2014-02-02
2419
Таблица сложения
Таблица истинности логической функции
| A | B | (A Ú B) | A&B | ( )
| (A Ú B) & ()
|
Теперь на основе полученных логических выражений можно построить из базовых логических элементов схему сложения одноразрядных двоичных чисел.
По логической формуле переноса легко определить, что для получения переноса необходимо использовать логический элемент «И».
Анализ логической формулы для суммы показывает, что на выходе должен стоять элемент логического умножения «И», который имеет два входа. На один из входов надо подать результат логического сложения исходных величин А и В, т.е. на него должен подаваться сигнал с элемента логического сложения «ИЛИ».
На второй вход требуется подать результат инвертированного логического умножения исходных сигналов 
,т.е. на второй вход должен подаваться сигнал с элемента «НЕ», на вход которого должен поступать сигнал с элемента логического умножения «И» (рис. 4).
 |
Данная схема называется полусумматором, так как реализует суммирование одноразрядных двоичных чисел без учета переноса из младшего разряда.
Полный одноразрядный сумматор. Полный одноразрядный сумматор должен иметь три входа: А, В – слагаемые и Р 0–перенос из младшего разряда и два выхода: сумму S и перенос Р. Таблица сложения в этом случае будет иметь следующий вид (табл. 6).
Таблица 6
| Слагаемые | Перенос из младшего разряда | Перенос | Сумма | |
| А | B | P 0 | P | S |
Идея построения полного сумматора точно такая же, как и полусумматора. Из таблицы сложения видно, что перенос (логическая переменная Р)принимает значение 1 тогда, когда хотя бы две входные логические переменные одновременно принимают значение 1. Таким образом, перенос реализуется путем логического сложения результатов попарного логического умножения входных переменных (А, В, Р 0).Формула переноса получает следующий вид:
Для получения значения суммы (логическая переменная S)необходимо результат логического сложения входных переменных
(А, В, Р 0)умножить на инвертированный перенос Р:
Данное логическое выражение дает правильные значения суммы во всех случаях, кроме одного, когда на все входные логические переменные принимают значение 1. Действительно:
Для получения правильного значения суммы (для данного случая переменная S должна принимать значение 1) необходимо сложить полученное выше выражение для суммы с результатом логического умножения входных переменных (А, В, PQ).В результате логическое выражение для вычисления суммы в полном сумматоре принимает следующий вид:
Многоразрядный сумматор. Многоразрядный сумматор процессора состоит из полных одноразрядных сумматоров. На каждый разряд ставится одноразрядный сумматор, причем выход (перенос) сумматора младшего разряда подключается ко входу сумматора старшего разряда.
4.5. Триггер
Важнейшей структурной единицей оперативной памяти компьютера, а также внутренних регистров процессора является триггер. Это устройство позволяет запоминать, хранить и считывать информацию (каждый триггер может хранить 1 бит информации).
Триггер можно построить из двух логических элементов «ИЛИ»и двух элементов «НЕ» (рис. 5).
В обычном состоянии на входы триггера подан сигнал 0, и триггер хранит 0. Для записи 1 на вход S (установочный) подается сигнал 1. Последовательно рассмотрев прохождение сигнала по схеме, видим, что триггер переходит в это состояние и будет устойчиво находиться в нем и после того, как сигнал на входе S исчезнет. Триггер запомнил 1, т.е. с выхода триггера Q можно считать 1.
Для того чтобы сбросить информацию и подготовиться к приему новой, подается сигнал 1 на вход R (сброс), после чего триггер возвратится к исходному «нулевому» состоянию.
 |
Лекция 5
Программное управление
и архитектура компьютера
5.1. Принципы работы компьютера
В основу построения большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.
Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности.
Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических действий, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.
Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.
Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.
Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.
Компьютеры, построенные на перечисленных принципах, относятся к типу фон-неймановских. Для компьютеров, принципиально отличающихся от фон-неймановских, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без счетчика команд, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам необязательно давать ей имя.
5.2. Формат, структура и виды команд
Решение задач на ПК реализуется программным способом, т.е. путем выполнения последовательно во времени отдельных операций над информацией, предусмотренных алгоритмом решения задачи.
Алгоритм решения задачи, заданный в виде последовательности команд на языке вычислительной машины (в кодах машины), называется машинной программой.
Команда машинной программы (машинная команда) – это элементарная инструкция машине, выполняемая ею автоматически без каких-либо дополнительных указаний и пояснений.
Форматом команды называется заранее обговоренная структура полей в ее кодах, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода.
Данное, используемое при выполнении команды, называется операндом. Параметрами операнда являются длина (в байтах) и местоположение (регистр процессора, ячейка памяти и др.).
