информацию должна содержать команда.

14. Что такое способ адресации, и какие основные способы адресации операндов в командах.

15. Расскажите о системах операций выполняемых в командах ЭВМ и её делении.

16. Что относится к Арифметико-логическим операциям

17. Что относится к операциям Пересылки и загрузки.

18. Что относится к операциям Ввода/вывода.

19. Что относится к операциям Передачи управления.

20. Что относится к Системным операциям.

21. Расскажите о командах перехода.

Состав компьютера Любой IBM PC-совместимый компьютер представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской архитектуры вычислительных машин. Фон-ней­мановская архитектура — не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоко­вые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцес­сорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-нейма­новских машин. Конечно же, за более чем полувековую историю ЭВМ класси­ческая архитектура прошла длинный путь развития. Тем не менее ПК можно «разложить по полочкам» следующим образом. Центральный процессор (АЛУ с блоком управления) реализуется микропро­цессором семейства х86 — от 8086/88 до новейших процессоров Pentium, Ath­lon, Opteron и т.д. Набор арифметических, логических и прочих инструк­ций насчитывает несколько сотен, а для потоковой обработки придуман прин­цип SIMD (Single Instruction Multiple Data — множество комплектов данных, обрабатываемых одной инструкцией), по которому работают расширения ММХ, 3DNow, SSE. Процессор имеет набор регистров, часть которых доступ­на для хранения операндов, выполнения действий над ними и формирования адреса инструкций и операндов в памяти. Другая часть регистров используется процессором для служебных (системных) целей, доступ к ним может быть огра­ничен (есть даже программно-невидимые регистры). Все компоненты компьюте­ра представляются для процессора в виде наборов ячеек памяти или/и портов ввода-вывода, в которые процессор может записывать и/или из которых может считывать содержимое. Оперативная память (ОЗУ) — самый большой массив ячеек памяти со смежными адресами — реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической памяти. Для повышения производительности обмена данными (включая и считывание команд) опера­тивная память кэшируется сверхоперативной памятью. Два уровня кэ­ширования территориально располагаются в микропроцессоре. Оперативная память вместе с кэшем всех уровней (в настоящее время — до трех) представля­ет собой единый массив памяти, непосредственно доступный процессору для записи и чтения данных, а также считывания программного кода. Помимо опе­ративной память включает также постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти (напри­мер, видеопамять графического адаптера). Вся эта память (вместе с оператив­ной) располагается в едином пространстве с линейной адресацией. В любом компьютере обязательно есть энергонезависимая память, в которой хранится программа начального запуска компьютера и минимально необходимый набор сервисов (ROM BIOS). Процессор (один или несколько), память и необходимые элементы, связываю­щие их между собой и с другими устройствами, называют центральной частью, или ядром, компьютера (или просто центром). То, что в фон-неймановском компьютере называлось устройствами ввода-вывода (УВВ), удобнее называть периферийными устройствами. Периферийные устройства (ПУ) — это все программно-доступные компоненты компьютера, не попавшие в его центральную часть. Их можно разделить по на­значению на несколько классов:

• Устройства хранения данных (устройства внешней памяти) — дисковые (магнитные, оптические, магнитооптические), твер­дотельные (карты, модули и USB-устройства на флэш-памяти). Эти устрой­ства используются для сохранения информации, находящейся в памяти, на энергонезависимых носителях и загрузки этой информации в оперативную память.

• Устройства ввода-вывода служат для преобразования информации из внут­реннего представления компьютера (биты и байты) в форму, понятную ок­ружающим, и обратно.

• Коммуникационные устройства служат для передачи информации между компьютерами и/или их частями. Сюда относят модемы (проводные, радио, оптические, инфракрасные...), адаптеры локальных и глобальных сетей. В дан­ном случае преобразование формы представления информации требуется только для передачи ее на расстояние.

