Регистры

Регистр — это цифровой узел, служащий для записи и хранения числа. Помимо хранения информации некоторые виды регистров могут преобразовывать информацию, например, из последовательной во времени формы представления в параллельную, сдвигать записанную информацию на один или несколько разрядов в сторону младшего (вправо) или старшего разряда (влево).

Основой регистров хранения служат одноступенчатые асинхронные RS-триггеры. Каждый триггер служит для хранения одного разряда числа.

Регистры сдвига предназначены для преобразования информации путем ее сдвига под действием тактовых импульсов. Они представляют собой совокупность соединенных триггеров, количество которых определяется разрядностью числа. По направлению сдвига информации различают регистры прямого сдвига (вправо, т.е. в сторону младшего разряда) и обратного, а также реверсивные, допускающие сдвиг в обоих направлениях.

Наиболее широко распространены регистры сдвига, реализованные на D-триггерах. На рис. 18 приведен 4-х разрядный регистр сдвига, который позволяет хранить 4 двоичных разряда данных: А, В, С, D).

Рис. 18. 4-х разрядный последовательный регистр сдвига на D-триггерах

Работу устройства можно проследить по табл. 11. Первоначально производят очистку регистра, установив уровни логического 0 на его выходах А, B, C, D (строка 1).

До прихода первого тактового импульса выходы регистра остаются в состоянии 0000. После подачи первого тактового импульса на синхронизирующий вход С, индикатор покажет число 1000 (строка 3). Так как на входе тактового импульса логическая 1, то с информационного входа триггера ta она переносится на выход Q. Теперь при наличии логической 1 на информационном входе регистра эта единица с каждым тактовым импульсом вводится в разряд А, а введенные ранее единицы сдвигаются на одну позицию (разряд) вправо (тактовые импульсы 2 и 3, см. табл.11).

Точно также при подаче на информационный вход логического 0 этот нуль при каждом тактовом импульсе вводится в разряд А, а введенные ранее единицы и нули сдвигаются вправо (тактовые импульсы 4-8, см. табл.11).

Перед приходом тактового импульса 9 на информационном входе устанавливается 1, а перед приходом импульса 10 этот вход возвращается к 0. В результате во время действия тактовых импульсов 9-13 введенная в регистр (на импульсе 9) единица будет смещаться на индикаторе вправо.

Строка 15 (табл.11) показывает, что на импульсе 13 эта единица покидает крайний правый разряд регистра сдвига и теряется. (D-триггер – триггер с задержкой. Он передает информационный сигнал с входа D на выход Q с задержкой на один такт).

Работа 4-х разрядного регистра сдвига

Таблица 11

Входы				Выходы
Номер строки	Очистка	Данные	Номер тактового импульса	ta A	tb B	tc C	td D
1	0	0	0	0	0	0	0
2	1	1	0	0	0	0	0
3	1	1	1	1	0	0	0
4	1	1	2	1	1	0	0
5	1	1	3	1	1	1	0
6	1	0	4	0	1	1	1
7	1	0	5	0	0	1	1
8	1	0	6	0	0	0	1
9	1	0	7	0	0	0	0
10	1	0	8	0	0	0	0
11	1	1	9	1	0	0	0
12	1	0	10	0	1	0	0
13	1	0	11	0	0	1	0
14	1	0	12	0	0	0	1
15	1	0	13	0	0	0	0

Устройство, схема которого приведена на рис.18. называется последовательным регистром сдвига. Термин «последовательный» отражает тот факт, что в этот регистр данные вводятся поразрядно. Другой способ загрузки регистра называется параллельным, при котором все информационные биты (разряды) вводятся в регистр одновременно «по команде» одного тактового импульса.

В параллельномрегистре на тактируемыхD-триггерах (рис.19) код запоминаемого числа подается на информационные входы всех триггеров и записывается в регистр, с приходом тактового импульса. Входная информация изменяется с подачей нового входного слова и приходом следующего импульса записи. Такие регистры используют в системах оперативной памяти. Число триггеров в них равно максимальной разрядности хранимых слов.

Рис.19. Параллельный регистр.

Счетчики

Практически каждая сложная цифровая система содержит несколько счетчиков, назначение которых  подсчет некоторых событий или временных интервалов в хронологической последовательности. Их можно использовать также для адресации, в качестве делителей и элементов памяти.

Счетчиком называют устройство, сигналы, на выходе которого отображают число импульсов, поступивших на счетный вход.

Цифровую схему, выполняющую функцию счета, можно собрать из триггеров.

Контрольные работы

Контрольная работа №1

Вариант 1

1. Выполнить действия по переводу чисел из одной системы счисления в другу:

0,48₁₀----------N₂ 673₈-------------------N₁₀

973₁₀-----------N₈ 101100001₂----------N₈

43,78₁₀---------N₁₆ 10101₂----------------N₁₀

2. Выполнить арифметические действия над числами в двоичной системе счисления

1001 + 1100 = 101  110 =

1110010 – 111010 = 10101 : 11 =

3. Выполнить сложение в обратном и дополнительном кодах:

А = + 49₁₀ В = - 27₁₀

Вариант 2

1. Выполнить действия по переводу чисел из одной системы счисления в другую:

0,29₁₀----------N₈ 70,07₈-------------------N₁₀

875₁₀-----------N₁₆ 10001101100₂----------N₈

40,5₁₀---------N₂ 1010101₂----------------N₁₀

2. Выполнить арифметические действия над числами в двоичной системе счисления

111010 + 111000 = 11001  1101 =

1111100 – 10111 = 11001 : 101 =

3. Выполнить сложение в обратном и дополнительном кодах:

А = + 77₁₀ В = - 33₁₀

Контрольная работа №2

Вариант 1

1. Составьте таблицу истинности для логического элемента И-НЕ

2. Запишите булево выражение для логического элемента И-НЕ с тремя входами.

3. Изобразите на схеме, как имея логический элемент И и инверторы, можно осуществить логическую функцию ИЛИ-НЕ

4. Как имея, логические элементы И с двумя входами каждый, получить логический элемент И с пятью входами? Покажите на схеме.

5. Используя логические элементы И, ИЛИ, НЕ, составьте логические схемы для булевого выражения (не С и BиAили С и неBи не А)

6. Приведите пример булевого выражения, записанного в форме дизъюнктивной нормальной функции (ДНФ)

Вариант 2

1. Составьте таблицу истинности для логического элемента ИЛИ-НЕ

2. Запишите булево выражение для логического элемента ИЛИ-НЕ с четырьмя входами.

3. Изобразите на схеме, как, имея логический элемент И-НЕ и инверторы, можно осуществить логическую функцию ИЛИ

4. Как, имея логические элементы ИЛИ с двумя входами каждый, получить логический элемент ИЛИ с тремя входами? Покажите на схеме.

5. Используя логические элементы И, ИЛИ, НЕ, составьте логические схемы для булевого выражения (А или B) и ( неAили неB)

6. Приведите пример булевого выражения, записанного в форме конъюнктивной нормальной функции (КНФ)

Общие принципы построения современных ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В его основе лежит положение о том, что алгоритм решения любой задачи может быть представлен в виде вычислений. Алгоритм ─ конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций.