Операнд-источник – операнд, исходное значение которого используется при выполнении команды.
Операнд-приемник – операнд, местоположение которого совпадает с местоположением результата операции.
Машинная команда состоит из двух частей: операционной и адресной.
Операционная часть команды – это группа разрядов в команде, предназначенная для представления кода операции машины.
Адресная часть команды – это группа разрядов в команде, в которых записываются коды адреса (адресов) ячеек памяти машины, предназначенных для оперативного хранения информации, или иных объектов, задействованных при выполнении команды. Эти адреса называют адресами операндов, т.е. чисел, участвующих в операции.
По числу адресов, записываемых в команде, команды подразделяются на трех-, двух-, одноадресные и безадресные (рис. 6).
|
В трехадресной команде:
al и а2 – адреса ячеек (регистров), где расположены соответственно первое и второе числа, участвующие в операции;
а3 – адрес ячейки (регистра), куда следует поместить число, полученное в результате выполнения операции.
В двухадресной команде:
al – это обычно адрес ячейки (регистра), где хранится первое из чисел, участвующих в операции, и куда после завершения операции должен быть записан результат операции;
а2 – обычно адрес ячейки (регистра), где хранится второе участвующее в операции число.
В одноадресной команде:
al – в зависимости от модификатора команды может обозначать либо адрес ячейки (регистра), где хранится одно из чисел, участвующих в операции, либо адрес ячейки (регистра), куда следует поместить число – результат операции.
Безадресная команда содержит только код операции, а информация для нее должна быть заранее помещена в определенные регистры машины (безадресные команды могут использоваться только совместно с командами другой адресности).
Пример. СЛ 0103 5102
Это означает: сложить число в ячейке 0103 памяти с числом в ячейки 5102 памяти, а сумму поместить в ячейку 0103.
Команды хранятся в ячейках памяти только в двоичном коде.
Длина кода команды измеряется в машинных словах (байт). Чтобы получить возможность работать с минимальным числом адресных полей, результат, к примеру, можно размещать по месту хранения одного из операндов либо предварительно разместить один или несколько операндов в специально выделенных регистрах процессора.
Состав и число команд должны быть ориентированы на стандартный набор операций, используемых пользователем для решения своих задач.
По видам выполняемых операций команды подразделяются:
1) операции пересылки информации внутри ПК;
2) арифметические операции над информацией;
3) логические операции над информацией;
4) операции обращения к внешним устройствам ПК;
5) операции передачи управления (служат для изменения естественного порядка выполнения команд):
– операции безусловной передачи управления. Требуют выполнения после данной команды не следующей по порядку, а той, адрес которой в явном или неявном виде указан в адресной части;
– операции условной передачи управления. Требуют тоже передачи управления по адресу, указанному в адресной части команды, но только в том случае, если выполняется некоторое заранее оговоренное для этой команды условие. Это условие в явном или неявном виде указано в коде операции;
6) обслуживающие и вспомогательные операции.
Выполнение команды разбивается на следующие этапы:
– из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; при этом содержимое счетчика команд увеличивается на длину команды;
– выбранная команда передается в устройство управления (УУ) на регистр команд;
– УУ расшифровывает адресное поле команды (операнд);
– по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в арифметическо-логическое устройство (АЛУ) на специальные регистры операнд;
– УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;
– результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;
– все предыдущие этапы повторяются до команды «стоп».
Большинство алгоритмов может быть реализовано небольшим базовым набором команд. Вместе с тем система команд должна быть полной, т.е. содержать все команды, которые необходимы для интерпретации алгоритма в машинных кодах. ЭВМ общего назначения имеет универсальный набор команд и применяется в основном для решения тривиальных (стандартных) задач.
5.3. Сущность архитектуры компьютера
Термин «архитектура ЭВМ» был введен в начале 60-х гг. одной из групп специалистов в области ЭВМ фирмы IBM (совместимый настольный персональный компьютер).
Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные.
Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.
Архитектура компьютера включает в себя описания пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств.
Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно-математическое обеспечение. Структура ЭВМ – совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.
Совокупность этих принципов породила фон-неймановскую архитектуру ЭВМ. Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рис. 7.
 |
Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода).
Арифметико-логическое устройство выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти.
Управляющее устройство обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера.
Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме.
Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве.
Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода.
В построенной по схеме фон Неймана ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение.
Архитектура ЭВМ значительно влияет на производительность и эффективность использования вычислительных машин.
5.4. Классификация архитектур компьютера
Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
Классическая архитектура. Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметико-логическое устройство, через которое проходит поток данных, и одно устройство управления, через которое проходит поток команд – программа, т.е. однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью, или системной шиной (рис. 8).
Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к системной магистрали через специальные контроллеры.
Контроллер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с системной магистралью центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.
Существуют другие варианты построения однопроцессорных компьютеров, например, применяемые известной компанией Apple Macintosh.
С точки зрения шинной организации можно выделить два типа архитектур ЭВМ: машины с одношинной организацией (UNIBUS), имеющие общую (одну) магистраль для подключения всех устройств ЭВМ, и машины с многошинной организацией (MULTIBUS) и несколькими магистралями, например, между ЦП и ОП одна магистраль, а между ПУ и ЦП – другая. Родоначальником промышленного внедрения общей шины является фирма DEC (Digital Eguipment Corporation). Применяется она, как правило, в недорогих машинах, имеющих невысокую производительность. Такая архитектура очень проста и удобна с точки зрения программирования, так как все
устройства ЭВМ напрямую связаны между собой (каждый связан
с каждым).
CISC-архитектура. Машины семейства IBM PC относятся к так называемой CISC-архитектуре компьютеров (компьютер с полным набором команд). В системах команд процессоров, построенных по этой архитектуре, для каждого возможного действия предусмотрена отдельная команда.
Например, система команд процессора Intel Pentium состоит более чем из 1000 различных команд. Чем шире система команд, тем больше требуется бит памяти для кодирования каждой отдельной команды.
Если, например, система команд состоит всего из четырех действий, то для их кодирования требуется 2 бит памяти; для восьми возможных действий требуется 3 бит памяти; для 16 – 4 бит и т.д. Таким образом, расширение системы команд влечет за собой увеличение числа байт, выделяемых под одну машинную команду, а следовательно, и объема памяти, требуемой для записи всей программы в целом.
RISC-архитектура. В середине 1980-х гг. появились первые процессоры с сокращенной системой команд, построенные по так называемой RISC-архитектуре (компьютер с усеченной системой команд).
К архитектуре RISC относятся достаточно широко известные машины компании Apple Macintosh. Важное отличие этих машин состоит в том, что многие возможности обеспечиваются не путем приобретения, установки и настройки дополнительного оборудования, а встроенным и не требующим никакой настройки оборудованием.
В качестве высокопроизводительных серверов достаточно часто используются машины семейств Sun Microsystems, Hewlett Packard и Compaq, которые также относятся к RISC-архитектуре. В качестве представителей других архитектур можно упомянуть еще и семейства переносных компьютеров классов Notebook (портативные).
Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи (рис. 9).
Центральный процессор в общем случае содержит:
– арифметико-логическое устройство;
– шины данных и шины адресов;
– регистры;
– счетчики команд;
– кэш – очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
– математический сопроцессор чисел с плавающей точкой. Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров.
Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора.
Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или плоский керамический корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.
Память компьютера построена на триггерах, объединенных в группы по 8 бит, которые называются байтами. Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.
Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова – 2, 4 или 8 байт. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово) (табл. 7).
Таблица 7
| Байт 0 | Байт 1 | Байт 2 | Байт 3 | Байт 4 | Байт 5 | Байт 6 | Байт 7 | |
| ПОЛУСЛОВО | ПОЛУСЛОВО | ПОЛУСЛОВО | ПОЛУСЛОВО | |||||
| СЛОВО | СЛОВО | |||||||
| ДВОЙНОЕ СЛОВО | ||||||||
Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда.
В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип построения, который позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера из готовых узлов и блоков (модулей), изготовляемых различными производителями и производить при необходимости ее модернизацию.
Такой подход еще называют принципом «открытой архитектуры». На основной электронной плате компьютера (системной, или материнской, плате) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации (вычисления). Схемы, управляющие всеми остальными устройствами компьютера (монитором, дисками, принтером и т.д.), реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате – слоты. К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в общий металлический или пластмассовый корпус – системный блок.
Главным стимулом развития архитектуры ЭВМ является повышение производительности. Один из способов повышения производительности вычислительной техники – специализация (как отдельных элементов ЭВМ, так и создание специализированных вычислительных систем).
5.5. Интерфейсы компьютера
Интерфейсы являются основой взаимодействия всех современных информационных систем. Если интерфейс какого-либо объекта (персонального компьютера, программы, функции) не изменяется (стабилен, стандартизирован), это дает возможность модифицировать сам объект, не перестраивая принципы его взаимодействия с другими объектами. Например, научившись работать с одной программой под Windows, пользователь с легкостью освоит и другие, потому что они имеют одинаковый интерфейс.
Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных, аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматизированных системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости.
