1 Вариант

В персональном компьютере, как правило, используется структура с одним общим интерфейсом, называемым также системной шиной. При такой структуре все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через системную шину. Физически она представляет собой систему функционально объединенных проводов, по которым передаются три потока данных: непосредственно информация, управляющие сигналы и адреса.

Несомненными достоинствамиПК с шинной структурой являются ее простота, а, следовательно, и невысокая стоимость; гибкость, так как унификация связи между устройствами позволяет достаточно легко включать в состав ПК новые модули, т.е. менять конфигурацию компьютера. Кнедостаткамследует отнести снижение производительности системы из-за задержек, связанных со временем ожидания устройствами возможности занять шину, пока осуществляется передача информации между устройствами с более высоким приоритетом. Для преодоления этого недостатка в персональных суперкомпьютерах используется архитектура с несколькими шинами.

Максимальное количество одновременно передаваемой информации называется разрядностью шины. Чем больше разрядность шины, тем больше информации она может передать в единицу времени.

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.

Шина адресапредназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек памяти. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная.

Шина данныхпредназначена для передачи команд и данных, которые могут передаваться в любом направлении. В современных компьютерах разрядность шины данных составляет 64 бита.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. В большинстве современных процессоров шина управления 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Шина работает циклами. Количество циклов срабатывания шины в единицу времени называется частотой шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины. Корпорация Intel официально представила новые серверные процессоры Itanium серии 9100 (кодовое название Montvale). Процессор Itanium 9110N имеет тактовую частоту 1,6 ГГц, частота системной шины - 533 МГц.

2 Вариант:

Для соединения нескольких функциональных устройств компьютера проще всего использовать общую шину (single bus). К этой шине подсоединяются все устройства компьютера. Поскольку за один раз по шине может пересылаться только одно слово данных, в каждый конкретный момент шину могут использовать только два устройства. Главным достоинством архитектуры с общей шиной является ее низкая стоимость и гибкость в отношении подключения периферийных устройств. При наличии в системе нескольких шин возможно одновременное выполнение нескольких операций пересылки данных, благодаря чему такая система работает быстрее, но и стоимость ее выше.

Процессор и основная память находятся на большой плате, которая называется материнской. Для подключения к ней периферийных устройств (дисководов, манипуляторов типа мыши, принтеров и т.д.) служат специальные платы – контроллеры. Они вставляются в разъемы (слоты) на материнской плате, а к их концу (порту), выходящему наружу компьютера, подключается дополнительное устройство. Таким образом, периферийные устройства подключаются к системной магистрали не непосредственно, а через специальные устройства – контроллеры.

Подсоединенные к шине устройства могут заметно отличаться друг от друга по скорости функционирования. Некоторые электромеханические устройства, в том числе клавиатура и принтеры, работают относительно медленно. Значительно выше скорость работы, скажем, магнитных и оптических дисков. А память и процессор функционируют со скоростью электронных схем, благодаря чему являются самыми быстрыми частями компьютера. Поскольку все эти три типа устройств могут взаимодействовать между собой через шину, необходим такой механизм пересылки данных, который не ограничивал бы скорость обмена информацией между любыми двумя устройствами скоростью более медленного из них и сглаживал бы разницу в скорости работы процессора, памяти и внешних устройств.

Самый распространенный подход к решению этой задачи основана использовании буферных регистров, которые встраиваются во внешние устройства для хранения получаемой ими информации. Рассмотрим процесс передачи кода символа от процессора принтеру. Процессор пересылает данные по шине в буфер принтера. Поскольку буфер представляет собой электронный регистр, пересылка выполняется очень быстро. Когда буфер будет заполнен, принтер начнет печатать, и вмешательство процессора больше не потребуется. Шина и процессор освобождаются для другой работы, которая может выполняться одновременно с печатью символа, хранящегося в буфере принтера. Таким образом, использование буферов сглаживает различия в скорости функционирования процессора, памяти и устройств ввода-вывода и предотвращает блокирование высокоскоростного процессора медленными устройствами на все время выполнения операций ввода-вывода. Процессор может быстро переключаться от одного устройства к другому, обслуживая их параллельно.

