Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы информатики, организации ЭВМ, вычислительных и информационных систем. Учебное пособие
.pdf
отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться
в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows 11
требуется объем памяти жесткого диска не менее 64 Гбайт и не ме-
нее 4 Гбайт оперативной памяти ЭВМ.
Надежность - это способность ЭВМ при определенных усло-
виях выполнять требуемые функции в течение заданного периода
времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) 23
82/14-78).
Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее произ-
водства. Переход на новую элементную базу - сверхбольшие инте-
гральные схемы (СБИС) резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом.
Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный
принцип построения позволяет легко проверять и контролировать
работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неис-
правностей.
Точность - возможность различать почти равные значения
(стандарт ISO - 2382/2-76). Точность получения результатов обра-
ботки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными единицами представления информации
(байтом, словом, двойным словом).
Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности,
например, при обрабатывании текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно ис-
пользовать 8-и, 16- разрядные двоичные коды.
При выполнении сложных расчетов требуется использовать более высокую разрядность (32, 64 и даже более). Поэтому все совре-
менные ЭВМ имеют возможность работы с 16- и 32- разрядными
машинными словами. С помощью средств программирования языков высокого уровня этот диапазон может быть увеличен в несколь-
ко раз, что позволяет достигать очень высокой точности.
Достоверность - свойство информации быть правильно вос-
принятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения
безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обес-
печивается аппаратурно-программными средствами контроля самой
ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения
эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных
100
случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и срав-
нение результатов.
3.5. Функциональная и структурная организация процес-
сора [10]
Центральный процессор (ЦП) – функционально-законченное
программно-управляемое устройство обработки информации, вы-
полненное на одной или нескольких СБИС. В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры пре-
имущественно двух основных архитектур:
полный набор команд переменной длины – Complex Instruction
Set Computer (CISC);
сокращенный набор команд фиксированной длины — Reduced
Instruction Set Computer (RISC).
Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персо-
нальные компьютеры IBM, имеют архитектуру CISC, а процессоры
Motorola, используемые фирмой Apple для своих ПК имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недо-
статки. Так CISC-процессоры имеют обширный набор команд (до
400), из которых программист может выбрать команду, наиболее
подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры
является то, что большой набор команд усложняет внутреннее
устройство управлении процессором, увеличивает время ис-
полнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют
различную длину и время исполнении.
RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд, и каждая
команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое
число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC-архитектуры можно отнести то что, если требуемой
команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая раз-
мер программного кода.
Упрощенная схема процессора CISC, отражающая основные
особенности архитектуры микроуровня, приведена на рис. 41.
Наиболее сложным функциональным устройством процессора яв-
101
ляется устройство управления выполнением команд, состоящее
из четырех компонентов:
буфер команд, который хранит одну или несколько очеред-
ных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшай
время ее выборки из памяти;
дешифратор команд расшифровывает код операции оче-
редной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы,
которая реализует исполнение команды;
управление выборкой очередной микрокоман-
ды представляет собой небольшой процессор, работающий по
принципу фон Неймана, имеет свой счетчик микрокоманд, который
автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микро-
команд;
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микроко-
манд — это запоминающее устройство, в которое информация за-
писывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него информация сохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного
питающего напряжения.
Рис. 41– Архитектура CISC-процессора
Поступивший от дешифратора команд адрес записывается в
счетчик микрокоманд устройства выборки, и начинается процесс
обработки последовательности микрокоманд. Выборка очередной
микрокоманды осуществляется через определенный интервал времени, который, в свою очередь, зависит от времени выполнения
предыдущей микрокоманды. Частота, с которой осуществляется
выборка микрокоманд, называется тактовой частотой процессора.
102
Тактовая частота является важной характеристикой процессора, так
как определяет скорость выполнения процессором команд, и, в ко-
нечном итоге, быстродействие процессора.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для
выполнения арифметических и логических операций преобразова-
ния информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких спе-
циальных регистров, полноразрядного сумматора и схем местного
управления.