Процессор, память и периферийные устройства взаимодействуют между собой с помощью шин и интерфейсов, аппаратных и программных; стандартизация интерфейсов делает архитектуру компьютеров открытой. 1.5 Биты, байты, слова Компьютер работает в двоичной системе счисления — минимальным информа­ционным элементом является бит, который может принимать значение 0 или 1. Этим значениям соответствуют различимые физические состояния ячейки, чаще всего — уровень напряжения (низкий или высокий). Биты организуются в более крупные образования — ячейки памяти и регистры. Каждая ячейка па­мяти (и каждый регистр) имеет свой адрес, однозначно ее идентифицирующий в определенной системе координат. Минимальной адресуемой (пересылаемой между компонентами компьютера) единицей информации является байт, со­стоящий из 8 бит. Два байта со смежными адресами образуют слово (word) разрядностью 16 бит, два смежных слова — двойное слово (double word) разрядностью 32 бита, два смежных двойных слова — учетверенное слово (quad word) разрядностью 64 бита. Байт (8 бит) делится на пару тетрад (nibble): старшую тетраду — биты [7:4] и младшую тетраду -биты [3:0]. В двухбайтном слове принят LH-порядок следования байтов: адрес слова указы­вает на младший байт L (Low), а старший байт Н (High) размещается по адресу, большему на единицу. В двойном слове порядок аналогичен — адрес указывает на самый младший байт, после которого размещены следующие по старшинству. В технической документации, электрических схемах и текстах программ могут применяться разные способы представления чисел:

• Двоичные (binary) числа — каждая цифра отражает значение одного бита (0 или 1), старший бит всегда пишется слева, после числа ставится буква «b». Для удобства восприятия тетрады могут быть разделены пробелами, напри­мер, 1010 0101b.

• Шестнадцатеричные (hexadecimal) числа — каждая тетрада представляется одним символом 0...9, А, В, C, D, E, F. Обозначаться такое представление может по-разному, в данной книге используется только символ «h» после послед­ней шестнадцатеричной цифры, например, A5h. В текстах программ это же число может обозначаться и как 0хА5, и как 0A5h, в зависимости от синтак­сиса языка программирования. Незначащий ноль (0) добавляется слева от старшей шестнадцатеричной цифры, изображаемой буквой, чтобы различать числа и символические имена.

• Десятичные (decimal) числа — каждый байт (слово, двойное слово) представляется обычным числом, а признак десятичного представления (букву «d») обычно опускают. Байт из предыдущих примеров имеет десятичное значение 165. В отличие от двоичной и шестнадцатеричной форм записи, по десятичной трудно в уме определить значение каждого бита, что иногда при­ходится делать.

• Восьмеричные (octal) числа — каждая тройка битов (разделение начинается с младшего) записывается в виде цифры из интервала 0-7, в конце ставится признак «о». То же самое число записывается как 245о. Восьмеричная систе­ма неудобна тем, что байт не разделить поровну, но зато все цифры — привычные.

Ячейки памяти, порты и регистры Поясним разницу между ячейками памяти, портами и регистрами. Ячейки па­мяти служат лишь для хранения информации — сначала ее записывают в ячей­ку, а потом могут прочитать, а также записать иную информацию. Порты вво­да-вывода, как правило, служат для преобразования двоичной информации в какие-либо физические сигналы и обратно. Например, порт данных параллель­ного интерфейса формирует электрические сигналы на разъеме, к которому обычно подключают принтер. Электрические сигналы, поступающие от принте­ра, порт состояния того же интерфейса отображает в виде набора битов, кото­рый может быть считан процессором. Регистр — довольно широкое понятие, которое зачастую используется как синоним порта. Регистры могут служить для управления устройствами (и их контроллерами) и для чтения их состоя­ния. Регистры (как и порты) могут образовывать каналы:

• Каналы ввода-вывода данных. Пример — регистр данных СОМ-порта: байты, записываемые друг за другом в этот регистр, в том же порядке будут переда­ваться по последовательному интерфейсу, то есть поступать в канал вывода. Если этот интерфейс подключить к СОМ-порту другого компьютера и вы­полнять программные чтения его регистра данных, мы получим байт за бай­том переданные данные. Таким образом, здесь регистр играет роль канала ввода.

