Косарев_Экомическая информатика

ства, но не отражает то, как эти принципы реализуются внутри ЭВМ. Программно недоступные, не отраженные в системе команд ресурсы машины (магистрали, буферные регистры и др.) не влия­ ют на архитектуру ЭВМ. Признаком тождественности архитек­ туры компьютеров является возможность выполнения любой про­ граммы в машинном коде, разработанной для одного компьюте­ ра, на другом компьютере с получением одинаковых результатов (хотя время выполнения программ может при этом существенно различаться).

Любая ЭВМ (в том числе и ПК) для выполнения своих фун­ кций должна иметь минимальный набор функциональных бло­ ков:

•блок для выполнения арифметических и логических опера­ ций (АЛУ - арифметико-логическое устройство);

•блок для хранения информации, или память (ЗУ - запомина­ ющее устройство);

•устройство для ввода исходных данных (Увв) и устройство для вывода результатов (Увыв);

•так как все эти устройства должны работать сообща, ими надо управлять, поэтому в структуре любой ЭВМ есть устройство управления (УУ), заставляющее все другие устройства выполнять

внужные моменты необходимые действия (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Классическая структура ЭВМ:

АЛУ — арифметико-логическое устройство; ЗУ — запоминающее устрой­ ство; УУ — устройство управления; У — устройство ввода;

Увыв — устройство вывода

давая ему команду на выполнение операции ввода информации в запоминающее устройство ЭВМ. Оно, в свою очередь, указывает, из какого места запоминающего устройства необходимо передать информацию в арифметико-логическое устройство, какую опера­ цию над этой информацией должно выполнить арифметико-ло­ гическое устройство, в какое место запоминающего устройства записать результат операции. Оно также инициирует работу уст­ ройства вывода для вывода результата из запоминающего уст­ ройства и выполняет ряд других функций.

Мы описали классическую структуру вычислительной маши­ ны, на основе которой уже более полувека создаются ЭВМ. Со­ временные компьютеры, базируясь на тех же принципах, имеют некоторые отличия, обусловленные развитием техники и служа­ щие решению важных для пользователя задач.

Во-первых, запоминающее устройство ЭВМ представлено не­ сколькими уровнями. Уже в первых ЭВМ классической (называе­ мой еще фон-неймановской - по имени американского ученого фон-Неймана) структуры выделялось два уровня запоминающих устройств: внутреннее ЗУ и внешнее ЗУ. Внешнее ЗУ служит хранилищем всей информации, необходимой для работы компь­ ютера. Внутреннее ЗУ содержит информацию, обрабатываемую в нем в данный момент времени. В современных моделях компь­ ютеров иерархия памяти представлена еще большим количеством уровней.

Центральные устройства (АЛУ и УУ) объединены в единый блок, называемый центральным процессором.

В первых ЭВМ устройства ввода и вывода были представле­ ны достаточно бедно: это были в основном перфокарточные и перфоленточные устройства ввода-вывода, накопители на магнит­ ных лентах и алфавитно-цифровые печатающие устройства (АЦПУ). В современных ЭВМ и в ПК, в частности, имеется весь­ ма большой арсенал устройств для ввода и вывода данных (раз­ нообразные накопители на магнитных, оптических и магнитооп­ тических дисках, сканеры, клавиатура, мышь, джойстик, принте­ ры, графопостроители).

Структурно современный ПК состоит из двух основных час­ тей: центральной и периферийной. К центральной части обычно относят центральный процессор и внутреннюю память.

Центральным процессором (ЦП) называется устройство, не­ посредственно осуществляющее процесс обработки данных и про­ граммное управление этим процессом. В состав ЦП входят АЛУ, УУ, иногда собственная память процессора. Как правило, цент­ ральный процессор в современных компьютерах реализован в виде большой интегральной схемы и называется микропроцессором.

ЦП взаимодействует с внутренним ЗУ, называемым оператив­ ным запоминающим устройством (ОЗУ) или оперативной памятью (ОП). ОП предназначена для приема, хранения и выдачи инфор­ мации (чисел, символов, команд, констант), т.е. всей информации, необходимой для выполнения операций в ЦП. Кроме оператив­ ной памяти во всех компьютерах обычно имеется внутренняя по­ стоянная память, используемая для хранения постоянных дан­ ных и программ.