Как отмечалось выше, основной обязанностью системной шины является передача информации между процессором и остальными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Таким образом, упрощенно системную шину можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назначению (данные, адреса, управление).

Компьютер сможет работать с достаточной скоростью лишь при условии, что будет организован таким образом, чтобы полное слово данных обрабатывалось им за указанное время. Когда слово данных пересылается между устройствами, параллельно перемещаются и все его биты. Каждый бит пересылается по своей линии, так что для пересылки слова требуется несколько параллельных линий.

Число одновременно передаваемых по шине адреса и шине данных разрядов (битов) называется разрядностьюсоответствующей шины и является важной характеристикой ПК. Разрядность шины адреса определяет максимальное общее количество доступной памяти (адресное пространство процессора); разрядность шины данных – максимальную порцию информации, которую можно получить из памяти за один раз. Общая схема взаимосвязи этих элементов: процессора, памяти и шины.

Шина адресапредназначена для передачи по ней адреса того устройства (или той ячейки памяти), к которому обращается процессор. Адрес на нее выдает всегда только процессор.

По шине данныхпередается вся информация. При операции записи информацию на нее выставляет процессор, а считывает то устройство (например, память или принтер), адрес которого выставлен на шине адреса. При операции чтения информацию выставляет устройство, адрес которого выставлен на шине адреса, а считывает процессор.

На шине управленияустанавливаются управляющие сигналы, такие, например, как сигналы чтения, записи, готовности. Кроме того, каждое внешнее устройство, которому нужно обратиться к процессору, имеет на этой шине собственную линию. Когда периферийное устройство «хочет

обратиться» к процессору, оно устанавливает на этой линии специальный сигнал (сигнал прерывания), заметив который, процессор прерывает выполняемые в этот момент действия и обращается (командой чтения или записи) к устройству.

Компьютер не только пересылает данные между памятью и процессором, но и принимает их от входных устройств, а также отсылает выходным устройствам. Поэтому среди машинных команд имеются и команды для выполнения операций ввода-вывода.

21.Понятие архитектуры компьютера. Структура компьютера. Понятие о CISC и RISC.

Термин "архитектура системы" часто употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова. В узком смысле под архитектурой понимается архитектура набора команд. Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов. Следует отметить, что это наиболее частое употребление этого термина. В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода и т.п.

Применительно к вычислительным системам термин "архитектура" может быть определен как распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями, точнее как определение границ между этими уровнями. Таким образом, архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую организацию. Архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных выполняются системой в целом, а какие возлагаются на внешний мир (пользователей, операторов, администраторов баз данных и т.д.). Система взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов: языки (язык оператора, языки программирования, языки описания и манипулирования базой данных, язык управления заданиями) и системные программы (программы-утилиты, программы редактирования, сортировки, сохранения и восстановления информации).

Интерфейсы следующих уровней могут разграничивать определенные уровни внутри программного обеспечения. Например, уровень управления логическими ресурсами может включать реализацию таких функций, как управление базой данных, файлами, виртуальной памятью, сетевой телеобработкой. К уровню управления физическими ресурсами относятся функции управления внешней и оперативной памятью, управления процессами, выполняющимися в системе.

Следующий уровень отражает основную линию разграничения системы, а именно границу между системным программным обеспечением и аппаратурой. Эту идею можно развить и дальше и говорить о распределении функций между отдельными частями физической системы. Например, некоторый интерфейс определяет, какие функции реализуют центральные процессоры, а какие - процессоры ввода/вывода. Архитектура следующего уровня определяет разграничение функций между процессорами ввода/вывода и контроллерами внешних устройств. В свою очередь можно разграничить функции, реализуемые контроллерами и самими устройствами ввода/вывода (терминалами, модемами, накопителями на магнитных дисках и лентах). Архитектура таких уровней часто называется архитектурой физического ввода/вывода.

