Вопросы для самопроверки
Что собой представляет процессор? Что такое система команд? Какие команды входят в ее состав?
Какие поля образуют команду? Для каких целей и как используется поле кода операции?
Сколько адресов может содержать одна команда? Для каких целей они служат?
Какие типы команд входят в состав системы команд?
Как формируется исполнительный адрес, если используется базовый метод адресации?
Что собой представляет микропрограммный автомат с жесткой логикой? Где они находят применение?
Перечислите достоинства и недостатки автоматов с жесткой логикой.
Перечислите достоинства и недостатки автоматов с программируемой логикой.
Какие существуют способы кодирования микрокоманд? Перечислите их достоинства и недостатки.
Поясните принцип управления вычислениями на основе микропрограммного автомата с программируемой логикой.
В чем причины появления архитектуры процессора с сокращенным набором команд?
Какие особенности отличают RISC компьютер от его «старшего» собрата CISC-компьютера?
Приведите структурную схему RISC-компьютера. Как в нем происходит обработка информации, находящейся в ОП?
Какие особенности характерны для CISC-компьютеров? Приведите пример компьютера с архитектурой CISC.
Каково назначение конвейера команд? Сколько ступеней используется в современных конвейерных процессорах персональных компьютеров?
Что такое многопотоковая суперскалярная обработка? Приведите пример схемы процессора, реализующего такую обработку.
Как можно уменьшить время, требуемое для реализации условных переходов? Каково назначение специального буфера для организации переходов?
Как выполнить команды с нарушением последовательности? Какие проблемы они порождают?
Что достигается с помощью переименования регистров и как оно осуществляется?
Приведите структурную схему СISC-компьютера (например, IBM PC). Каково назначение его узлов?
Что дает конвейерная организация обработки информации; к каким трудностям она приводит?
На какие этапы можно разбить выполнение команды? Как организовать конвейерную обработку?
Как и в каких случаях производится перезагрузка конвейера? К чему приводит перезагрузка?
Каковы особенности новых микропроцессоров Pentium IY и AMD? Каким быстродействием они обладают?
Что такое истинная и ложная взаимозависимость? Какие существуют средства борьбы с ложной взаимозависимостью?
Что такое MMX и SSE?
Какими особенностями обладает процессор Pentium IY, характерными для RISC-компьютеров?
Глава 6. Организация памяти
Высокой производительности компьютера невозможно добиться без наличия быстродействующей памяти достаточно большого объема. В памяти должны храниться программы обработки данных и сами данные. Для достижения высокой скорости обработки необходимо, чтобы в памяти хранились большие объемы перерабатываемой информации, и чтобы к этой информации обеспечивался быстрый доступ. Память принято характеризовать емкостью, быстродействием и стоимостью хранения информации. Помимо этого важно знать метод доступа и пересылаемый квант информации.
Емкость памяти – это количество информации (бит или байт), которое может храниться в ней. Современный компьютер обладает огромной емкостью памяти, поэтому ее измеряют в более крупных единицах – Кило, Мега, Гига или Терабайтах. [Если приставка пишется с большой буквы, то она соответствует целой степени числа 2.]
Быстродействие памяти определяется временем доступа и длительностью цикла. Важной характеристикой служит также скорость передачи. Время доступа – это интервал между поступлением запроса на чтение или запись и моментом выдачи запрашиваемых данных, а длительность цикла памяти – это минимально возможное время между двумя последовательными обращениями к ней.
Известны четыре метода доступа: последовательный, прямой, произвольный и ассоциативный. Характерным примером устройства с последовательным методом записи может служить ЗУ на магнитной ленте. Чтобы прочитать требуемую информацию в устройстве с последовательным доступом, нужно прочитать все предшествующие записи. Время доступа зависит от места расположения записи на носителе. Прямой доступ характерен для накопителей на магнитных дисках. Для поиска нужной информации вначале магнитная головка перемещается к началу записи, а затем производится последовательное чтение данных из этой записи. При произвольном доступе каждое слово хранится в отдельной ячейке с уникальным адресом. Время обращения к любой ячейке постоянно. Примером ЗУ с произвольным доступом служит основная память. В ЗУ с ассоциативным доступом поиск нужной информации производится путем сравнения отдельных битов каждого хранящегося в памяти слова с образцом. По ассоциативному принципу построена кэш-память.
Естественно, что пользователи хотели бы иметь быструю и дешевую память большой емкости. Однако эти требования противоречивы.
Современные интегральные схемы (ИС) самой быстрой статической памяти имеют цикл порядка 5 – 12 нс (а их емкость составляет 26 байт). Это на порядок больше задержек на переключение вентилей в логических схемах. Кроме того, статическая память очень дорогая; а цикл более дешевой динамической памяти составляет около 50 нс, что уже на два порядка больше времени переключения вентилей процессора. И статическая, и динамическая полупроводниковые памяти могут хранить информацию только при наличии питания, поэтому при выключении компьютера информация в них теряется.
Все это привело к тому, что память имеет иерархическую структуру, в которой часто используемая процессором информация переносится на более высокий уровень иерархии. На рисунке 6.1 приведена многоуровневая организация памяти современного компьютера. Эта память включает сверхоперативный (регистры, кэш-память), оперативный (основная память, состоящая из оперативной и постоянной), внешний (образуемый накопителями на магнитных дисках – НМД) и архивный уровни.
К
ЦП
СОЗУ
сверхоперативный
ОП
оперативный
НМД внешний
Архив
архивный
Рисунок 6.1 Многоуровневая организация памяти
Емкость памяти на каждом более удаленном от процессора уровне увеличивается, а быстродействие – снижается. Кроме того, снижается стоимость хранения информации по мере «удаления» уровня от процессора. Однако наличие нескольких уровней памяти не приводит к увеличению общего объема хранимой информации – на каждом уровне информация дублируется той, что находится на последующем более низком уровне.
Процессор производит непосредственную обработку только той части информации, которая она находится на первых двух уровнях – оперативном и сверхоперативном. Система управления памятью осуществляет обмен информационными блоками между уровнями памяти, причем при обращении к блоку, находящемуся на низком уровне, он перемещается на более высокий уровень. Это делается для того, чтобы при последующих обращениях к этому же блоку осуществлять выборку из запоминающего устройства, обладающего большим быстродействием. Если обращение к какому-либо уровню памяти прошло успешно, т.е. в нем найден нужный информационный блок, то говорят о попадании (hit), в противном случае, когда блок на этом уровне отсутствует, о промахе (miss). В случае промаха для поиска нужного блока необходимо обратиться к следующему уровню памяти. При промахе потери времени включают время на поиск и пересылку искомого слова из следующего более медленного уровня памяти.
Помимо перечисленных видов памяти, в компьютере имеется управляющая память, предназначенная для размещения микропрограмм процессора. Это постоянная память, в которой хранятся управляющие программы, константы и т.д. Кроме того, другая постоянная память хранит программы начальной загрузки.
На каждом уровне запись информации выполняется по своим законам. Так, во внешней памяти на дисках запись производится по секторам, содержащим как собственно сохраняемую информацию, так и вспомогательную, необходимую для поиска нужных данных. В ОП каждое слово записывается в отдельную ячейку, а для того, чтобы найти и воспользоваться им, нужен адрес этой ячейки. В сверхоперативной памяти слово записывается в ячейку вместе с полным адресом ячейки оперативной памяти, где оно хранилось или должно храниться, или его частью.