Программа для ЭВМ ─ упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке. Следует отметить, что строгого однозначного определения алгоритма, а также однозначных методов его преобразования в программу вычислений не существует. Поэтому принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Джоном фон Нейманом в 1945году. Суть его заключается в следующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, которая состоит из последовательности управляющих слов ─ команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнд ─ переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результаты вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам (командам) и операндам используются их адреса, в качестве которых выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенные для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовые, текстовые, графическая и т.п.) кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Обычно все форматы (размерность) данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, представлена полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют поля: знаковые разряды, значащие разряды чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного, принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет 4 байта, для персональных электронно-вычислительных машин (ПЭВМ) ─ 2 байта. В качестве структурных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации, с помощью которых вводятся в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Сначала введенная информация запоминается в ОЗУ, а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), где преобразуется в специальный программный объект ─ файл. Файл ─ это имеющий имя информационный массив (программа, данные, текст и т.п.), размещаемый во внешней памяти и рассматриваемый как неделимый объект при пересылке и обработке. При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в УУ.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Отдельные признаки результатов R (R=0, R<0, R>0 и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты передаются на устройства вывода. Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (170 ─ 230 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда ─ это простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

В ЭВМ 3-го поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки (раньше УУ обслуживало не только вычислительные процессы. но и операции ввода-вывода, пересылок данных между запоминающими устройствами и др.) Тесно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор. В структуре ЭВМ появились дополнительные устройства, которые стали называться: процессоры ввода-вывода, устройства обмена информацией, каналы ввода-вывода (КВВ).

Среди каналов ввода-вывода выделили мультиплексные каналы, способные обслуживать большое число медленно работающих устройств ввода-вывода, и селекторные каналы, которые обслуживают в монопольном режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В ПЭВМ, относящихся к 4-му поколению, произошло дальнейшее изменение структуры. Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ЭВМ ─ процессор и основная (внутренняя) память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянно-запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначено для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ обеспечивается через соответствующие адаптеры ─ согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или котроллеры ─ специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер (измерение времени) и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) ─ устройство, которое обеспечивает доступ к оперативной памяти, минуя процессор.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ: модульность построения; магистральность; иерархия управления

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске).

Модульная конструкция делает ее открытой системой ─ можно подключить дополнительные устройства, улучшая технические и экономические показатели ЭВМ.

Основные достоинства модульного принципапостроения технических средств ПЭВМ заключаются в следующем:

1) на этапе разработкивозможна одновременная работа над различными модулями, что позволяет сокращать сроки проектирования; упрощать отладку и сопряжение модулей, конструирование, испытание, а также модернизацию как отдельных модулей, так и персональной ЭВМ (ПЭВМ) в целом;

2) на этапе производствадостигается параллелизм изготовления модулей, что упрощает сборку и монтаж, снижает стоимость изготовления технических средств, благодаря широкой автоматизации производства;

3) при эксплуатацииповышается надежность технических средств, облегчается их обслуживание.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на процессоры. Появились вычислительные системы, содержащие несколько вычислителей, работающих согласованно и параллельно. Появились специализированные процессоры, например, сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др.

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более сильную. Это обеспечивается информационной, аппаратной и программной совместимостью. Программная совместимость ─ более ранние программы могут обрабатываться и в более поздних.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Устройство управления центрального (главного) процессора определяет лишь последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правильной координации всех работ. Подчиненные модули (контроллеры, адаптеры, контроллеры ввода-вывода) могут в свою очередь использовать специальные шины или магистрали для обмена информацией. Стандартизация и унификация привели к появлению иерархии шин и к их специализации. Из-за различий в скоростях работы отдельных устройств в структуре ПК появились: системная шина  для взаимодействия основных устройств; локальная шина  для ускорения обмена видеоданными; периферийная шина  для подключения «медленных» периферийных устройств.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем, например, по этому принципу строится система памяти ЭВМ. С точки зрения пользователя желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости и высокого быстродействия. Но одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворять этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу:

1. В составе процессоров может иметься сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками или несколькими сотнями регистров с быстрым временем доступа, составляющим один такт процессора (наносекунды, нс). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно используемые в обработке.

2. Следующий уровень образует кэш-память или память блокнотного типа, представляющая собой буферное запоминающее устройство для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайтов. В современных компьютерах она в свою очередь делится: на кэш первого уровня L1(Е_п=16─32 Кб с временем доступа 1-2 такта процессора); на кэш второго уровня L2 (Е_п=128-512 Кб, с временем доступа 3-5 тактов) и даже на кэш третьего уровня L3 (Е_п=2-4 Мбайт с временем доступа 8-10 тактов). Кэш-память, как более быстродействующая, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Здесь возможна ассоциативная выборка данных.

3. Основной объем программ пользователей и данных к ним размещается в оперативном запоминающем устройстве (емкость ─ миллионы машинных слов, время выборки -10-20 тактов процессора). Часть данных-констант, необходимых операционной системе для управления вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в ПЗУ.

4. На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает низкое быстродействие и очень большая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между запоминающими устройствами (ЗУ) различных уровней при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как абстрактную единую кажущуюся (виртуальную) память. Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работы с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.

В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка является кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователя. Например, компьютер может производить распечатку документов и принимать сообщения по каналам связи. Процессор при этом может производить обработку данных по третьей программе, а пользователь вводить данные или программу для новой задачи, слушать музыку и т.п.

В ЭВМ, имеющих несколько процессоров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и блоков, разделяющих различные вычислительные процессы друг от друга, исключающие возможность возникновения взаимных помех и ошибок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти). Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но являются необходимым элементом структуры для обеспечения этих вычислений. Все приведенные структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие традиционные признаки:

-ядро ЭВМ образует процессор – единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;

-линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;

-одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

-внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

-последовательное централизованное управление вычислениями;

-достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.

Несмотря, на достигнутые успехи, классическая структура не обеспечивает возможностей дальнейшего наращивания производительности вычислительной техники. Наметился кризис:

-практически исчерпаны структурные методы повышения производительности ЭВМ;

-плохо развиты средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие массивы данных и пр.;

-несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

-примитивная организация памяти ЭВМ;

-низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную обработку и т.п.

Все эти недостатки аппаратуры приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, применяемого для подготовки и решения задач пользователя.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них «встроенного искусственного интеллекта», предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользователей с ЭВМ (использование аудио-, видео- информации, систем мультимедиа и др.), обеспечения доступа к информационным хранилищам (базам данных и базам знаний), организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения.

Для преодоления сложности при общении с компьютером применяют подход − многоуровневая компьютерная организация. Большинство современных компьютеров состоит из нескольких уровней. Например, в современных машинах можно выделить следующие абстрактные уровни: уровень физических устройств, цифровой логический уровень, микроархитектурный уровень, уровень архитектуры команд, уровень операционной системы, уровень языка ассемблера, язык высокого уровня (см. табл.12).

Многоуровневая компьютерная организация современных машин

Таблица 12

Язык высокого уровня (Уровень 5)	Данный уровень предназначен для прикладных программистов, решающих конкретные задачи.
Уровень языка ассемблера (Уровень 4)	С этим уровнем работают системные программисты, которые разрабатывают интерпретаторы и трансляторы, поддерживающие более высокие уровни.
Уровень операционной системы (Уровень3)	Большинство команд этого уровня есть и на уровне архитектуры систем команд, однако данный уровень имеет дополнительные особенности: набор новых команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программ одновременно и некоторые другие.
Уровень архитектуры системы команд (Уровень 2)	На этом уровне производителем ЭВМ в руководстве для компьютера описывается набор машинных команд для данного компьютера.
Микроархитектурный уровень (Уровень 1)	На этом уровне совокупность регистров, например, 8 или 32 формируют локальную память и схему, называемую арифметико-логическое устройство (АЛУ). Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция тракта данных состоит в следующем: выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например, сложение, а результат помещается в один из этих регистров. В настоящее время тракт данных обычно контролируется аппаратным обеспечением.
Цифровой логический уровень или аппаратное обеспечение компьютера (Уровень 0)	На данном уровне объекты называются вентилями (крошечные электронные устройства), состоящими из аналоговых компонентов (транзисторов) и смоделированных как цифровые средства. У каждого вентиля есть один или несколько цифровых входов сигналы на которых представлены в виде 0 или 1. вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, например, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют один бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16, 32 или 64 формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела.