Оперативная память - достаточно дорогая часть аппаратуры ПК. Она ограничена по объему. Для хранения больших объемов информации, которые не используются в данный момент време­ ни процессором, предназначаются внешние запоминающие устрой­ ства (ВЗУ). К ним относятся: накопители на магнитных дисках; накопители на магнитных лентах; накопители на оптических и магнитооптических дисках.

В современных ПК реализована виртуальная память, которая предоставляет пользователю возможность работы с расширенным пространством оперативной памяти. Виртуальная память пред­ ставляет собой совокупность оперативной памяти и внешних за­ поминающих устройств, а также комплекса программно-аппарат­ ных средств, обеспечивающих динамическую переадресацию дан­ ных, в результате чего пользователь не должен заботиться о том, где располагаются необходимые ему данные (в ОЗУ или ВЗУ), а функции по требуемому перемещению данных берет на себя вы­ числительная система.

Совокупность ВЗУ и устройств ввода-вывода информации образует периферийную часть ЭВМ. Так как существует доста­ точно много разнообразных периферийных устройств, каждый ПК может быть укомплектован по-разному и иметь в своем составе те или иные периферийные устройства. Поэтому принято гово­ рить о конфигурации ЭВМ, понимая под этим термином конкрет­ ный состав ее устройств с учетом их характеристик.

Передача информации из периферийных устройств в централь­ ные называется операцией ввода, а передача информации из цент­ ральных устройств в периферийные - операцией вывода.

Производительность и эффективность использования ПК оп­ ределяются не только возможностями его процессора и характе­ ристиками ОП, но в большей степени составом его периферий­ ных устройств, их техническими данными, а также способом орга­ низации их совместной работы с центральной частью ПК. Связь между устройствами ПК осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.

Интерфейс представляет собой совокупность стандартизован­ ных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информацией между устройствами. В основе построения интерфей­ сов лежат унификация и стандартизация (использование единых способов кодирования данных, форматов данных, стандартизация соединительных элементов - разъемов и т.д.). Наличие стандарт­ ных интерфейсов позволяет унифицировать передачу информации между устройствами независимо от их особенностей.

В настоящее время для разных классов ЭВМ применяются раз­ личные принципы построения системы ввода-вывода и структу­ ры вычислительной машины. В персональном компьютере, как правило, используется структура с одним общим интерфейсом, называемым также системной шиной. При такой структуре все устройства компьютера обмениваются информацией и управля­ ющими сигналами через системную шину (рис. 2.2). Физически она представляет собой систему функционально объединенных проводов, по которым передаются три потока данных: непосред­ ственно информация, управляющие сигналы и адреса.

Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи непосредственно информации, называетсяразрядностью шины. Разрядность шины определяет число битов информации, которые могут передаваться по шине одновременно. Количество проводов для передачи адресов или адресных линий определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован.

Поскольку шина является общей для всех устройств компью­ тера, в нем предусмотрена система приоритетных прерываний, устанавливающая, какое из устройств системы займет шину в дан­ ный момент времени. Поэтому каждому устройству, подключен­ ному к шине, присваивается свой приоритет.

Рис. 2.2. Шинная структура ПК:

ЦП — центральный процессор; ОП — оперативная память; ПП — постоянная память; К — контроллер;

ПУ — периферийное устройство

Несомненными достоинствами ПК с шинной структурой яв­ ляются ее простота, а следовательно, и невысокая стоимость; гиб­ кость, так как унификация связи между устройствами позволяет достаточно легко включать в состав ПК новые модули, т.е. ме­ нять конфигурацию компьютера. К недостаткам следует отнести снижение производительности системы из-за задержек, связанных со временем ожидания устройствами возможности занять шину, пока осуществляется передача информации между устройствами

сболее высоким приоритетом. Для преодоления этого недостат­ ка в персональных суперкомпьютерах используется архитектура

снесколькими шинами.

2.1.3. МИКРОПРОЦЕССОРЫ

Неотъемлемым компонентом любой ЭВМ является централь­ ный процессор. В современных ПК функции центрального про­ цессора выполняют микропроцессоры. Чаще всего это большая интегральная схема, представляющая собой кремниевый крис-

талл в пластмассовом, керамическом или металлокерамическом корпусе, на котором расположены выводы для приема и выдачи электрических сигналов. Степень интеграции схемы определя­ ется размером кристалла и количеством размещенных в нем тран­ зисторов.