• Каналы управления. Если запись в регистр определенных данных (битовых комбинаций) изменяет состояние некоего устройства (сигнал светофора, по­ложение какого-то механизма...), то регистр образует канал управления.

• Каналы состояния. Пример — регистр игрового порта (game-порт), к которо­му подключен джойстик. Чтение регистра дает информацию о состоянии кнопок джойстика (нажаты или нет).

Канал отличается от ячейки памяти рядом свойств. Если в ячейку памяти запи­сывать раз за разом информацию, то последующее считывание возвращает ре­зультат последней записи, а все предшествующие записи оказываются беспо­лезными. Если ячейку памяти считывать раз за разом, не выполняя запись в нее, то результат считывания каждый раз будет одним и тем же. «Лишнее» чтение ячейки памяти не приведет ни к каким по­бочным эффектам. Каждый байт (ячейка памяти, порт, регистр) имеет собственный уникальный физический адрес. Этот адрес устанавливается на системной шине процессором, когда он инициирует обращение к данным ячейке или порту. По этому же адре­су к этой ячейке (порту, регистру) могут обращаться и другие активные компо­ненты системы — так называемые мастера шины. В семействе х86 и PC-совместимых компьютерах пространства адресов ячеек памяти и портов ввода-вывода разделены.. Нынеш­ние 32-битные процессоры имеют разрядность физического адреса памяти 32 и даже 36 бит, что позволяет адресовать до 4 и 64 Гбайт соответственно. Про­странство ввода-вывода использует только младшие 16 бит адреса, что позволя­ет адресовать до 65 384 однобайтных регистров. Регистры различных устройств могут быть приписаны как к пространству пор­тов ввода-вывода, так и к пространству памяти. Под портом устройства, как правило, подразумевают регистр, связанный с этим устройством и приписан­ный к пространству портов ввода-вывода. Точность приведенной терминоло­гии, конечно же, относительна. Так, к примеру, ячейки видеопамяти (тоже па­мять!) служат в основном не для хранения информации, а для управления свечением элементов экрана. Понятие Memory Mapped I/O означает регистры периферийных устройств, отображенные на пространство памяти (то есть зани­мающие адреса именно в этом пространстве, а не в пространстве ввода-вывода). Разделение пространств памяти и ввода-вывода было вынужденной мерой в ус­ловиях дефицита адресуемого пространства 16-битных процессоров и сохрани­лось во всех процессорах х86. В процессорах ряда других семейств такого разделения нет, и для нужд ввода-вывода используется выделенная область единого адресного пространства. Тенденция изживания пространства ввода-вы­вода наблюдается в современных спецификациях устройств и интерфейсов для PC.

Состав системного блока Системный блок обычно включает в себя: системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств; платы расширения с контроллерами — адаптерами внеш­них устройств. В зависимости от его конфигурации и размеров корпуса опреде­ляются такие характеристики ПК, как возможность дальнейшего расширения, транспортировка, доступ к компонентам и т. д. Типы корпусов: Slimline, Desktop, Tower (Mini-Tower, Midi-Tower, Super-Big-Tower), File Server (рис. 1.4). Рисунок 1.4- Типы корпусов ПК Системная плата (рис. 4.4) является основой системного блока, который обеспечивает внутренние связи, взаимодействует через прерывания с внешними устройствами и содержит компоненты, оп­ределяющие архитектуру ПК. Системные платы с различными мик­ропроцессорами отличаются друг от друга по типам применяемых элементов и модулей памяти, возможностям конфигурирования и т. д. Набор микросхем на системной плате, обеспечивающий ра­боту ЦП по обмену данными с периферийными устройствами, на­зывают Chipset.