На уровне физических устройств (самый нижний уровень) находятся транзисторы, которые являются примитивами для разработчиков компьютеров. В таблице данный уровень не отображен (работа транзисторов рассматривается в физике).

Структура базового микропроцессора

Микропроцессор(МП) —обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к основной памяти, внешним устройствам и для управления ходом вычислительного процесса. Фундаментальным для понимания организации вычислительных машин (ВМ) является понятие процесса.Процесс(иногда говорят последовательный процесс) – это выполнение программы. Он по своей сути активен, т.е. способен производить действия. Процесс от программы отличает то, что последняя по существу пассивна, т.е. расположенная на носителе данных она не способна сама по себе производить никаких действий. Процесс проходит упорядоченную во времени последовательность состояний. Для выполнения программы (или для получения процесса) необходима работа вычислительной машины илипроцессора. Функция такого процессора состоит в переводе процесса из одного состояния в другое. Процесс имеет два важных свойства: 1) результат процесса не зависит от скорости его протекания; 2) при повторном выполнении процесса с теми же данными он проходит ту же последовательность состояний и дает тот же результат. Эти свойства отражают последовательную природу процесса.

При физическом представлении МП–большая интегральная схема, представляющая собой кремниевый кристалл в пластмассовом, керамическом или металлокерамическом корпусе, на котором расположены выводы для приема и выдачи электрических сигналов. Все современные микропроцессоры помещаются на одной микросхеме. Каждая микросхема содержит набор выводов, посредством которых происходит обмен информацией с внешним миром. Выводы МП можно подразделить на три типа:адресные, информационныеиуправляющие. Эти выводы связаны с соответствующими выводами на микросхемах памяти, устройств ввода-вывода через набор параллельных проводов (шину). Чтобы вызвать команду, микропроцессор сначала посылает в память адрес этой команды по адресным выводам. Затем он запускает одну или несколько линий управления, чтобы сообщить памяти, что ему нужно, например, прочитать слово. Память выдает ответ, помещая требуемое слово на информационные выводы МП и посылая сигнал о том, что это сделано. Когда микропроцессор получает данный сигнал, он принимает слово и выполняет вызванную команду.

Число адресныхвыводов и числоинформационных выводов−два ключевых параметра, которые определяютпроизводительностьпроцессора. Микросхема, которая содержитmадресных выводов, может обратиться к 2^mячейкам памяти. Обычноmравно 16, 32, или 64.

Микросхема, содержащая nинформационных выводов, может считывать или записыватьn-битное слово за одну операцию. Обычноnравно 8, 16, 32, 64. Кроме адресных и информационных МП содержитвыводы управления, которые регулируют и синхронизируют поток данных от микропроцессора и к нему, а также выполняют другие функции. Все процессоры содержатвыводы для питания(в настоящее время <3,3В);«земли»исинхронизирующего сигнала. Остальные выводы изменяются от процессора к процессору. На рис.20 приведены выводы типичного микропроцессора. Выводы управления можно разделить на несколько основных категорий: управление шиной; прерывание; арбитраж шины; состояние; разное.

Выводы управления шиной представляют собой выходы из центрального процессора в шину (и, следовательно, входы в микросхемы памяти и микросхемы устройств ввода-вывода). Они сообщают, что процессор хочет считать информацию из памяти, или записать информацию в память, или сообщают о какой-либо другой операции. Выводы прерывания− это входы из устройств ввода-вывода в процессор. Процессор может дать сигнал устройству ввода-вывода начать операцию, а затем приступить к какому-либо другому действию, пока устройство ввода-вывода выполняет свою работу. Когда устройство ввода-вывода заканчивает свою работу, контроллер ввода-вывода посылает сигнал на один из выводов прерывания, чтобы прервать работу процессора и заставить его обслуживать устройство ввода-вывода (например, проверять ошибки ввода-вывода). Некоторые процессоры имеют выходной выход, чтобы подтверждать получение сигнала прерывания.

Выводы разрешения конфликтов (арбитраж шины)используются для регулирования потока информации в шине (не допускают ситуации, когда два устройства пытаются воспользоваться шиной одновременно).

Некоторые центральные процессоры могут работать с различными сопроцессорами(например, с графическим процессором, процессором с плавающей точкой и т.п.). Для обеспечения обмена информацией между процессором и сопроцессором используются специальные выводы.

Дополнительные выводы, имеющиеся у некоторых процессорах, нужны, например, для выдачи или приема информации о состоянии, для перезагрузки компьютера или для обеспечения совместимости со старыми микросхемами устройств ввода-вывода.

Основные функции МП – выполнение вычислений, пересылка данных между внутренними регистрами, управление ходом вычислительного процесса. Микропроцессор непосредственно взаимодействует с оперативной памятью и контроллерами системной платы. В его функции входит выполнение программ, находящихся в основной памяти, путем выборки, проверки и последовательного выполнения составляющих их команд. Микропроцессор состоит из:

−устройства управления(УУ) −осуществляет выборку команд из основной памяти и определение их типа;

−арифметико-логического устройства(АЛУ), которое осуществляет такие операции как, например, сложение (and) необходимое для выполнения команд;

−небольшая высокоскоростнаяпамять для запоминания промежуточных результатов и управляющей информации. Эта память состоит из ряда регистров, каждый из которых имеет определенное назначение. Наиболее важным регистром являетсясчетчиккоманд, указывающий на команду, которую необходимо выполнить следующей. Как, правило, имеетсярегистркоманд(IP), содержащий текущую выполняемую команду. Большинство ЭВМ имеет такжедругиерегистрыразличного типа, некоторые из них доступны для использования программистам для хранения промежуточных результатов.Регистрыслужатосновныминосителямиинформациивнутри процессора.

Характеристиками микропроцессора являются: 1) быстродействие МП, которое зависит от тактовой частоты микропроцессора; 2) архитектура МП, определяющая какие данные он может обрабатывать, какие машинные инструкции входят в набор, выполняемых им команд, как происходит обработка данных, каков объем внутренней памяти МП.

Основными параметрами микропроцессора являются:

-рабочее напряжение. Его обеспечивает системная (материнская) плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные системные платы. Ранние модели процессоров 8086 имели напряжение равное 5В. С переходом к Intel Pentium напряжение понизилось до 3,3В. в настоящее время оно менее 3В (ядро процессора питается 2,2В). Понижение напряжения ведет к уменьшению расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Отсюда, пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, что позволяет увеличить производительность без угрозы перегрева;

-разрядность микропроцессора. Под разрядностью понимают какое количество бит данных может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт) МП. Первые процессоры были 16-ти разрядными. Начиная с 80386, они имеют 32-разрядную архитектуру (могут работать с 64-разрядной шиной данных);

-рабочая тактовая частота. Чем выше тактовая частота, тем больше команд МП может исполнить в единицу времени, а, следовательно, тем выше его производительность. Первые процессоры работали на 4,77 Мгц, сегодня более 500Мгц (миллионов тактов в секунду). Тактовые импульсы задает одна из микросхем (генератор тактовых импульсов), расположенная на системной плате. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами как процессор. Её предел 100-133Мгц;

-размер кэш памяти. Чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – кэш память, как бы сверхоперативная память. Сначала МП обращается к кэш памяти, если в ней нет нужных данных, то тогда происходит обращение к ОЗУ. Принимая блок данных из ОЗУ, микропроцессор одновременно заносит его в кэш память.