Основные функции микропроцессора - выполнение вычисле­ ний, пересылка данных между внутренними регистрами, управ­ ление ходом вычислительного процесса. Микропроцессор непос­ редственно взаимодействует с оперативной памятью и контрол­ лерами системной платы. Главными носителями информации внутри процессора служат регистры.

Всостав микропроцессора входят АЛУ, устройство управле­ ния, внутренние регистры. Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд, АЛУ - арифме­ тические и логические операции над данными. Оно может состо­ ять из нескольких блоков, например блока обработки целых чи­ сел и блока обработки чисел с плавающей точкой.

Всовременных микропроцессорах в основу работы каждого блока положен принцип конвейера, который заключается в сле­ дующем. Реализация каждой машинной команды разбивается на отдельные этапы (как правило, это выборка команды из памяти, декодирование, выполнение и запись результата). Выполнение следующей команды программы может быть начато до заверше­ ния предыдущей (например, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, третья выбираться и т. д.). Таким образом, одновременно микропроцессор выполняет несколько следующих друг за другом команд программы, и время на выпол­ нение блока команд уменьшается в несколько раз. Если в микро­ процессоре имеется несколько блоков обработки, в основу рабо­ ты которых положен принцип конвейера, то его архитектуру на­ зывают суперскалярной.

Поскольку в программе могут встречаться команды передачи управления, выполнение которых зависит от результатов выпол­ нения предшествующих команд, в современных микропроцессо­ рах при использовании конвейерной архитектуры предусматри­ ваются механизмы предсказания переходов - так называемое «ис­ полнение по предположению с изменением последовательности». Это означает, что если в очереди команд появилась команда ус­ ловного перехода, предсказывается, какая команда будет выпол­ няться следующей до определения признака перехода. Выбран-

ная ветвь программы выполняется в конвейере, но запись резуль­ тата осуществляется только после вычисления признака перехода в случае, если переход выбран верно. Если выбор ветви програм­ мы ошибочен, микропроцессору приходится вернуться назад и выполнить правильные операции в соответствии с вычисленным признаком перехода.

Главная характеристика микропроцессора - его быстродей­ ствие, которое в значительной степени зависит от тактовой час­ тоты микропроцессора. Важной является также архитектура микропроцессора, которая определяет, какие данные он может об­ рабатывать, какие машинные инструкции входят в набор выпол­ няемых им команд, как происходит обработка данных, каков объем внутренней памяти микропроцессора.

Современные микропроцессоры могут обрабатывать целые числа разрядностью 8, 16 и 32 бита, числа с плавающей точкой разрядностью 32 и 64 бита. В составе машинных команд микро­ процессора, как правило, присутствуют инструкции целочислен­ ной арифметики, которые могут быть дополнены командами с плавающей точкой и командами, реализующими обработку гра­ фических, видео- и аудиоданных (технология ММХ - Multi Media eXtention - мультимедийное расширение).

В составе микропроцессора может присутствовать сверхопе­ ративная, или кэш-память, которая обеспечивает более быструю передачу информации, чем оперативная память. У современных микропроцессоров может быть кэш-память первого уровня, ко­ торая обычно встроена в тот же кристалл и работает на одинако­ вой с микропроцессором частоте. Для некоторых микропроцес­ соров предусмотрена еще кэш-память второго уровня. Существу­ ют два способа организации такой памяти: общая, когда команды и данные хранятся вместе, и разделенная, когда они хранятся в разных местах. Наличие разделенной кэш-памяти увеличивает производительность микропроцессора, сокращая среднее время доступа к используемым командам и данным. От способа орга­ низации, количества уровней и емкости кэш-памяти, а также от того, находится ли кэш-память в том же кристалле (чипе), что и сам микропроцессор, или в отдельном кристалле, также зависит производительность микропроцессора.

Микропроцессор обменивается информацией с внешними ус­ тройствами через системную шину. Однако разрядность внутрен­ них регистров микропроцессора может не совпадать с разрядное-

Для выпускавшихся в 1979 -1988 гг. моделей фирмой Intel был создан ряд математических сопроцессоров (i8087, i80287, i80387), обеспечивающих выполнение операций с плавающей точкой в соответствующих микропроцессорах (i8088, i80286, i80386). По­ явившийся в 1989 г. микропроцессор i486 DX впервые вмещал в одном кристалле центральный процессор и математический со­ процессор, благодаря чему набор реализуемых им команд возрос до 220 (170 плюс 50 команд арифметики с плавающей точкой).

