28.09. Принципы построения и характеристики эвм.

Базовые представления об архитектуре ЭВМ

Принципы «архитектуры Фон-Неймана

Структура ЭВМ. Простые типы архитектуры.

Архитектура компьютера – представление на некотором общем уровне, включающее описание возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Она определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), внешних запоминающих устройств и периферийных устройств.

Термин «архитектура компьютера» употребляется в узком и широком смысле. В узком смысле под архитектурой понимается архитектура набора команд. Она служит границей между аппаратурой и программным обеспечением.

В широком смысле архитектура – охватывает понятие организации системы , включающие такие высокоуровневые аспекты построения компьютера, как системы памяти, структуру системной шины, организацию ввода-вывода и так далее.

Термин «архитектура» определяет распределение функции, реализуемых системой, между её уровнями. Таким образом, архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую организацию.

Принцип архитектуры Фон-Неймана.

В основу построения большинства положены общие принципы, сформулированные в 1945 американским ученым Джоном Фон Нейманом (Венгрия, настоящее имя Янош; машина ENIAC, предназначенная для расчета баллистических траекторий снарядов).

Первый принцип: принцип представления информации в цифровом виде (в двоичном коде) с помощью битов.

8 бит = 1 байт 16 бит = 2 байта = слово 32 бита = 4 байта = два слова = одно двойное слово

Принцип программного управления: программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически, друг за другом, в определенной последовательности. Выборка команд осуществляется с помощью счетчика команд. Если необходимо перейти не к следующей, а к какой-то другой команде, то используются команды условного и безусловного перехода (ветвление). Выборка команд из памяти прекращается после достижения выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор выполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Пример:

cmp ax,bx //сравнение 16-разрадных регистров

ja @1: //спрашивает, содержимое АХ больше БХ или нет, если да, переходит на метку 1

jb @2: //АХ меньше БХ?

@1

mov ax,1 //в АХ информация в виде 1

Jmp @3 //переход к пункту 3, не заходя в 2

@2

mov bx,2

@3

Код…

Третий принцип: принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти: число, текст или команда. Поэтому появляется возможность над командами выполнять такие же действия, как и над данными. Это создаёт следующие возможности:

- программа в процессе выполнения может создавать правила получения своих составных частей (выполнение циклов и подпрограмм)

- команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

- принцип адресности: основная память состоит из пронумерованных ячеек, то есть процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Компьютеры, построенные на основе этих принципов, получили название Фон Неймановских. Все остальные – не Фон Неймановские.

Структура ЭВМ простейших архитектур.

Любая ЭВМ (компьютер) состоит из центрального устройства и внешних устройств. Центральный (блок) включает в себя центральный процессор (CPU) и оперативную память (RAM). Центральный процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управление вычислительным процессом. Осуществляет выборку машинных команд и данных из оперативной памяти и запись в неё, включение/отключение внешних устройств. Он состоит: устройство управления (УУ) с интерфейсом процессора, системой сопряжения связи процессора с другими узлами, арифметико-логического устройства, процессорная память (внутренний кэш).

Оперативная память предназначена для временного хранения данных и программ в процессе выполнения вычислительных и логических операций.

Центральное устройство описывается следующими характеристиками:

- длина машинного слова (разрядность, адресность)

- система команд

- объем оперативной памяти

- быстродействие (тактовая частота процессора, цикл записи и считывания из оперативной памяти)

Внешние устройства (ВУ) – обеспечивают эффективное взаимодействие компьютера с окружающей средой – пользователями, объектами управления, другими машинами. Делятся на группы: интерактивные устройства ввода\вывода, устройства хранения (массовые накопители), устройства массового ввода информации, устройства массового вывода информации.

ЭВМ могут быть специализированными и универсальными. Известны следующие структуры (или архитектуры) ЭВМ: классическая архитектура (типа «звезда»), иерархическая архитектура (использовалась на машинах третьего поколения), магистральная структура (все существующие ныне компьютеры).

ЗАДАНИЕ: разобраться и нарисовать схемы, составные узлы трех видов архитектуры.

Области применения и типы ЭВМ.

Компьютеры можно разделить на следующие группы:

- суперкомпьютеры, используются для решения особенно сложных научно-технических задач, задач обработки больших объемов данных в реальных масштабах времени, поиска оптимальных решений в задачах экономического планирования и автоматического проектирования сложных объектов.