Существует большое число разновидностей микропроцессоров, отличающихся назначением, функциональными возможностями, структурой и исполнением. Классификационные различия между ними:

−назначение(микропроцессоры для серверов и мощных приложений; МП для ПЭВМ);

−количество разрядовв обрабатываемой информационной единице (8, 16, 32. 64-битовые и др.) — разрядность процессора;

−технология изготовления(0,5мкмPentiumPro(данный параметр характеризует минимально различимый размер компонентов интегральных схем); 0,35 (Pentium2), 0,25(Celeron), 0,18Pentium3 (частота 750 Мгц), 013, 0,07мкм)

Среди МП для серверов и мощных приложений прочное место завоевали RISC-процессоры(ReduceInstructionSetComputing) с сокращенной системой команд, которая содержит ограниченное число (порядка 50) очень простых команд. За счет этого упрощаются схемы управления микропроцессором и сокращаются его размеры. На кристалле МП (чипе) освобождается место, которое используется для размещения кэш-памяти большого объема. Наличие такой памяти внутри кристалла позволяет сократить количество обращений к основной памяти, а это приводит к повышению быстродействия ЭВМ в 2-10 раз, т.к. обращение к кэш-памяти, расположенной внутри чипа, требует меньших затрат времени. Для повышения производительностиRISC– процессоры обычно работают с машинными словами очень большой длины (не менее 64 бит).

К числу RISC–процессоров относятся МПAlphaфирмыCompaq, МПPowerPC(PPC) фирмIBM-Motorola-Apple. ФирмаIntelсовместно сHewlett-PackardразрабатываетRISC-процессорP7 с тактовой частотой более 900 Мгц, обеспечивающий совместимость с 32-битовыми МП. Прогнозируется, что РРС и Р7 в модифицированном виде будут использоваться до 2025 года.

МП для ПЭВМ обычно относятся к CISC-процессорам(CompleteInstructionSetComputing) с полной системой команд, насчитывающей до 250 единиц. К их числу относятся 8-битовыеi8080,i8085 (i-МП фирмыIntel),Z80 (фирмаZilog) и др. (см. табл.13).

Характеристики наиболее распространенных CISC МП

Таблица 13

Модель МП	Разрядность, бит		Тактовая частота, МГц	Адресное пространство, байт	Число команд	Число элементов	Год выпуска
	данных	адреса
4004	4	4	4,77	4×10^3	45	2300	1971
8080	8	8	4,77	64×10^3		10000	1974
8086	16	16	4,77 и 8	10^6"	134	70000	1982
8088	8, 16	16	4,77 и 8	10^6	134	70000	1981
80186	16	20	8 и 10	10^6		140000	1984
80286	16	24	10-33	4×10^6 (виртуальное 10^9)		180000	1985
80386	32	32	25-50	16×10^6(виртуальное 4×10^9)	240	275000	1987
80486	32	32	33-100	16×10^6 (виртуальное 4×10^9)	240	1,2х10^6	1989
Pentium	64	32	50-150	4×10^9	240	3,1*10^6	1993
Pentium Pro ………….	64	32	66-200	4×10^9	240	5,5*10^6	1995

МП i8086/i8088-базовые дляIBM-совместимых машин, имеют базовую систему команд (i8086 - 16-битовая шина данных,i8088 - 8-битовая шина данных).

Во всех последующих модификациях идет расширение системы команд, вводятся дополнительные архитектурные решения: в 80286 введены встроенный блок управления ОП, работающий в виртуальном режиме (что позволило увеличить предельно допустимый объем виртуальной памяти до 4Гбайт при 16 Мбайт физической), и блоки, позволяющие реализовать мультизадачность: блок защиты ОП и блок проверки уровня привилегий, присваиваемых каждой задаче. Начиная с 80486, в кристалле МП размещается арифметический специальный сопроцессор OverDrive, который предназначен для параллельной работы с основным МП (для этого на системной плате предусмотрено специальное гнездо). МП 80286 позволял работать с 10 терминалами, 80386 – с 60. Все усовершенствования позволяют сделать персональную ЭВМIBMPCмультипрограммной, многопользовательской и многозадачной.

В обозначении МП появились буквы SL, SX,DXи цифры:

SL-МП изготовлен с пониженным потреблением энергии (питание на те или иные блоки МП подается только в моменты, когда они включаются в работуувеличивается срок службы МП, за счет снижения потребления энергии, сокращается выделение энергии в кристалле МП и снижается его температура; SX –данный МП является переходным – длина машинного слова в нем осталась без изменения от предыдущей модели;DX-длина машинного слова увеличена вдвое по сравнению с МП предыдущей модели.

Цифры обозначают во сколько раз изменилась тактовая частота по сравнению с МП предыдущей модели. Иногда дополнительно указывается тактовая частота МП.

Рассмотрим структурнуюсхему микропроцессора (рис.21).

Условно МП можно разделить на две части: исполнительный блок и устройство сопряжения с системной магистралью. В исполнительном блоке находится арифметический блок и регистры общего назначения (РОН). Арифметический блок включает АЛУ, вспомогательные регистры для хранения операндов и регистр флагов.

Восемь регистров исполнительного блока МП: (АХ, ВХ, СХ, DX, SP, BP, SI, DI), имеющих длину равную машинному слову, делятся на две группы. Первую составляют регистры общего назначения (АХ, ВХ, СХ, DX), каждый из которых представляет собой регистровую пару, составленную из двух регистров длиной 0,5 машинного слова (см. рис.20). Каждый из коротких регистров может использоваться самостоятельно или в составе регистровой пары. Условные названия (аккумулятор, регистр базы, счетчик, регистр данных) не ограничивают применения этих регистров, а говорят о наиболее частом их использовании или об особенности использования того или иного регистра в той или иной команде.

Вторую группу составляют адресные регистры: SP, BP, SI, DI (в других моделях количество адресных регистров увеличено). Основное их назначение – хранить числовые значения, реализуемые при формировании адресов операндов. В качестве адресного часто используется РОН ВХ.

Устройство сопряжения с системной магистралью содержит управляющие регистры, конвейер команд, АЛУ команд, устройство управления исполнительным блоком МП и интерфейс памяти (соединяющий внутреннюю магистраль МП с системной магистралью ПЭВМ)

Управляющие регистры: CS, DS, SS, ES служат для определения физических адресов ОП – операндов и команд. Регистр IP является указателем адреса команды, которая будет выбираться в конвейер команд в качестве очередной команды. Конвейер команд МП хранит несколько команд, что позволяет при выполнении линейных программ совместить подготовку очередной команды с выполнением текущей.

К управляющим регистрам относится и регистр флагов, каждый разряд которого имеет строго определенное значение. Обычно разряды флагов устанавливаются аппаратно при выполнении очередной операции в зависимости от получаемого в АЛУ результата. При этом фиксируется такие свойства получаемого результата, как нулевой результат, отрицательное число, переполнение разрядной сетки АЛУ и т.д. Но некоторые разряды регистра флагов могут устанавливаться по специальным командам.

Некоторые разряды имеют чисто служебное назначение (например, хранят разряд, «выпавший» из АЛУ во время сдвига) или являются резервными.

Все флаги младшего байта регистра устанавливаются арифметическими или логическими операциями МП. Все флаги старших байтов, за исключением флага переполнения, устанавливаются программным путем. Для этого в МП имеются команды установки флагов (STC, STD, STI), СБРОСА (CLC, CLD, CLI), инвертирования (CMC).

Внутреннее устройство МП очень сложное (так в Pentium находится три миллиона транзисторов). Поэтому нецелесообразно для пользователя и возможно для программиста изучать инженерные детали процессора современных ЭВМ, а достаточно ограничиться рассмотрением тех функциональных узлов, которые доступны программно.