Разъемы задней панели 1,2 – разъемы PS/2 (мышь и клавиатура) 3,4 – разъемы USB 5 – принтер (LPT1 6-9 – штырьковые (D9) разъемы последовательных портов 8 – игро­вой порт 9, 10, 11- разъемы звуковой платы (микрофон, линейный вход, линейный выход) Рисунок 1.5-Системная плата АТХ и её основные разъемы Чипсет Chipset, или «PCIset» — совокупность микросхем, размещенных на системной плате, которые организуют потоки команд и данных в ПЭВМ. Сюда входят: основная память, вторичная кэш-память и устройства, связанные с шинами ISA и PCI. Кроме того, чипсет контролирует потоки данных НЖМД и других устройств, соединен­ных с каналом IDE. Иногда в состав чипсета включают и сам мик­ропроцессор. Чипсеты производят различные фирмы — SIS, VIA, OPTI и Intel

Дополнительные интегральные микросхемы К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные интегральные микросхемы, расширяющие и улучшающие функцио­нальные возможности микропроцессора:

• математический сопроцессор;

• контроллер прямого доступа к памяти;

• сопроцессор ввода-вывода;

• контроллер прерываний и т. д.

Математический сопроцессор широко используется для уско­ренного выполнения операций над двоичными числами с фиксиро­ванной и плавающей запятой, над двоично-кодированными деся­тичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических функций. Математический сопро­цессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совме-щенно во времени) с основным МП, но под управлением последне­го. Ускорение операций происходит в десятки раз. Контроллер прямого доступа к памяти (DMA — Direct Memory Access) обеспечивает обмен данными между внешними устройства­ми и оперативной памятью без участия микропроцессора, что суще­ственно повышает эффективное быстродействие ПК. Иными слова­ми, режим DMA позволяет освободить процессор от рутинной пере­сылки данных между внешними устройствами и ОП, отдав эту работу контроллеру DMA; процессор в это время может обрабаты­вать другие данные или другую задачу в многозадачной системе. Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП существенно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при об­служивании нескольких внешних устройств (дисплея, принтера, НЖМД, НГМД и т. д.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания. Прерывание — временная приостановка выполнения одной про­граммы с целью оперативного выполнения другой, в данный мо­мент более важной (приоритетной) программы. Контроллер прини­мает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уро­вень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. Микропроцессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполне­ние текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым. Прерывания возникают при работе компьютера постоянно, достаточно сказать, что все про­цедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям. Например, в компьютерах IBM PC прерывания от таймера возника­ют и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (длятся эти прерывания тысячные доли секунды и поэтому пользо­ватель их не замечает). Основная память Основная память (ОП) предназначена для хранения и оператив­ного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содер­жит два вида запоминающих устройств: • оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM — Random Access Memory) предназначено для оперативной запи­си, хранения и считывания информации (программ и дан­ных), непосредственно участвующей в информационно-вы­числительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Большинство современных компьютеров комплектуются моду­лями типа DIMM (Dual-In-line Memory Module — модуль памяти с двухрядным расположением микросхем). В компьютерных системах на самых современных процессорах используются высокоскорост­ные модули Rambus DRAM (RIMM) и DDR2 DRAM.

Рисунок 1.7- Модули памяти RIMM и DIMM • постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM — Read Only Memory) предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации; позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя); Специальная память К устройствам специальной памяти относятся постоянная па­мять (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти. Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — па­мять только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройст­ве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать. Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого. Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся програм­мы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памя­тью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств. Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны, это неотъемлемый эле­мент аппаратуры, а с другой стороны — важный модуль любой опе­рационной системы. BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-выво­да) — совокупность программ, предназначенных для автоматическо­го тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память. Разновидность постоянного ЗУ — CMOS RAM (рис. 4.9). CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и ми­нимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать, читается «сетап»). Для хранения графической информации используется видео­память. Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в ко­тором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — про­цессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одно­временно с обновлением видеоданных в памяти. Контрольные вопросы по теме 1

1. Кем и когда была создана первая счетная машина, выполняющая арифметические действия.