Регистры общего назначения (РОН) используются для времен-
ного хранения операндов исполняемой команды и результатов вы-
числений, а также хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-
вывода для команд, обращающихся к памяти и внешним устрой-
ствам.
Следует отметить, что при более подробном рассмотрении современных процессоров, их структура будет выглядеть гораздо
сложнее, поскольку в процессе эволюции от классического фон-
неймановского до наших дней в них было добавлено множество дополнительных блоков, способствующих повышению быстродей-
ствия и производительности обработки команд.
3.6. Организация запоминающих устройств [7]
Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих
для запоминания, хранения и выдачи информации.
Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называ-
ются запоминающими устройствами (ЗУ) того или иного типа.
Термин "запоминающее устройство" обычно используется, когда речь идет о принципе построения некоторого устройства памяти
(например, полупроводниковое ЗУ, ЗУ на жестком магнитном диске
и т.п.), а термин "память" - когда хотят подчеркнуть выполняемую
устройством памяти логическую функцию или место расположения
в составе оборудования ЭВМ (например, оперативная память ОП, внешняя память и т.п.). В тех вопросах, где эти отличия не
имеют принципиального значения, термины "память" и " запоми-
нающее устройство " мы будем использовать как синонимы.
Запоминающие устройства играют важную роль в общей
структуре ЭВМ. По некоторым оценкам производительность
103
Компьютера на разных классах задач на 40-50% определяется
характеристиками ЗУ различных типов, входящих в его состав.
К основным параметрам, характеризующим запоминающие
устройства, относятся емкость и быстродействие.
Емкость памяти - это максимальное количество данных, ко-
торое в ней может храниться.
Емкость запоминающего устройства измеряется количеством
адресуемых элементов (ячеек) ЗУ и длиной ячейки в битах. В настоящее время практически все запоминающие устройства в качестве
минимально адресуемого элемента используют 1 байт (1 байт = 8
двоичных разрядов (бит)). Поэтому емкость памяти обычно опре-
деляется в байтах, килобайтах (1Кбайт=2
(1Мбайт = 2
20
байт), гигабайтах (1Гбайт = 230 байт) и т.д.
10
байт), мегабайтах
За одно обращение к запоминающему устрой-
ству производится считывание или запись некоторой единицы дан-
ных, называемой словом, различной для устройств разного типа.
Это определяет разную организацию памяти. Например, память объемом 1 мегабайт может быть организована как 1М
слов по 1 байту, или 512К слов по 2 байта каждое, или 256К
слов по 4 байта и т.д.
В то же время, в каждой ЭВМ используется свое поня-
тие машинного слова, которое применяется при определении архи-
тектуры компьютера, в частности при его программировании, и не
зависит от размерности слова памяти, используемой для построения
данной ЭВМ. Например, компьютеры с архитекту-
рой IBM PC имеют машинное слово длиной 2 байта.
Быстродействие памяти определяется продолжительно-
стью операции обращения, то есть временем, затрачиваемым
на поиск нужной информации в памяти и на ее считывание, или
временем на поиск места в памяти, предназначаемого для хранения
данной информации, и на ее запись:
t
= max(t
обр
обр сч
, t
обр зп
)
где:
t
t
- быстродействие ЗУ при считывании информации;
обр сч
- быстродействие ЗУ при записи.
обр зп
104
Классификация запоминающих устройств
Запоминающие устройства можно классифициро-
вать по целому ряду параметров и признаков.
На рис.42 представлена классификация по типу обращения и организации доступа к ячейкам ЗУ.
Рис. 42 – Классификация запоминающих устройств
По типу обращения ЗУ делятся на устройства, допускающие
чтение и запись информации, и постоянные запоминающие
устройства (ПЗУ), предназначенные только для чтения записан-
ных в них данных (ROM - read only memory).