При таком подходе оказывается, что микропроцессоры имеют много общего и имеют некоторые закономерности во внутреннем устройстве. Для программиста любой процессор состоит из набора регистров памяти различного назначения, которые определенным образом связаны между собой и обрабатываются в соответствии с некоторой системой правил. Конечно, программисту доступна не вся внутренняя память процессора: есть множество рабочих (программно-недоступных) регистров, которые используются, например, только во время выполнения команд. Наиболее важные (с точки зрения программиста) внутренние регистры микропроцессора такие как: счетчик адреса команд, указатель стека, регистр состояния процессора (регистр флагов), набор рабочих регистров (регистры общего назначения – РОН).

Счетчик адреса команд выполняет сохранение очередной команды программы и автоматическое вычисление адреса следующей команды. Благодаря наличию программного счетчика в ЭВМ реализуется основной цикл исполнения последовательно расположенных команд программы. Однако, следует отметить, что не во всех микропроцессорах счетчик команд программно доступен.

Указатель стека предназначен для хранения адреса начала участка памяти стека, который организуется специальным образом. (Стек  это неявный способ адресации, при котором информация записывается и считывается только последовательно с использованием указателя стека). Стек всегда имеет единственный вход и выход – для хранения его адреса и нужен указатель стека. Информация, которая заносится в стек первой, извлекается последней.

Регистр состояния процессора хранит сведения о текущих режимах работы процессора. Сюда же помещается информация о результатах выполняемых команд, например, равен ли результат нулю, отрицателен ли он, не возникла ли ошибка в ходе операции и т.п.

Набор рабочих регистров предназначен для хранения текущих обрабатываемых данных или их адресов в ОЗУ. Выделяют особый регистр, который принято называть аккумулятором – в нем производятся все основные операции и сохраняется их результат. Между регистрами осуществляется определенные связи: информация из одного может передаваться в другой.

В настоящее время все более широкое применение находят двухъядерные, четырехъядерные процессоры, имеющие высокую как производительность, так и качество видео и звука.

Система команд МП

Центральный процессор выполняет каждую команду в виде последовательности простых операций:

1. Выбор очередной команды из памяти в регистр команд.

2. Изменение в счетчике команд, чтобы он указывал команду, следующую за выбранной.

3. Определение типа выбранной команды.

4. Проверка, нужны ли для выполнения выбранной команды какие-либо данные, и если нужны, то определение их расположения в памяти.

5. Загрузка во внутренние регистры центрального процессора требуемых данных из памяти.

6. Выполнение команды.

7. Запоминание результатов в заданной ячейке.

8. Переход к операции 1 для выполнения следующей команды.

Такое описание функционирования центрального процессора по существу представляет программу, написанную на обычном языке. Данную программу можно переписать на языке программирования.

Программа размещается вместе с данными в основной памяти ЭВМ. Каждая команда хранится в отдельной ячейке памяти (или группе смежных ячеек) и имеет свой адрес. Все команды имеют одинаковую структуру. Они состоят из двух частей: кода операции и адресной части. Код операции определяет, какую команду нужно выполнить. Адресная часть определяет, где хранятся операнды, т.е. обрабатываемые данные, и куда необходимо поместить результат операции. В зависимости от количества используемых в команде операндов различают одно-, двух-, трех-, четырехадресные и безадресные команды.

В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операндов. Второй операнд должен быть помещен заранее в арифметическое устройство (для этого в систему команд вводится специальные команды пересылки данных между устройствами).

В двухадресных командах оба операнда перед выполнением операции находятся в памяти, поэтому их адреса указываются в команде. После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, а находившийся там операнд теряется.

В трехадресных командах два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий – куда необходимо поместить результат.

В четырехадресных командах три адреса используются для указания исходных операндов и результата, а четвертый – для указания адреса следующей команды.

В безадресных командах обычно обрабатывается один операнд, который до и после операции находится в арифметическом устройстве (в память не пересылается). Кроме того безадресные команды используются для выполнения служебных операций (очистить экран, заблокировать клавиатуру, снять блокировку и др).

Все команды выполняются последовательно. Команда за командой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный порядок следования команд). Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений. Для организации разветвлений, циклического выполнения участков программы, есть команды, нарушающие естественный порядок. К ним относятся: безусловная передача управления («безусловный переход»), условная передача управления (т.е. переход, если выполняется заданное условие), циклические операции. Кроме того, естественный порядок следования команд не соблюдается в машинах, использующих четырехадресные команды (в этом случае некоторые из команд передачи управления упраздняются).

При явном указании адреса следующей команды реализуется «принудительный» порядок следования команд. Он возможен только в том случае, если программа размещается в доступной процессору части основной памяти. Поскольку при этом команды (с точки зрения процессора) ничем не отличаются от данных, в процессе выполнения программы ее команды можно изменять (модифицировать), что повышает гибкость программирования и универсальность ЭВМ.

Семейство МП фирмы Intel, начиная с 8086 и доPentium, имеет базовую систему команд, в состав которой входят следующие группы:

−команды пересылки данных: а) команды пересылки данных внутри МП (MOV, PUSH, POP, XCHNG и т.д.; б) команды ввода-вывода (IN,OUT);

−арифметические команды: (сложения, вычитания, умножения, деление); б)дополнительные (INS,DECи др.);

−логические команды (сдвиг, дизъюнкция, конъюнкция, отрицание равнозначности и др.);

−команды обработки строковых данных (пересылка, сравнение, сканирование, слияние/разделение и др.);

−команды передачи управления (безусловный переход, условный переход, прерывания, переход с возвратом и др.);

−команды управления («нет операции», «внешняя синхронизация» и т.д.)

Каждая команда имеет большое число модификаций, чаще всего определяемых режимом адресации данных (операндов).Операнды бывают трех типов: регистровый, непосредственный и «операнд в памяти».Регистровыеоперанды указываются именами используемых регистров МП.Непосредственныеоперанды бывают всегда числовые. Причем числа могут быть представлены в различных системах счисления. Различаются они по последней букве, сопровождающей число:«b»– двоичное число,«q»– восьмеричное,«d»–десятичное, «h»шестнадцатеричное. «Операнды в памяти»могут указываться с помощью регистров, символическими именами, константами. Различные комбинации этих элементов в команде называютсяспособамиадресации. Так, командаMOV(переслать) число может иметь следующие способы адресации:

mov r,r; mov r,m; mov m,r; mov r,imed; mov m,imed; mov sr,m; mov sr,r;

mov m,sr, mov r,sr , где r-регистр общего назначения микропроцессора; m –адрес в памяти; imed –число; sr – сегментный регистр.

При использовании «операндов в памяти» указание на физический адрес ОП может производиться непосредственно, косвенно и со смещением.

При непосредственной адресации исполнительный адрес указывается в виде шестнадцатеричного числа, однозначно определяющего ячейку внутри заданного сегмента или в виде символического имени. Если адресуется ячейка текущего сегмента, то имя сегмента в адресной части команды не указывается (это связано с режимом умолчания: текущим по умолчанию для адреса команды является регистр CS, для адреса ячейки в стековом сегменте – SS, для адресации данных – DS). Это значит, что в команде безусловного перехода внутри того же сегмента нет необходимости указывать: cs: исполнительный адрес, а при адресации данных — ds: исполнительный адрес. Только, если адрес ОП относится к сегменту, указанному в другом регистре (или не указанному в сегментных регистрах), его имя необходимо указывать в команде.

При косвенной адресации исполнительный адрес ОП хранится в одном из 16-битовых регистров МП, а в команде указывается имя этого регистра. В этом случае имя регистра, содержащего адрес, заключается в квадратные скобки, например, mov [si]. Косвенная адресация имеет несколько разновидностей, в зависимости от используемых регистров и от способа их использования.