2. Какую машину можно считать первой вычислительной машиной.

3. Когда была создана первая ЭВМ.

4. Расскажите о вкладе фирмы IBM в создании ЭВМ.

5. Кем и когда был создан первый микропроцессор.

6. Когда и кем был создан первый микрокомпьютер (ПК).

7. Расскажите о вариантах классификации ЭВМ.

8. Кто сформулировал основные идеи построения современных ЭВМ.

9. Расскажите о принципах программного управления Дж.фон Неймана.

10. Перечислите основные части компьютера.

11. Что представляет собой процессор.

12. Общие сведения об оперативной памяти.

13. Расскажите о назначении и делении периферийных устройств.

14. В какой системе счисления работает компьютер. Что такое бит, байт, ячейка памяти и регистры.

15. Расскажите о различных способах представления чисел.

16. Расскажите о ячейках памяти, портах и регистрах.

17. Назовите названия и характеристики первых ПК.

18. Перечислите характерные черты любого РС-совместимого компьютера.

19. Расскажите о составе системного блока.

20. Объясните понятие чипсет, что входит в её состав.

21. Расскажите об основной памяти компьютера.

22. Расскажите о специальной памяти компьютера.

1. Основные понятия

 

Основной компонент компьютера – процессор, точнее центральный процессор (Central Processing Unit, CPU). Подобные процессоры находятся не только в PC (Personal Computer) – в принципе процессором оборудована каждая современная стиральная машина или микроволновая печь. CPU регулирует, управляет и контролирует рабочий процесс. Он находится в постоянном взаимодействии с другими элемента­ми материнской платы до тех пор, пока PC включен.

Процессор – блок компьютера, выполняющий арифметические и логические операции, управляющий работой всех его составных частей.

В области PC имеется однозначный лидер на рынке – фирма Intel, которая контролирует около 80% рынка микропроцессоров для PC. Наиболее известны еще две фирмы: AMD и Cyrix.

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя основными характеристиками – типом (моделью) и тактовой частотой.

Процессоры, как и все электрические схемы, получили обозначение типов. Для PC обозначение CPU младших поколений начинается с 80, затем следуют две или три цифры, которые при необходимости дополняются буквами или дальнейшими цифра­ми, указывающими тактовую частоту процессора. Тактовая частота задается генератором тактовых импульсов.

Генератор тактовых импульсов – устройство, генерирующее последовательность электрических импульсов.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция машины выполняется за определенное количество тактов. Разные процессоры выполняют одну и ту же операцию за разное количество тактов.

Определение типа процессора чаще всего начинается с сокращения, идентифицирую­щего изготовителя. Например: i80486DX-50 обозначает процессор типа 80486, изготовленный фирмой Intel и работающий с тактовой скоростью 50 МГц. (Герц – единица частоты. Частота в 1 Герц означает, что производится одно действие в секунду.) Микросхемы фирмы Advanced Micro Devices обозначаются префиксом AMD, a процессоры Cyrix маркируются как СХ. При запуске PC эти буквы появляют­ся на экране монитора перед номером типа процессора.

Производительность – относительная эффективность работы компьютера или устройства, определяемая с помощью тестов.

Производительность CPU характеризуется следующими основными пара­метрами:

• степенью интеграции;

• внутренней и внешней разрядностью обрабатываемых данных;

• тактовой частотой;

• памятью, к которой может адресовываться CPU.

Степень интеграции микросхемы (чипа) показывает, сколько транзисторов может в нем уместиться. Для процессора Pentium (80586) Intel – это прибли­зительно 3 млн. транзисторов на 3,5 см2.

Внутренняя разрядность данных. Существенной характеристикой процессора является количество бит, которое он может обрабатывать одновременно внутри CPU. Для ариф­метических команд, выполняющихся CPU, важно, сколько бит могут обрабатываться одновременно: 16, 32 или 64.