Также в кристалле микропроцессора i486 DX впервые появи­ лась кэш-память емкостью 8 Кбайт, служащая для повышения производительности компьютера. В наименовании микропроцес­ сора i486 DX отсутствуют цифры «80», с которых начинались имена всех предыдущих микропроцессоров данного семейства. Это бьшо сделано специально с целью конкурентной борьбы с другими фирмами, разрабатывающими аналогичные микропро­ цессоры.

Так как математический сопроцессор нужен не для всех задач, в 1991 г. был создан микропроцессор i486 SX, отличающийся от i486 DX отсутствием сопроцессора. Он также является 32-разряд­ ной системой и содержит на том же кристалле кэш-память.

В 1992 г. фирма Intel начала выпуск второго поколения мик­ ропроцессоров с умножением частоты i486 - i486DX2, i486DX4. В них достигнута более высокая производительность (примерно на 70%) за счет того, что скорость работы внутренних блоков мик­ ропроцессора (АЛУ, устройства управления, математического сопроцессора, кэш-памяти) в несколько раз выше скорости рабо­ ты остальных элементов на системной плате (ОЗУ, внешняя кэш­ память, вспомогательные микросхемы).

Микропроцессор Pentium был выпущен в 1993 г. и содержал 32-разрядную адресную шину; 64-разрядную внешнюю шину дан­ ных, обеспечивающую высокую скорость обмена данными с сис­ темной платой. В Pentium реализованы две раздельные 8-кило- байтные кэш-памяти: одна - для данных, другая - для команд. Суперскалярная архитектура Pentium содержит два пятиступен­ чатых блока обработки данных, функционирующих независимо Друг от друга и обрабатывающих две команды за один такт. Вы­ сокая скорость выполнения операций в Pentium обеспечивается также наличием специализированного аппаратного блока сложе­ ния, умножения и деления для чисел с плавающей запятой с 8-сту- пенчатой конвейеризацией, что позволяет выполнять такие one-

рации за один такт. В Pentium предусмотрена возможность дина­ мического исполнения команд («исполнение по предположению

сизменением последовательности»).

В1995 г. появился микропроцессор Pentium Pro. По внутрен­ ней и внешней разрядности он аналогичен микропроцессору Pentium. Он также содержит две раздельные 8-килобайтные кэш­ памяти для данных и для команд. В то же время Pentium Pro зна­ чительно отличается от Pentium по архитектуре. В частности, в нем имеется еще кэш-память второго уровня, расположенная в том же кристалле и позволяющая значительно повысить производи­ тельность процессора. Повышению производительности способ­ ствуют также большая глубина конвейеров, большее, чем в Pentium, число ступеней, реализованных в блоке арифметических операций, и дальнейшее развитие возможностей динамического исполнения команд.

Более дорогой по сравнению с Pentium Pentium Pro имеет по­ вышенную надежность, что особенно важно в серверах для под­ держания целостности данных.

Вянваре 1997 г. фирма Intel объявила о выпуске микропро­ цессоров Pentium с технологией ММХ (Multi Media eXtention) - мультимедийное расширение. В них предусмотрен дополнитель­ ный набор из 57 команд, способных одновременно обрабатывать группы из нескольких данных, размещенных в длинных 64-раз­ рядных регистрах. Применение новых команд обеспечивает вы­ сокое быстродействие при реализации алгоритмов, характерных для обработки графических, видео- и аудиоданных.

Вмае 1997 г. выпущен микропроцессор Pentium II, сочетаю­ щий в себе преимущества новейших микропроцессорных техно­ логий и архитектурных решений. В Pentium II встроенная кэш-память первого уровня вдвое большая, чем у Pentium-Pro (16 Кбайт - для данных и 16 Кбайт - для команд), кэш-память второ­ го уровня емкостью 512 Кбайт, выполненная конструктивно в виде отдельных микросхем и расположенная в одном корпусе с микро­ процессором, двойная независимая шина (раздельная системная шина и шина кэш-памяти). В результате существенно повысилась производительность компьютеров на базе Pentium П.

ВPentium II используются высокопроизводительная техноло­ гия обработки информации, предложенная впервые в Pentium Pro,

итехнология ММХ, обеспечивающая увеличение производитель-