(Программу можно писать в абсолютных адресах, когда программист сам определяет, в каких ячейках ОП она должна размещаться для исполнения, и в относительных адресах, когда заранее неизвестно, в какую часть ОП программа попадет при загрузке. В первом случае программа окончательно готова к использованию, но является неперемещаемой. Если требуемая область ОП занята хотя бы частично, такую программу выполнить уже нельзя. Во втором случае программа перед выполнением должна быть «привязана» к своему месту в ОП, поскольку все программы пишутся так, как будто при загрузке они обязательно попадут в область ОП, начиная с ячейки 0. Перед загрузкой операционная система ищет свободное место в ОП, в которой можно разместить программу, и адрес первой ячейки этой свободной области запоминается как общая добавка ко всем адресам, употребляемым в программе. Этот адрес называется «базовым». Абсолютные адреса определяются по сложению с базовым адресом. Такая система реализована в мультипрограммных вычислительных машинах с динамическим распределением ресурсов.)

Основная память

Комплекс технических средств, реализующий функцию памяти, называется запоминающим устройством(ЗУ), необходимый для размещения команд и данных.

Основнаяпамять включает два типа устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ илиRAM–RandomAccessMemory) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ илиROM–ReadOnlyMemory).

Устройство ОЗУ предназначено для хранения переменной информации. Оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными и может работать в режимах записи, чтения и хранения(временного – при отключении питания информация уничтожается).

Устройство ПЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислительных операций, например, стандартные программы и константы. Эта информация заносится в ПЗУ перед установкой микросхемы в ЭВМ. Основными операциями, которые может выполнять ПЗУ, являются чтение и хранение. При отключении питания информация сохраняется.

Память состоит из ячеек, каждая из которых может хранить некоторую порцию информации, любая ячейка имеет свой адрес. Все ячейки памяти содержат одинаковое число битов. Если ячейка состоит из k-битов, то она может содержать любую из 2^k комбинаций. Например, можно организовать 96-битную память разными способами (табл.14).

Три способа организации 96-битной памяти

Таблица 14

0	8 битов									12 бит													16 бит
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

Адреса также выражаются в двоичных числах. Если адрес состоит из m-битов, то максимальное число адресованных ячеек будет составлять2^m.Например, адрес из первого примера (ячейка состоит из 8 бит) должен состоять, по крайней мере, из 4 бит, чтобы выразить число от 0 до 11. Из второго и третьего примеров − 3-х битный адрес.

В современных ЭВМ микросхемы памяти изготавливают из кремния по полупроводниковой технологии с высокой степенью интеграции элементов на кристалле (установка элементов памяти в кристалле (чипе) настолько плотная, что размеры элементов памяти становятся сопоставимыми с размерами отдельных атомов). Каждый элемент памяти может хранить 1 бит информации и имеет свой адрес. Запоминающие устройства, позволяющие обращаться по адресу к любому элементу памяти в произвольном порядке, называются запоминающими устройствами с произвольным доступом.

Микросхемы памяти могут строиться на статических (SRAM) и динамических (DRAM) элементах памяти (ЭП). В качестве статического ЭП чаще всего выступает статический триггер. В качестве динамического может использоваться электрический конденсатор, сформированный внутри кремниевого кристалла.

Статические ЭП способны сохранять свое состояние (0 или 1) неограниченно долго (при включенном питании). Динамические ЭП с течением времени записанную в них информацию теряют, например, из-за саморазряда конденсатора, поэтому они нуждаются в периодическом восстановлении записанной в них информации – регенерации.

Динамические имеют меньшее число компонентов в одном элементе памяти, отсюда меньшие размеры и могут быть более плотно упакованы в кристалле, но из-за необходимости регенерации имеют более сложные схемы управления.

Основные характеристики ОЗУ – объем и быстродействие.

В современных ПЭВМ ОЗУ имеет модульную структуру. Сменные модули могут иметь различное конструктивное исполнение (SIP, ZIP, SIMM, DIMM, RIMM). Увеличение объема ОЗУ обычно связано с установкой дополнительных модулей, которые выпускаются в 30-контактном (30-pin) и 72-контактном исполнениях на 1, 4, 8, 16, 32, и 64 Мбайта. Время доступа к модулям DRAM составляет 6070 нс.

На производительность ЭВМ влияют не только время доступа, но и тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали. Если тактовая частота недостаточно высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения. При тактовой частоте превышающей возможности ОЗУ, в ожидании будет находиться системная магистраль, через которую поступил запрос в ОЗУ. Разрядность шины данных (8-16-32-64 бита) определяет длину информационной единицы, которой можно обменяться с ОЗУ за одно обращение. Интегральной характеристикой производительности ОЗУ с учетом частоты и разрядности является пропускная способность, которая измеряется в Мб/сек.

Краткое описание устройства ОЗУ:

1. Основные характеристики: объем и быстродействие.

2. Имеет модульную структуру: модули DIMM (количество выводов 168-184), RIMM (количество контактов 184), (устаревшие SIMM - 30 и 72 вывода). Представляют собой небольшие текстолитовые платы с установленными в них микросхемами памяти.

3. Память с произвольной выборкой.

4. Допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения вычислительного процесса.

5. Энергозависимая.

6. Работает в режимах записи, чтения и хранения.

7. Строится на динамических элементах памяти – память DRAM (в основе электрический конденсатор).

Постоянное запоминающее устройство и система ввода-вывода

В момент включения компьютера в его оперативно-запоминающем устройстве нет ни данных, ни программ, т.к. ОЗУ не может хранить ничего без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения. Поэтому после включения компьютера на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно без участия программ. Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам. Этот исходный адрес не может указывать на ОЗУ (в ней на момент включения компьютера нет ничего) – он указывает на другой тип памяти – постоянно-запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ хранит данные даже после отключения компьютера, программы, расположенные в ПЗУ «зашиты» на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ образует базовую систему ввода-вывода - BIOS (Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета – проверка состава и работоспособности компьютерной системы, обеспечение взаимодействия с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Эти программы позволяют наблюдать на экране монитора диагностические сообщения, которые сопровождают запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Энергонезависимая память CMOS (Complementary metal-oxide semiconductor)

КМОП-комплементарная (структура) «металл-окисел-полупроводник»

Память CMOS располагается на материнской плате и является энергонезависимой, как и ПЗУ. Память CMOS отличается от ПЗУ тем, что в неё можно заносить данные и изменять их самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав компьютерной системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, заряда которой хватает на несколько лет, если компьютер будет отключен. В CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре и некоторых других устройствах материнской платы. Время и календарь в компьютере постоянно хранятся в CMOS. Настройки CMOS можно изменять посредством утилиты SETUP.

Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования в компьютере из CMOS, после чего они могут выполнять обращение, например, к жесткому диску и передавать управление другим программам.

Виртуальная память

Современные операционные системы позволяют расширить оперативную память за счет создания так называемой виртуальной памяти на жестком диске. Виртуальная память это совокупность оперативной памяти и внешних запоминающих устройств, а также комплекс программно-аппаратных средств, который обеспечивает динамическую переадресацию данных, 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 вычислительная система.

Виртуальная память реализуется в виде так называемого файла подкачки. В случае недостаточности оперативной памяти для работы приложения часть её временно освобождается с сохранением образа на жестком диске. В процессе работы приложений происходит многократный обмен между основной установленной оперативной памятью и файлом подкачки. Этот обмен осуществляет операционная система.

Иерархическая структура памяти

Иерархическая структура памяти, приведенная на рис.22 является традиционным решением проблемы хранения большого количества данных.