Архитектура системы команд. Классификация процессоров (CISC и RISC)

Как уже было отмечено, архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов.

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000.

Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer). Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.

Разработка экспериментального проекта компании IBM началась еще в конце 70-х годов, но его результаты никогда не публиковались и компьютер на его основе в промышленных масштабах не изготавливался. В 1980 году Д.Паттерсон со своими коллегами из Беркли начали свой проект и изготовили две машины, которые получили названия RISC-I и RISC-II. Главными идеями этих машин было отделение медленной памяти от высокоскоростных регистров и использование регистровых окон. В 1981году Дж.Хеннесси со своими коллегами опубликовал описание стенфордской машины MIPS, основным аспектом разработки которой была эффективная реализация конвейерной обработки посредством тщательного планирования компилятором его загрузки.

Эти три машины имели много общего. Все они придерживались архитектуры, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью, и делали упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата.

Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 - 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

Ко времени завершения университетских проектов (1983-1984 гг.) обозначился также прорыв в технологии изготовления сверхбольших интегральных схем. Простота архитектуры и ее эффективность, подтвержденная этими проектами, вызвали большой интерес в компьютерной индустрии и с 1986 года началась активная промышленная реализация архитектуры RISC. К настоящему времени эта архитектура прочно занимает лидирующие позиции на мировом компьютерном рынке рабочих станций и серверов.

Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.

Следует отметить, что в последних разработках компании Intel (имеется в виду Pentium P54C и процессор следующего поколения P6), а также ее последователей-конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются. Однако сложность архитектуры и системы команд x86 остается и является главным фактором, ограничивающим производительность процессоров на ее основе.

21. Понятие архитектуры компьютера. Структура компьютера. Понятие о CISC и RISC.

Классическая архитектура ЭВМ, построенная по принципу фон Неймана (фон-неймановская архитектура) содержит следующие основные блоки:

• арифметическо-логическое устройство(АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

• управляющее устройство (УУ), организующее процесс выполнения программ;

• внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), или память, для хранения программ и данных;

• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

• устройства ввода и вывода информации (УВВ).

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. 

Архитектура системы команд. Классификация процессоров (CISC и RISC)

Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно:

-расширенный набор команд;

-время исполнения команд-различное;

-програмный код короче,

-Программы плохо конвейеризуются;

-Процессор сложнее.

Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer). Философия RISC –

-меньше команд,

-выше скорость и

-одна команда за один такт!!!.

-ориентирована на конвейеризацию;

-программный код длиннее.

Основного закона RISC: система команд должна содержать минимум наиболее часто используемых и наиболее простых инструкций.

22 . Регистры общего назначения предназначены для хранения операндов арифметико-логических инструкций, а также адресов или отдельных компонентов адресов ячеек памяти.

В микропроцессоре 8086 было восемь 16-разрядных регистров общего назначения. Все они могли выступать в качестве операндов основных арифметико-логических инструкций, но только четыре годились для целей адресации. Кроме того, каждый регистр имел свои специфические функции:

AX — аккумулятор. Использовался для хранения операндов в командах умножения и деления, ввода-вывода, в некоторых командах обработки строк и других операциях;

BX — регистр базы. Используется для хранения адреса или части адреса операнда, находящегося в памяти;

CX — счётчик. Содержит количество повторений строковых операций, циклов и сдвигов;

DX — регистр данных. Используется для косвенной адресации портов ввода-вывода, а также как «расширитель» аккумулятора в операциях удвоенной разрядности;

SI — регистр адреса источника. Используется в строковых операциях, а также в качестве индексного регистра при обращении к операндам в памяти;

DI — регистр адреса приёмника. Используется в строковых операциях, а также в качестве индексного регистра при обращении к операндам в памяти;

BP — указатель кадра стека. Используется для адресации операндов, расположенных в стеке;

SP — указатель стека. Используется при выполнении операций со стеком, но не для явной адресации операндов в стеке.