Внешняя разрядность данных. Увеличение производительности системы вследствие увеличения количе­ства бит, обрабатываемых внутри процессора, ощущалось бы, если бы другие элементы материнской платы смогли справиться с таким обменом данными с CPU.

По этой причине материнская плата с процессором 386SX (32-битная внут­ренняя разрядность и 16-битная внешняя) может работать порой так же, как и плата с процессором 386DX (32-битная разрядность, как внутренняя, так и внешняя).

Тактовая частота. Конструктивные эле­менты, расположенные на материнской плате, работают строго с указанным тактом, чтобы координировать друг с другом отдельные шаги работы. Также в процессе работы CPU выполняет определенные операции (запись, чтение, обработка данных и т.д.) за точно отведенные единицы времени, что необходимо для синхронизации процесса. Очевидно, что обработка информа­ции тем быстрее, чем выше тактовая частота CPU. Но при этом следует обра­тить внимание и на другие микросхемы. Они должны продуцировать в CPU данные с такой тактовой частотой, чтобы, как говорят, не затопить его в потоке дан­ных или не заставить ждать новой информации. Конечно, имеются процессоры, кото­рые могут работать с более высокой частотой. Однако только заменой кварцевого генератора опасно заставлять работать всю материнскую плату с более высокой тактовой частотой, потому что, если даже CPU и “выживет”, то этого, возможно, не вынесут другие составные элементы платы.

Адресация памяти. CPU находится в прямом контакте с оперативной памятью PC. Данные, кото­рые обрабатывает CPU, должны временно располагаться в RAM и для даль­нейшей обработки снова могут быть востребованы из памяти. Для CPU 8086/88 область адресации располагается максимум до 1 Мбайт. Процессор 80486 может обеспечить доступ уже к 4 Гбайт памяти.

Реальный режим (Real Mode) соответствует возможностям CPU 8086/8088, позволяя адресовать не более 1 Мбайт памяти.

Чтобы поддержать совместимость с ранее разработанными программами, про­цессоры 286 и даже Pentium работают под управлением операционной систе­мы MS DOS в реальном режиме и используют при этом, конечно же, мини­мальные возможности процессора.

Защищенный режим (Protected Mode) появился впервые в CPU 80286. В этом режиме CPU может адресовать до 16 Мбайт физической и до 1 Гбайта вирту­альной памяти. Если физическая память полностью загружена, то “непомес­тившиеся” данные располагаются на винчестере. Таким образом, CPU рабо­тает не с реальными, а с виртуальными адресами, которые управляются через специальные таблицы, с тем чтобы информацию можно было найти (или сно­ва записать). Эту память называют еще виртуальной памятью, потому что фак­тически она не существует.

Кроме того, в защищенном режиме возможна поддержка мультизадачного режима (Multitasking). При этом CPU может выполнять различные программы в выделенные кванты времени, выпадающие на каждую из программ (пользо­вателю же кажется, что программы выполняются одновременно).

Виртуальный режим. Впервые, начиная с процессора 386, CPU способны эмулировать работу несколь­ких процессоров 8086 (максимум 256) и тем самым обеспечить многопользо­вательский режим таким образом, что на одном PC могут быть запущены одновременно даже различные операционные системы. Естественно, увели­чивается и возможное количество выполняемых приложений.