При продвижении сверху вниз по пирамиде памяти возрастают следующие параметры:

1. Увеличивается время доступа к памяти, так например, к регистрам процессора время доступа составляет несколько наносекунд; к кэш памяти немного больше; к основной памяти время доступа составляет несколько десятков наносекунд; к дискам примерно 10мкс; к лентам и оптическим дискам может измеряться в секундах.

2. Увеличивается объем памяти, например, регистры могут иметь объем памяти 128 байт; кэш память несколько Мбайт; основная память – десятки тысяч Мбайт; магнитные диски до несколько десятков Гбайт

Чипсет

Основой любого современного компьютера является процессор (CPU). Основная задача процессора ─ обработка данных. Каким образом данные поступают в процессор? Для выполнения этой операции необходим интерфейс с устройствами ввода-вывода. На материнской (системной) плате расположенчипсет(chipset), другими словами ─набор микросхем, обеспечивающий взаимодействие процессора с окружающей средой (устройствами ввода-вывода и хранения информации). Чипсет состоит из двух микросхем, одна из которых называется «северным мостом» (HostBridge), в настоящее время переименована вGMCH(GraphicsandMemoryControllerHub), а вторая«южным мостом» (PCI-to-ISABridge) после переименования называетсяICH(Input/OutputControllerHub). Северный мост непосредственно соединен с процессором специальной шиной, которая называется системной (FSB–Frontsidebus). Две другие стороны данной микросхемы соединены с оперативной памятью (имеется контроллер памяти) и с шинойAGP(AcceleratedGraphicsPort– специальная графическая шина) посредством также соответствующего контроллера. Южный мост обеспечивает работу периферийных устройств (клавиатуры, мыши, жесткого диска и прочее). Таким образом,северныймост отвечает за работувнутрисистемныхресурсов, аюжный─периферии. Такого вида архитектура представлена на рис.23. Передача данных между мостами осуществляется по выделенной высокоскоростной шине.

Микросхема северного моста соединена с процессором (CPU) посредствомсистемной шины FSB(Frontsidebus). Ширина шины в части передачи данных составляет 64 бит(8 байт). УIntelэта шина называетсяAGTL+, уAMD–EV6. Номинальная частотаFSBдля процессоровCeleron– 66МГц, дляPentiumIII– 100 или 133 МГц, для процессоровAMD(Athlon,Duron) – 100МГц, но поскольку спецификацияEV6 предусматривает передачу данных по фронту и спаду синхроимпульса, то эффективная частота в этом случае получается равной 200 МГц.

Максимальная пропускная способностьшины, определяющая максимальный объём данных, который можно передать по шине в единицу времени, вычисляется простым умножением разрядности на частоту. Отсюда дляCeleron(неразогнанного) пропускная способностьFSBравна 533Мб/c, дляPentiumIII800 или 1066 Мб/с, дляAthlon1600Mb/c. Однако потенциал шины в реальных системах никогда не реализуется полностью, поскольку любой запрос данных от процессора предусматривает некоторую задержку перед их передачей.

Рис.23. Структура чипсета (хабовая)

Шина памяти, соединяющая северный мост (контроллер памяти) и память также имеет ширину 64 бит (для процессоров классаPentiumи выше). До недавнего времени частота шин памяти и системной (FSB) всегда совпадала. Сегодня в современных чипсетах можно устанавливать для этих шин различные рабочие частоты. Например, чипсетVIAApolloPro133Aпозволяет устанавливать частоту шины памяти на 33 МГц больше или меньше частоты шиныFSB(то есть 66, 100 и 133 МГц). Для памяти стандартаPC100SDRAMполучают пропускную способность 800Мб/c, дляPC133-1066Mб/с. Реальный поток данных для шины памяти будет минимум, раза в два (скорее всего в 5-6 раз) меньше в силу различных задержек, связанных с механизмом работы схем памяти. Несовпадение пропускной способности шинFSB, памяти и реального быстродействия памяти двигает технологический процесс:DRAM----FPMDRAM----EDODRAM---PC66SDRAM---PC100SDRAM------PC133SDRAM.

Cпоявлениемшины AGP(AcceleratedGraphicsPort), видеокарте фактически была выделена собственная скоростная шина к памяти (контроллерAGPи контроллер памяти находятся в северном мосту). ШинаAGP32-разрядная и работает на частоте 66 МГц, соответственно пропускная способность ─ 266 Мб/c(4байт×66МГц). В настоящее время имеются шины с пропускной способностью 532Mб/с и 1064 Мб/с. ШинаAGPпозволяет видеокарте напрямую работать с оперативной памятью.

Шина PCI(PeripherialComponentInterconnect) также как и шинаAGPбыла разработана фирмойIntel, служит для подключения устройств расширения (звук, сеть и прочее). Шина 32-разрядная, работает на частоте 33 МГц. Соответственно пропускная способность – 133 МГц. ШинаPCIподдерживает режим работыBusMastering, т.е.PCI– устройство может захватить управление шиной и организовать передачу без участия процессора.

Для связи микросхем (северный мост и южный мост) используется специальная шина, которая у Intelимеет названиеHubInterface. Данная шина обладает пропускной способностью равной 266 Мб/с.

Шина IDE(IntegratedDriveElectronics) служит для связи с внешними накопителями – винчестерами,CD-ROMи т.д. Тактовая частота 16,5 МГц/c(половина частотыPCI), контроллер расположен в южном мосту. Пропускная способность до 100Мб/с. Скорость передачи ограничивается скоростью линейного чтения с диска.

Интерфейсы

Краткие сведения об интерфейсах, посредством которых все компоненты компьютерной системы соединяются между собой.

ISA (Industry Standard Arcbitecture – другое название AT-Bus). Является основной шиной на системных (материнских) платах. Устаревших компьютеров типаPCAT. На новых материнских платах этот интерфейс либо отсутствует, либо представлен всего 1-2 слотами (разъемами) расширения для совместимости с устаревшими компьютерами. Конструктивно представляет собой выполненный на материнской плате разъем, состоящий из 2-х частей (62 контакта+36 контактный сегмент). Пропускная способность 5,55 Мбайт/c. Раньше подключались черезISAвидеокарты, контроллеры ввода-вывода, контроллеры жестких и гибких дисков, модемы, звуковые карты и прочие устройства.

EISA(EnbancedISA– расширенннаяISA). В разъемы можно вставлять какEISAтак иISA– имеются дополнительные разъемы. Пропускная способность 32Мбайт/c. В настоящее время тоже устаревший интерфейс .

PCI(PeripberalComponentInterconnect–соединение внешних компонентов). Этот интерфейс не совместим с предыдущими. Имеет пропускную способность до 132Мбайт. Конструктивно состоит из 2-х секций, следующих друг за другом по 64 контакта. Разъемы поддерживают либо 5В, либо 3,3В, либо оба уровня (универсальные). Поддерживает режим автоматической конфигурации компонентов при установкеPlug-and-Play. В настоящее время это самый распространенный интерфейс. С его помощью подключаются к материнской плате самые различные компоненты: звуковые карты, контроллерыSCSI, видеокарты (видеоконтроллеры) и прочие устройства.

Hyper Transport. Высокоскоростная шина (ранее именоваласьLightningDataTransport,LDT) предназначена для соединения внутренних устройств компьютерной системы. В перспективе призвана заменить интерфейсыPCIи возможноAGP. При максимальной ширине шины 32бит, пиковая пропускная способность составляет 6,4Гбайт/cв одну сторону (12,8 Гбайт/cв обе стороны), причем для передачи команд и адресов используются те же шины, что и для данных.

USB(UniversalSerialBus– универсальная последовательная шина). Этот сравнительно новый интерфейс служит для подключения внешних устройств. Предусматривает присоединение до 127 внешних устройств к одномуUSB-каналу (по принципу общей шины). Пропускная способность 12Мбит/с (до 480 бит/с в версииUSB2.0).