ЗУ первого типа используются в процессе работы процессора
для хранения выполняемых программ, исходных данных, промежу-
точных и окончательных результатов. В ПЗУ, как правило, хранятся системные программы, необходимые для запуска компьютера в
работу, а также константы. В некоторых ЭВМ, предназначенных,
например, для работы в системах управления по одним и тем же неизменяемым алгоритмам, все программное обеспечение может храниться в ПЗУ.
В ЗУ с произвольным доступом (RAM - random access memory)
время доступа не зависит от места расположения участка памяти
(например, ОЗУ).
В ЗУ с прямым (циклическим) доступом благодаря непрерывному вращению носителя информации (например, магнитный диск -
МД) возможность обращения к некоторому участку носителя циклически повторяется. Время доступа здесь зависит от взаимного
расположения этого участка и головок чтения/записи и во многом
определяется скоростью вращения носителя.
В ЗУ с последовательным доступом производится последова-
тельный просмотр участков носителя информации, пока нужный
105
участок не займет некоторое нужное положение напротив головок
чтения/записи (например, магнитные ленты - МЛ).
Как отмечалось выше, основные характеристики запоминающих
устройств – это емкость и быстродействие. Идеаль-
ное запоминающее устройство должно обладать бесконечно большой емкостью и иметь бесконечно малое время обращения. На
практике эти параметры находятся в противоречии друг другу: в
рамках одного типа ЗУ улучшение одного из них ведет к ухудшению
значения другого. К тому же следует иметь в виду и экономическую
целесообразность построения запоминающего устройства с теми
или иными характеристиками при данном уровне развития техноло-
гии. Поэтому в настоящее время запоминающие устрой-
ства компьютера, как это и предполагал Нейман, строят-
ся по иерархическому принципу (рис. 43).
Рис. 43 – Иерархическая организация памяти в современных ЭВМ
где: РП – регистровая (процессорная) память
Иерархическая структура памяти позволяет экономически
эффективно сочетать хранение больших объемов информации с
быстрым доступом к информации в процессе ее обработки.
На нижнем уровне иерархии находится регистровая память -
набор регистров, входящих непосредственно в состав микропроцес-
сора (центрального процессора - CPU). Регистры CPU программно
106
доступны и хранят информацию, наиболее часто используемую при
выполнении программы: промежуточные результаты, составные ча-
сти адресов, счетчики циклов и т.д. Регистровая память имеет от-
носительно небольшой объем (до нескольких десятков машинных
слов). РП работает на частоте процессора, поэтому время доступа к
ней минимально. Например, при частоте работы процессора 2 ГГц
время обращения к его регистрам составит всего 0,5 нс.
Оперативная память - устройство, которое служит для хране-
ния информации (программ, исходных данных, промежуточных и
конечных результатов обработки), непосредственно используемой в
ходе выполнения программы в процессоре. В настоящее время объем ОП персональных компьютеров составляет несколько со-
тен мегабайт. Оперативная память работает на частоте системной
шины и требует 6-8 циклов синхронизации шины для обращения к
ней. Так, при частоте работы системной шины 100 МГц (при этом
период равен 10 нс) время обращения к оперативной памяти составит несколько десятков наносекунд.
Для заполнения пробела между РП и ОП по объему и времени
обращения в настоящее время используется кэш-память, которая
организована как более быстродействующая (и, следовательно, бо-
лее дорогая) статическая оперативная память со специальным ме-
ханизмом записи и считывания информации и предназначена для
хранения информации, наиболее часто используемой при работе
программы. Как правило, часть кэш-памяти располагается непосредственно на кристалле микропроцессора (внутренний кэш), а
часть - вне его (внешняя кэш-память). Кэш-память программно
недоступна. Для обращения к ней используются аппаратные сред-
ства процессора и компьютера.
Внешняя память организуется, как правило, на магнитных и
оптических дисках, магнитных лентах. Емкость дисковой памяти
достигает десятков гигабайт при времени обращения менее 1 мкс.