Первые четыре регистра могут делиться на две однобайтовых части каждый: AH, BX, CH и DH для старших байтов и AL, BL, CL и DL для младших байтов.

В микропроцессоре 80386 разрядность регистров была удвоена и составила 32 бита. Обновлённые регистры не заменили, а дополнили уже имеющиеся: 32-разрядные версии получили имена EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP и ESP, а их младшие слова сохранили прежние обозначения, причём у первых четырёх регистров сохранилась возможность раздельного обращения к двум младшим байтам (AH, AL и так далее). С помощью префикса изменения размера операнда возможно выполнение 32-разрядных операций в реальном режиме и режиме виртуального процессора 8086.

Другим важным новшеством процессора 80386 стало уменьшение «дискриминации» между регистрами: теперь компоненты 32-разрядных адресов можно хранить в любом регистре. Появилась также возможность масштабирования — использования содержимого регистра в качестве индекса, при вычислении адреса автоматически умножаемого на 2, 4 или 8. Однако при работе в реальном режиме и режиме виртуального процессора 8086 для адресации по-прежнему используются только BX, BP, SI и DI, отсутствует и возможность масштабирования.

Появление 64-разрядных микропроцессоров (технология EM64T/AMD64) повлекло серьёзные изменения в наборе регистров общего назначения. Суть изменений сводится к следующему:

регистров стало 16 вместо восьми, а их разрядность удвоилась и составила 64 бита;

новые регистры, а также старшие половины ранее существовавших регистров доступны только в 64-разрядном режиме; по умоланию регистры считаются 32-разрядными (используются младшие половины 64-разрядных регистров) и носят имена EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP, R8D–R15D. Для доступа к новым регистрам R8D–R15D в коде команды должен присутствовать специальный префикс, в документации фирмы Intel обозначаемый REX; 64-разрядные регистры носят следующие имена: RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP, R8–R15. Для доступа к ним в код команды включается префикс REX;

возможен доступ к младшим словам любого из 16 регистров, обозначаемых в этом случае AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP, R8W-R15W. Если требуется обратиться к новым регистрам R8W–R15W, в коде команды используется префикс REX; возможен доступ к младшим байтам любого из 16 регистров, для чего используются бозначения AL, BL, CL, DL, SIL, DIL, BPL, SPL, R8L–R15L. Для доступа к новым однобайтовым регистрам — SIL, DIL, BPL, SPL, R8L–R15L — используется префикс REX; доступ к старшим байтам младших слов регистров возможен только для ранее уществовавших регистров AH, BH, CH и DH. Чтобы обратиться к ним, префикс REX должен отсутствовать. Таким образом, невозможно одновременно обратиться к одному из указанных четырёх регистров и к любому из новых регистров независимо от разрядности; при работе в 64-разрядном режиме 32-разрядные арифметико-логические операции, чьим приёмником является регистр общего назначения, обнуляют его старшие 32 бита, а 8- и 16-разрядные операции не изменяют старшие разряды, явно не затрагиваемые операцией. Однако если результат 8- или 16-разрядной операции используется для вычисления 64-разрядного адреса, происходит распространение знака результата на старшие разряды до получения полной 64-разрядной величины; при переключении из 64-разрядного режима в режим совместимости или обратно содержимое старших 32 битов регистров RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP и RSP не сохраняется. Содержимое регистров R8–R15 в аналогичной ситуации сохраняется; если происходит переключение в какой-либо из унаследованных режимов, за исключением режима управления системой, содержимое новых регистров, а также старших половин ранее существовавших регистров автоматически не сохраняется (код режима управления системой не может к ним обратиться, а значит, и изменить, поэтому нужда в сохранении отсутствует).