 2. Развитие моделей процессоров и их характеристик

 

Первый 16-разрядный процессор i8086 фирма Intel выпустила в 1978 году. Часто­та – 5 Мгц, позже появились процессоры с частотой 8 и 10 МГц. Технология 3 мкм, 29 000 тран­зисторов. Адресуемая память 1 Мбайт. Через год появился i8088 – тот же процессор, но с 8-разрядной шиной данных. С него началась исто­рия IBM PC, неразрывно связанная со всем дальнейшим развитием процессоров Intel. Массовое распространение и открытость архитектуры IBM PC привели к лавинообразным темпам появления нового программного обеспечения, разраба­тываемого крупными, средними и мелкими фирмами, а также энтузиастами-оди­ночками. Технический прогресс тогда и сейчас был бы немыслим без развития процессоров, но, с учетом огромного объема уже существующего программного обеспечения для PC, уже тогда возник принцип обратной программной совмести­мости – старые программы должны работать на новых процессорах. Таким обра­зом, все нововведения в архитектуре последующих процессоров должны были пристраиваться к существующему ядру.

Процессор i80286, знаменующий следующий этап архитектуры, появился только в 1982 году. Он уже имел 134 000 транзисторов (технология 1,5 мкм) и адресовал до 16 Мбайт физической памяти. Его принципиальные новшества – защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гбайт – не нашли массового приме­нения; процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.

 

Рождение 32-разрядных процессоров (архитектура IA-32) ознаменовалось в 1985 году моделью i80386 (275 000 транзисторов, 1,5 мкм). Разрядность шины данных  (как и внутренних регистров) достигла 32 бит, адресуемая физическая память – 4 Гбайт. Появились новые регистры, новые 32-битные операции, существенно доработан защищенный режим, были введены виртуальный режим и страничное управле­ние памятью. Процессор нашел широкое применение в PC; на его “благодатной почве” стал разрастаться  Microsoft Windows с прило­жениями. С этого времени стала заметна тенденция “положительной обратной связи”: на появление нового процессора производители ПО реагируют выпуском новых привлекательных продуктов, последующим версиям которых становится тесно на новом процессоре. Появляется более производительный процессор, но и его ресурсы быстро признаются недоста­точными.

История процессора 80386 повторила судьбу 8086/8088: первую модель с 32-раз­рядной шиной данных (впоследствии названной 386DX) сменил 386SX с 16-раз­рядной шиной. Он довольно легко вписывался в архитектуру PC AT, ранее бази­ровавшуюся на процессоре 80286.

Процессор Intel 486DX создан в 1989 году. Транзисторов – 1,2 миллиона, техноло­гия 1 мкм. От процессора 80386 существенно отличается размещением на крис­талле первичного кэша и встроенного математического сопроцессора – FPU (предыдущие процессоры использовали внешние сопроцессоры х87). Далее появились его разновидности, отличающиеся наличием или отсутствием сопроцессора, применением внутреннего умножения частоты, политикой кэширования и другим. Тогда же Intel занялась энергосбере­жением, что отразилось и в линии 386 – появился процессор Intel386SL.

В 1993 году были созданы первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц – 32-разрядные процессоры с 64-разрядной шиной данных, транзисторов – 3,1 миллиона, технология 0,8 мкм, питание 5 В. От 486 процессор Pentium принципиально от­личается суперскалярной архитектурой – способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся в 1994 году, пред­ставляли второе поколение этих процессоров. При почти том же числе тран­зисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потреб­ляемую мощность. От первого поколения они отличались внутренним умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и другим типом кор­пуса. Появились версии (75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных при­менений (блокнотных PC). Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярными в PC. В 1995 году были выпущены процессоры на 120 и 133 МГц, выполненные уже по технологии 0,35 мкм (первые процессоры на 120 МГц делались по технологии 0,6 мкм). 1996 год называют годом Pentium – появились процессо­ры на 150, 166 и 200 МГц, и Pentium стал рядовым процессором в массовых PC.

Параллельно с Pentium развивался и процессор Pentium Pro, который отличался “динамическим исполнением”, направленным на увеличение числа параллельно исполняемых инструкций. Кроме того, в его корпусе разместили вторичный кэш, работающий на частоте ядра, – для начала объемом 256 Кбайт. Однако на 16-раз­рядных приложениях, а также в среде Windows 95 он был ничуть не быстрее Pentium. Процессор содержит 5,5 миллионов транзисторов ядра и 15,5 миллионов транзисто­ров для вторичного кэша объемом 256 Кбайт. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года были достигнуты частоты 166, 180 и 200 МГц (технология 0,35 мкм), а кэш увели­чен до 512 Кбайт.