Магнитные ленты вследствие своего малого быстродействия и
большой емкости используются в настоящее время в основном
только как устройства резервного копирования данных, обращение
к которым происходит редко, а может быть и никогда. Время обращения для них может достигать нескольких десятков секунд.
Следует отметить, что электронная вычислительная техника
развивается чрезвычайно быстрыми темпами. Так, согласно эмпи-
107
рическому "закону Мура", производительность компьютера удваи-
вается приблизительно каждые 18 месяцев. Поэтому все приводимые в данном пособии количественные характеристики слу-
жат по большей части только для отражения основных соотноше-
ний и тенденций в развитии тех или иных компонентов и устройств
компьютеров.
В современных ЭВМ минимальной адресуемой единицей памя-
ти является, как правило, 1 байт. В связи с этим обмен с памятью
организуется блоками, кратными этой величине: байтами, словами,
двойными словами, учетверенными словами, в зависимости от выполняемой процессором команды и разрядности внешней шины
данных. Такой обмен проходит под управлением специальных сиг-
налов, поступающих по системной шине. Преобразование инфор-
мации из формата ее представления на шине данных в формат, учитывающий организацию конкретных схем памяти, осуществляется
специальными интерфейсными схемами. Большие интегральные
схемы (БИС), на которых строятся модули памяти, являются изделиями электронной промышленности и могут иметь различную организацию. Разработчики средств вычислительной техники должны
учитывать имеющуюся у них номенклатуру БИС памяти, чтобы по-
строить запоминающее устройство необходимой емкости и организации. Для этой цели может проводиться объединение нескольких
БИС либо с целью увеличения количества слов в модуле памяти,
либо для наращивания разрядности каждого слова, либо с той и
другой целью одновременно.
3.7. Понятие прерывания, его назначение и принцип дей-
ствия [11]
Прерывание - это сигнал, по которому процессор "узнает" о со-
вершении асинхронного события. Другими словами, прерывание -
это ответ вычислительной системы на наступление особого события, нарушающего последовательное выполнение команд текущей
программы, то есть, это изменение естественного порядка выполнения программы, которое связано с необходимостью реакции системы на работу внешних устройств, а также на ошибки и особые ситуации, возникшие при выполнении программы. "Ответ" системы
108
на наступившее событие заключается в запуске программы обра-
ботки данного прерывания - обработчика прерывания, специальной
программы, специфической для каждой возникшей ситуации, после
выполнения которой, если это возможно, возобновляется работа
прерванной программы. Замечание. Таким образом, механизм обработки прерываний предоставляет возможность организации ветвления при реализации программных процессов. В упрощенном пред-
ставлении можно выделить три типа прерываний:
1) внутренние,
2) внешние,
3) внепроцессорные.
Внутренние прерывания.
К прерываниям этого типа относят:
• группу программных прерываний (деление на нуль, перепол-
нение, неверная адресация и т. п.),
• прерывания от схем контроля машины, сбоев системы питания
и др. Обработка прерываний этого типа состоит в выдаче сообщений о причине прерывания, прекращении выполнения текущей программы и перехода к реализации другой программы либо, если
дальнейшее функционирование системы невозможно, только в выдаче диагностического сообщения, локализующего причину отказа.
В любом случае, при наступлении события, вызвавшего аварию,
процессор не останавливается.
Внешние прерывания.
Эту группу прерываний представляют прерывания от внешних
устройств. Обработка событий, связанных с выполнением операций
обмена данными между внешними устройствами и ОЗУ, в конечном
счете, сводится к запуску драйвера - программы, реализующей об-
мен с устройством конкретного типа (драйвер клавиатуры, драйвер
монитора и т. п.).
Внепроцессорные прерывания.
Прерывания, обработка которых приводит к передаче управления Общей шиной от процессора к контроллеру внешнего устройства с реализацией дальнейшего обмена между устройством и ос-
109
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]