Различают несколько видов интерфейсов:
1) системные (внутрисистемные), которые являются базовой частью архитектуры ЭВМ и представляют собой совокупность унифицированной магистрали, электронных схем, управляющих прохождением сигналов по шинам, и т.п.;
2) интерфейсы периферийного оборудования, включающие универсальные (параллельный и последовательный) и специализированные интерфейсы (НОД, НМД и т.п.);
3) интерфейсы программируемых приборов, служащие для подключения нестандартной аппаратуры, измерительных и управляющих систем;
4) магистрально-модульных, микропроцессорных систем;
5) локальных вычислительных систем и т.п.
Понятие интерфейса связано со следующими элементами, входящими в состав любой ЭВМ:
– линии интерфейса – электрические цепи, являющиеся составными физическими связями интерфейса;
– шина – совокупность линий, сгруппированных по функциональному назначению (шина адреса, шина команд, шина данных, шина состояния и т.п.);
– магистраль – совокупность всех шин интерфейса, конструктивно она представлена в виде печатной платы, обеспечивающей
соединение контактов разъемов, с помощью которых к магистрали подключаются различные устройства ЭВМ (т.е. их интерфейсы).
В вычислительной системе взаимодействие может осуществляться на пользовательском, программном и аппаратном уровнях.
В соответствии с этой классификацией можно выделить следующие интерфейсы.
Интерфейс пользователя
Совокупность средств, с помощью которых пользователь общается с различными устройствами (интерфейс командной строки – инструкции компьютеру даются путем ввода с клавиатуры текстовых строк команд, графический интерфейс пользователя – программные функции представляются графическими элементами экрана, диалоговый интерфейс и др.).
Особое внимание в интерфейсе пользователя уделяется его эффективности и удобству пользования.
Составляющими интерфейса пользователя являются:
1) средства:
– вывода информации из устройства к пользователю (экраны, дисплеи, проекторы, лампочки, динамики и т.п.);
– ввода информации (команд) пользователем в устройство (кнопки, переключатели, датчики, приводы и т.п.);
2) методы, т.е. набор правил, заложенных разработчиком устройства, согласно которым совокупность действий пользователя должна привести к необходимой реакции устройства и выполнения требуемой задачи – так называемый логический интерфейс.
Физический интерфейс
Способ взаимодействия физических устройств. Чаще всего речь идет о компьютерных портах (сетевой интерфейс, шлюз – устройство, соединяющее локальную сеть с более крупной, шина и др.)
В компьютерных сетях сетевым интерфейсом называют:
1) точку соединения между компьютером пользователя и общественной сетью;
2) сетевую карту компьютера (наиболее частое использование термина);
3) точку соединения коммутируемой телефонной сети общественного пользования и телефона;
4) точку соединения двух сетей между собой.
Компьютерная ши́на (двунаправленный универсальный коммутатор) – в архитектуре компьютера подсистема, которая передает данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. К шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников.
Интерфейсы в программировании
Программный интерфейс – функциональность, которую некоторый программный компонент предоставляет другим программным компонентам. Можно различать два вида такой функциональности: та, что используется при создании прикладных программ, и та, что используется при создании системных компонентов. Первая обычно называется интерфейсом программирования приложений (набор готовых классов, функций, структур и констант, предоставляемых приложением для ее использования во внешних программных продуктах), вторая может называться интерфейсом программирования компонентов операционной системы или интерфейсом системного программирования (род деятельности, заключающийся в работе над системным программным обеспечением). Программные интерфейсы могут быть разноуровневыми, относясь либо к уровню программного кода, либо к уровню кода машинного.
 | |||
 |
Лекция 6
Структура компьютера
6.1. Общее устройство и основные блоки компьютера
В состав компьютера должны входить следующие устройства:
– процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);
– память (запоминающее устройство – ЗУ);
– внешние запоминающие устройства;
– устройство ввода;
– устройство вывода.
Эти устройства соединены между собой каналами связи, по которым передается информация (рис. 10).
|
Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.
Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами – адаптерами внешних устройств.
Адаптеры и контроллеры управляют работой внешних устройств, но контроллер отличается от адаптера некоторой «интеллектуальностью», т.е. способностью выполнять некоторые операции самостоятельно без вмешательства центрального процессора, так как сам содержит микропроцессор, хотя и гораздо менее мощный.
На системной плате (часто ее называют материнской платой – Mother Board), как правило, размещаются микропроцессор, генератор тактовых импульсов, блоки (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ, адаптеры клавиатуры, контроллер НЖМД, контроллер прерываний, таймер и др.
Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.
Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.
Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.
Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
Источник питания – это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.
Таймер – это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору – и при отключении машины от сети продолжает работать (рис. 11).