- базовый (большой) компьютер, обрабатывает основные потоки данных, часто используется в качестве сервера.

- миникомпьютеры, часто встраиваются в различные «умные» приборы.

- рабочая станция, абонентская система, специализированная на выполнение определенных задач пользователя (Станфордский компьютер, «Сеть и есть компьютер»). Предназначается для работы в информационных сетях.

- персональный компьютер, делится на настольные и портативные. Портативные на блокнотные и карманные.

- микрокомпьютер,

05.10. Регистры процессора.

1. Регистры общего назначения

2. Сегментные регистры

3. Регистры состояния и управления

Регистры – это устройства, предназначенные для временного хранения данных ограниченного размера. Регистр состоит из разрядов, в которые можно записывать и считывать слово, команду, двоичное число.

Регистры, обладающие способностью перемещать свои разряды, называются сдвиговый. В них за один такт хранимая информация поразрядно сдвигается на одно позицию.

Пользовательские регистры. Они называются так, потому что программист может их использовать при написании своих программ. К этим регистрам относятся: 8 32х битных регистра, которые могут использоваться программистами для хранения данных и адресов (регистры общего назначения): eax/ax/ah/al – регистр-аккумулятор, применяется для хранения промежуточных данных; ebx/bx/bh/bl – базовый регистр, применяется для хранения базового адреса некоторого хранения в памяти; ecx/cx/ch/cl – регистр-счетчик, применяется в командах, производящих некоторые повторяющиеся действия, число повторении цикла, который записывается в ecx, называется итерация, при выполнении цикла с каждым шагом это значение уменьшается на 1; edx/dx/dh/dl – регистр данных. Все перечисленные регистры имеют одинаковую структуру.

В регистры общего назначения записанные числа отображаются в 16-коде.

eax
	ax
	ah	al

Другие: ebp/bp – регистр указателя базы кадра стека, esi/si – индекс источника, edi/di – индекс приемника, esp/sp – регистр указателя стека.

esp
	sp

Сегментные регистры. В программной модели микропроцессора имеется 6 сегментных регистров.

Cs – сегментный регистр кода

Ss – Сегментный регистр стека

Ds – Сегментный регистр данных

Es -\

Gs – Дополнительные сегменты данных

Fs -/

Регистры состояния и управления.

В микропроцессор включены несколько регистров, которые постоянно содержат информацию о состоянии как самого микропроцессора, так и программы, команды которые в данных момент загружены на конвейер.

Регистр флагов: eflags/flags; eip/ip. Используя эти регистры можно получать информацию о результатах выполнения команд и влиять на состояние самого микропроцессора. Разрядность регистра флага 32/16 бит. Отдельные биты данного регистра имеют определенное функциональное значение и называются флагами. Флаги регистра делятся на 3 группы: восемь флагов состояния – они отражают особенности результата исполнения арифметических или логических операций. Это дает возможность анализировать состояние вычислительного процесса и реагировать на него с помощью команд условных переходов.

2 группа – флаг управления. Используется в цепочных операциях. Определяет направление поэлементной обработки.

3 группа – пять системных флагов. Управляют вводом-выводом, прерываниями, отладкой, переключением между задачами и виртуальным режимом микропроцессора.

																									5		3	2	1	0
																									0		0		1

0 - CF флаг переноса

2 - PF - флаг четности

4 – AF – вспомогательный флаг переноса

6 – ZF – флаг нуля

7- SF – флаг знака

11 – OF – флаг переполнения

12,13 – IOPL – уровень привелегированности ввода-вывода

14 – NT – флаг ложности задачи

Все это – флаги состояния

8 – флаг трассировки TF

9 – IF – флаг прерывания

16 – RF – флаг возобновления

17 – VM – флаг виртуального 8086

18 – AС – флаг контроля выравнивания

Все это – системные флаги

10 – DF – флаг направления

Все это – флаг управления.

Системные регистры микропроцессора.

АГА, ВСЁ ПРОШЛИ И ПРОЧЕЕ И ПРОЧЕЕ!

12.10.2011 - Организация памяти ЭВМ.

Классификация устройств памяти.

Статическая и динамическая память.

Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации.

Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими устройствами или памятью того или иного типа.

Производительность и вычислительные характеристики ЭВМ в значительной степени определяются составом и характеристикой ее запоминающих устройств. В составе ЭВМ используется одновременно, как правило, несколько типов запоминающих устройств.