После долгих обещаний в начале 1997 года фирма Intel выпустила процессоры Pentium ММХ. Технология ММХ (MultiMedia extensions, мультимедийные рас­ширения) предполагает параллельную обработку группы операндов одной инст­рукцией. Технология ММХ призвана ускорить выполнение мультимедийных приложений, в частности операций с изображениями и обработки сигналов. Ее эффективность вызывает споры в среде разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обработки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки-распаковки. Кроме того, ограниченная разрядность ставит под сомнение применение ММХ в декодерах MPEG-2, в которых требуется обра­ботка 80-битных операндов. Кроме ММХ, эти процессоры, по сравнению с обыч­ным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производитель­ность Pentium ММХ на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 миллиона транзисторов и выполнены по технологии 0,35 мкм. Развитие линейки моделей Pentium ММХ сейчас остановилось. Последние достигнутые тактовые частоты – 166, 200 и 233 МГц. Для мобильных применений (блокнотных ПК) процессоры под кодовым названием Tillamook выпускались по технологии 0,25 мкм, тактовая частота достигла 266 МГц при уменьшенной потребляемой мощности.

В мае 1997 года появился процессор Pentium II. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое ввели поддержку ММХ. Трудности размещения вторичного кэша и  процессорного ядра в корпусе одной микросхемы преодолели простым спосо­бом – кристалл с ядром (processor core) и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, разместили на небольшой печатной плате-картридже. Первые процессоры имели частоту ядра 233, 266 и 300 МГц (технология 0,35 мкм), летом 1998 года была достигнута частота 450 МГц (технология 0,25 мкм), причем внешняя тактовая частота с 66 МГц повысилась до 100 МГц. Вторичный кэш этих процессоров работает на половине частоты ядра.

В 1999 году появились процессоры Pentium III. Частота ядра подбира­ется к 1 ГГц, частота системной шины – 100 и 133 МГц. На базе Pentium II появилось семейство “облегченных” процессоров Celeron, сначала без вторичного кэша, а потом и с интегрированным вторичным кэшем размером 128 Кбайт. Для мощных компьютеров имеется семейство процессоров Хеоn, которое охватывает и Pentium II, и Pentium III. Для этих процессоров характерен больший объем вторичного кэша, поддержка более чем двухпроцессорных конфигураций и более крупный картридж. Есть процессоры Pentium II/III и для мобильных при­менений.

 Конечно, перечисленными моделями не исчерпывается весь мировой ассорти­мент микропроцессоров. Это только представители семейства процессоров, име­ющих обобщенное название х86. Ряд фирм (например, AMD, Cyrix, IBM) выпуска­ет процессоры, совместимые с перечисленными процессорами Intel и имеющие свои характерные особенности. Обычно они слегка отставали от изделий Intel, выпускаемых в то же время. Однако процессор К7 от AMD изменил ситуацию. Ряд фирм (DEC, Motorola, Texas Instruments, IBM) имеет разработки процессоров, существенно отличающиеся от семейства х86; есть другие классы процессоров и у Intel. Среди них присутствуют и гораздо более мощные процессоры, относящиеся как к RISC, так и к CISC архитектуре.

 

Вопросы:

 

1.      Какие функции выполняет процессор?

2.      Что является главными характеристиками микропроцессора?

3.      Дайте определение генератора тактовых импульсов?

4.      Какими параметрами характеризуется производительность процессора? Охарактеризуйте их.

5.      В каком году был выпущен первый микропроцессор фирмы Intel?

6.      В каком году был выпущен первый микропроцессор  Pentium фирмы Intel?

7.      Дайте краткую характеристику развития моделей процессоров?