Рис. 11. Структурная схема персонального компьютера
6.2. Микропроцессор, его типы и структура
Микропроцессор, центральный процессор – Central Processing Unit (CPU) – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.
Микропроцессор (МП) – это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.
В состав микропроцессора входят следующие устройства.
1. Устройство управления (УУ) формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.
2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор).
Функционально АЛУ состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).
Сумматор – вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.
Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 – разрядность слова.
Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.
АЛУ выполняет арифметические операции (+, –, *,:) только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, т.е. только над целыми двоичными числами.
Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется или с привлечением математического сопроцессора, или по специально составленным программам.
3. Микропроцессорная память (МПП) служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).
Микропроцессорная память – память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (измеряется наносекундами – тысячными долями микросекунды).
4. Интерфейсная система микропроцессора реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.
Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.
Все микропроцессоры можно разделить на три группы:
1) МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд.
К таким микропроцессорам относятся Pentium, OverDrive. Эти микропроцессоры имеют от 5 до 14-ступенной конвейерную структуру и КЭШ-буфер емкостью 256–512 Кбайт для команд условной передачи управления, позволяющий предсказывать направление ветвления программ; имеют 32-разрядную адресную шину и 64-разрядную шину данных. Обмен данными с системой может выполняться со скоростью 1 Гбайт/с.
У всех МП Pentium имеется встроенная КЭШ-память, отдельно для команд, отдельно для данных; имеются специализированные блоки сложения, умножения и деления.
2) МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд.
Содержат набор только простых команд. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых.
К ним относятся ARM – 32-разрядный МП, имеющий 118 различных команд, и Power PC 64-разрядный при быстродействии до 150 млн оп./с. Этот тип МП имеет высокое быстродействие, но программно не совместим с CISC-процессорами.
3) МП типа MISC (Minimum Instruction Set Computing) с минимальным набором команд и весьма высоким быстродействием.
Регистровая КЭШ-память – высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название КЭШ-«тайник».
В КЭШ-памяти хранятся данные, которые МП получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы.
По принципу записи результатов различают два типа КЭШ-памяти.
КЭШ-память «с обратной записью» – результаты операций прежде, чем их записать в ОП, фиксируются в КЭШ-памяти, а затем контроллер КЭШ-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП.
КЭШ-память «со сквозной записью» – результаты операций одновременно, параллельно записываются и в КЭШ-память, и в ОП.
Для всех МП может использоваться дополнительная КЭШ-память (КЭШ-память 2-го уровня), размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов.
6.3. Системная шина
Системная шина –это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Системная шина включает в себя:
– кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.
Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. числом двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивается (64 бит);
– кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства. Выбор устройства, или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство, или ячейка оперативной памяти, имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении: от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).
Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. число ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Число адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле N = 2 i,где i – разрядность шины адреса.
Разрядность шины, например 32 бит. Максимально возможное число адресуемых ячеек памяти N = 232 = 4 294 967 396;
– кодовую шину инструкций (КШИ), или шину управления, содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию, считывание или запись информации из памяти нужно производить; синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.;
– шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.
Шины представляют собой многопроводные линии.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
1) между микропроцессором и основной памятью;
2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.
6.4. Запоминающие устройства
Основная память (ОП)
Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное (ROM) запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное (RAM) запоминающее устройство (ОЗУ).
Основу ОЗУ составляют большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов (триггеров).
Конструктивно элементы оперативной памяти выполняются в виде отдельных микросхем типа DIP (двухрядное расположение выводов) или в виде модулей памяти типа SIP (однорядное расположение выводов), или, что чаще, SIMM (модуль памяти с одноразрядным расположением выводов).
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно. В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины.
ПЗУ также строится на основе установленных на материнской плате модулей и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS – Base Input-Output System).
ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).
Структурно основная память состоит из миллионов отдельных ячеек памяти емкостью 1 байт каждая. Общая емкость основной памяти современных ПК обычно лежит в пределах от 1 до нескольких Гбайт. Емкость ОЗУ на один-два порядка превышает емкость ПЗУ: ПЗУ занимает 128 (реже 256) Кбайт, остальной объем – это ОЗУ.
Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный (отличный от всех других) адрес. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное пространство.
Адресное пространство зависит от разрядности адресных шин, ибо максимальное количество разных адресов определяется разнообразием двоичных чисел, которые можно отобразить в n разрядах, т.е. адресное пространство равно 2 n, где n – разрядность адреса.
Для ПК характерно стандартное распределение непосредственно адресуемой памяти между ОЗУ, ПЗУ и функционально ориентированной информацией (табл. 8).
Таблица 8