ЗУ классифицируются по следующим критериям

- по типу запоминающих элементов:

- по функциональному назначению

- по способу организации обращения

- по характеру считывания

- по способу хранения

- по способу организации

По типу запоминающих элементов:

- полупроводниковая: существуют устройства, которые помогают запоминать информацию, устроены на транзисторах. Триггеры изобретены в 1913 году профессором Санкт-Петербургского университета Бонч-Буриевич. Триггеры могут запоминать двоичную информацию. Из триггеров состоят регистры различного типа. Как правило, в составе триггера 4 транзистора.

- магнитные: в природе существует целая серия различных веществ, обладающих магнитными свойствами (окиси железа, окиси хрома, и другие)

Рисунок 1 – Домены летят под действием магнитного поля.

Рисунок 2 – Петля Гестерейзиса

Принципы строения магнитной ЗУ.

Устройство магнитафона.

Рисунок 3 – мафон.

Основные недостатки магнитных систем:

1. С течением времени происходит размагничивание магнитной ленты, требуется перезапись

2. Сильно зависит от воздействия внешних магнитных полей

Оптико-магнитный принцип записи:

Функцию стирающей головки начинает выполнять луч-лазер. Лучом Лазарева разогревается область магнитного материала до температуры Кюри, при которой магнитный материал теряет свои магнитные свойства. На материал после того, как область выходит из зоны действия головок, практически не влияют сильные магнитные поля. Меньший износ магнитного материала.

Конденсаторные запоминающие элементы.

Рисунок икс – конденсатор заряжается и разряжается.

Общая методика – если уровень сигнала больше U1 – это единица, вместо кривого импульса вырабатывается импульс определенной амплитуды.

Время сохранения импульса на конденсаторе больше.

19.10.2011

По запоминающему устройству делятся на: ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, СОЗУ (сверх оперативное), ВЗУ (внешнее), ПЗУ (промежуточная).

По способу организации обращения: с последовательным поиском, с прямым доступом, с непосредственным доступом (адресным), ассоциативное, стековые, магазинные.

По характеру считывания: с разрушением информации, без разрушения информации.

По способу хранения: статические, динамические.

По способу организации: однокоординатные, двухкоординатные, трехкоординатные, 2-3 координатные.

Детальная классификация памяти по способу доступа: в зависимости от реализуемых памятью операций обращений различают:

1 – память с произвольным обращением, возможность считывания, запись данных в память

2 - память только для считывания информации (постоянные или односторонние). Запись в постоянную память происходит либо в процессе изготовления или настройке.

Эти типы памяти соответствуют терминам: RAM (random access memory) – память с произвольными обращением \ ROM (read only memory) – память только для чтения.

По способу организации доступа различают устройства памяти: с непосредственным (произвольным), с прямым (циклическим) и последовательным доступами.

В памяти с непосредственным (произвольным доступом) время доступа (или цикл обращения) не зависят от места расположения участка памяти, с которого производится считывание или с которого (или на который) записывается информация. Как правило, такой доступ реализуется с использованием электронных запоминающих устройств.

Цикл обращения составляет порядка 70 нс. (-9)

Количество разрядов считываемых или записываемых в память с непосредственным доступом за одну операцию за обращение называется шириной выборки. В двух других типах памяти (с прямым и последовательными доступами) используются более медленные электромеханические процессы.

Пример такой памяти: адресное обращение (адрес – совокупность номера сегмента и смещения). Не единственный способ обращения.

К памяти с прямым доступом относятся: дисковые устройства, где благодаря непрерывному вращению носителя информации возможность обращения к некоторому участку носителя для считывания и записи циклически повторяется. Время доступа от долей секунды до десятком миллисекунд (10-3).

В памяти с последовательным доступом происходит последовательный просмотр участка носителя информации, пока нужный участок носителя не займет некоторое исходное положение. Время доступа – до нескольких минут (магнитафоны, стримеры) – устройства и использованием магнитной ленты.

Основные характеристики памяти:

- основными операциями в памяти являются – занесение информации в память – запись и выборка информации из памяти – считывание. Обе операции называются обращением к памяти. Единицей информации при этих операциях считается байт, машинное слово или блок данных. Основные характеристики: емкость памяти (определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться), удельная емкость (отношение емкости запоминающего устройства к его физическому объему), плотность записи (отношение емкости ЗУ к площади носителя), быстродействие памяти (определяется продолжительностью операции обращения).