AGP(AcceleratedGrapbicsPort– ускоренный графический порт). Этот интерфейс предназначен исключительно для подключениявидеоадаптеровк отдельной, (не связанной с системной шиной) магистралиAGP, имеющей выход непосредственно на системную память. Пропускная способность до 1066Мбайт/с. Конструктивно выглядит как отдельный разъем на материнской плате.

SCSI(SmallComputerSystemInterface– интерфейс малых компьютерных систем). Сначала он появился в 1980г для работы с дисковыми подсистемами. В настоящее время в качествеSCSI-устройств выступают высокоскоростные компоненты с большим объемом передаваемых данных: жесткие диски,CD-дисководы, сканеры. Скорость передачи данных от 5 Мбайт (SCSI-I) до 320/cМбайт –Ultra(в зависимости от разновидностиSCSI).

IDE/ATA(IntegratedDriveElectronics– встроенная электроника накопителя;ATAttachment– подключение к АТ), предназначен исключительно для работы жестких дисков и других накопителей. В настоящее время используется только спецификация АТА-2, имеющая расширенные возможности. Для работы компонентов с интерфейсомIDE/ATAтребуется наличие соответствующего контроллера. В большинстве случаев он выполняется встроенным на системной плате и поддерживает два разъемаIDE(Primary– первичный иSecondary – вторичный), к каждому из которых можно подключить по 2 устройства (MasterиSlave– ведущий и ведомый). Пропускная способность до 100Мбайт/с. Для обеспечения совместимости с накопителями, отличными от жестких дисков, существует протоколATAPI.

RS-232C– интерфейс обмена данными по последовательному коммуникационному порту (COM-communication). Физически разъемCOM-порта может быть 25-ти или 9-ти контактным. В настоящее время данный интерфейс заменяется интерфейсомUSB.

Современные системные платы

Класс компьютеров определяется системной (основной, «материнской – MotherBoard») платой по марке процессора, который на ней устанавливается. Широко известны такие марки процессоров фирмыIBM, какAT286, 386, 486,PENTIUM,PENTIUMPRO,PENTIUMII,PENTIUMIII(выпускаются их аналоги фирмамиAMD,VIAи др.). Внутри каждого класса от АT286 доPENTIUMIIIсуществует несколько модификаций с разным быстродействием, определяемым тактовой частотой процессора. Процессор с небольшим быстродействием изготовить проще и дешевле. Поэтому имеется широкий спектр компьютеров отличающихся по быстродействию и цене. Нужно отметить, что персональные компьютеры на базе АТ286, 386, 486,PENTIUM,PENTIUMPROсчитаются устаревшими и не выпускаются.

Для разных групп процессоров существуют разные платы. Например, для процессоров Celeron,PENTIUMII,PENTIUMIII– платы с разъемом для процессорSlot1; для процессоров АМDK6,CYRIXM2 – платы с разъемом для процессоровSocket7.

В прайс-листах фирм, предлагающих к продаже материнские платы, обычно указываются название разъема для процессора на которые эти платы рассчитаны (Socket370,Slot1,SlotА и др.), а если такого названия нет, то по умолчанию считается, что плата имеет разъемSocket7. Также указывается производительность и название платы, объем установленного на нейcache(быстрой памяти) – как правило, 512 Кб, диапазон частот, на которой работает плата, наличие шиныAGP(специальная графическая шина), тип корпуса системного блока, под который рассчитана плата: старый (АТ) или АТХ. Материнские платы с форм-фактором АТХ прежде всего отличаются от плат АТ своим форматом (размеры и расположение разъемов). Соответственно под них используются разные корпуса. Технология АТХ обходится дороже, но собранные по ней компьютеры обладают рядом отличительных особенностей, например, возможностью выключать питание программным путем. Платы для процессоровPENTIUMIIи выше, как правило, имеют форм-фактор АТХ.

Новые возможности форм-фактора АТХ:

−разъемы портов ввода-вывода помещены на плату, как и разъем для клавиатуры. Это уменьшает количество соединительных проводов, увеличивая надежность, облегчает сборку;

−уменьшенное расстояние между платой и дисками. Плата как бы повернута на 90 градусов, поэтому IDE–разъемы и разъем контроллера дисководов находятся рядом с самими устройствами. Это позволяет сократить длину используемых шлейфов, тем самым повысить надежность системы;

−уменьшенный контакт процессора с платами. Гнездо процессора перемещено с передней части платы на заднюю, рядом с блоком питания. Это позволяет устанавливать в слоты расширения полноразмерные платы – процессор им не мешает;

−удобный соединитель питания. Теперь он один с 20 штырьками вместо двух. Кроме того добавлена возможность управления блоком питания через материнскую плату;

−напряжение питания 3,3В, используемое для всех современных процессоров (в конкретных случаях оно уменьшается до необходимого с помощью перемычек на материнской плате), поступает из блока питания. В АТ – платах для этого использовался стабилизатор, установленный на материнской плате. В АТХ – платах необходимость в нем отпадает.

Кроме рассмотренных форматов плат существуют и другие. Модернизация ПК в этом случае затруднена, т.к. трудно купить совместимые компоненты.

В некоторые материнские платы интегрированы дополнительные технологии, например, технологияDual BIOS. Использование этой технологии позволяет значительно повысить надежность функционирования компьютера, т.к. в случае отказа одной микросхемы сBIOS, ее роль берет на себя вторая (запасная микросхема).

Интерфейс Digital Video(DV) или по другомуIEEE1394 (i.LINK). Данный высокоскоростной интерфейс (до 400Мбит/сек) предназначен для ускоренной перекачки больших массивов данных в реальном времени. В последнее время стал особенно популярен для транспортировки видеопотоков.

RAID – контроллер. Это специализированный контроллер для работы с несколькими винчестерами одновременно. Причем для того, чтобы подключить, например, два винчестера к компьютеру никаких специальных контроллеров не нужно. В этом случае их объем просто суммируется.RAIDже позволяет разбить данные на небольшие блоки и записать их сразу на все винчестеры. Считываются они, соответственно, одновременно с 2-х или 4-х и более винчестеров, что повышает скорость работы Новый интерфейсULTRAATA100 здесь не лишний. Нужно отметить, что иRAID-контроллер, иIEEE1394 могут быть выполнены или в виде отдельной платы, или интегрированы на материнскую плату.

При выборе материнской платы следует учесть следующее:

1. какой максимально мощный процессор поддерживает материнская плата – от этого зависит сколько времени может она прослужить. Если это касается плат Pentium, необходимо, чтобы плата поддерживала установку процессора с частотой хотя бы до 1000Мгц

2. в последнее время появилось несколько новых стандартов памяти, но конструктивно все они выполнены в виде модулей DIMM(это 168-контактный модуль с двумя рядами контактов). На этот модуль обычно устанавливается быстрая памятьSDRAM(на модулиSIMM, имеющих однорядное расположение контактов устанавливается памятьEDODRAM). При приобретении материнской платы необходимо проверить наличие на ней разъемов под памятьDIMM.

3. от количества слотов расширения зависит число установки дополнительных плат в компьютере (видео, аудио, сетевая и т.п.). Несмотря на то, что стандарт PCIявляется более современным нужно учитывать то, что многие платы продолжают выпускаться в старомISA-стандарте, например, сетевая плата, ТВ-тюнер, радио. Поэтому наилучшее сочетание будет 5 разъемовPCIи, хотя бы, 1 разъемISA. Такой набор чаще всего можно увидеть на платах с разъемомAGP(AcceleratedGraphicsPort) – самый быстрый вид системного интерфейса, правда используется он пока только для видеоплат.