Квант информации

Любое устройство ЭВМ, будь то ЦП или периферийные устройства, оперируют с формализованными данными, представление которых осуществляется посредством квантов информации. Под квантом информации следует понимать некоторый её объём, наиболее удобный при описании объекта, его передаче, хранении и обработке. Для объектов внешнего мира и ЦП кванты информации различны. Обмен данными между компонентами ЭВМ и объектами внешнего мира выполняются посредством сообщений.

Сообщением называется произвольное количество информации, предназначенное для передачи, с явно или неявно указанными началом и концом. Основным информационным квантом в ЭВМ является машинное слово, т.е. совокупность бит, которые могут быть обработаны аппаратными средствами машины одновременно под управлением одной команды. Длина машинного слова зависит только от конкретной реализации ЭВМ и определяется необходимой точностью вычислений, быстродействием, ориентацией на числовую или текстовую обработку и т.п. Минимальным информационным квантом машины является бит, а длина машинного слова обычно выбирается кратной целому числу байт.

Внешний мир в качестве информационных квантов использует файлы, записи, поля, символы, а ЦП - слова, байты и биты. В процессе обмена с ПУ передача осуществляется сообщениями-блоками (порциями) постоянной или переменной длины. Блок характеризует особенности размещения информации на носители и помимо информации пользователя может содержать дополнительную информацию, используемую компонентами машины для управления.

Внешний мир и центральная часть ЭВМ обмениваются сообщениями посредством системы ввода-вывода (СВВ). Под системой ввода-вывода понимается совокупность аппаратно-программных средств, обеспечивающих ввод и вывод данных и их преобразование. Если ПУ содержат собственные аппаратно-программные средства предварительной обработки информации, то они называются интеллектуальными. Примером неинтеллектуальных ПУ может служить клавиатура с микропроцессорным управлением для кодирования символов, а интеллектуальных ПУ - синтезаторы речи, системы внешней памяти.

Цикл работы синхронных и асинхронных периферийных устройств.

Периферийные устройства также можно характеризировать по дополнительным признакам:

 в соответствии с характером цикла работы все ПУ делятся на синхронные и асинхронные устройства.

Для синхронных ПУ время цикла является постоянной величиной и обычно включает в себя два этапа: Т_ц = Т_подг + Т_перед.

Для асинхронных цикл имеет переменную длительность:

Т_ц = Т_подг + Т_перед + Т_ож,

где Т_ож - длительность этапа ожидания. Непостоянство длительности полного цикла работы таких устройств объясняется непостоянством времени подготовки и времени ожидания (Т_подг  const, Т_ож  const).

3. Способы повышения производительность процессоров. Поколения процессоров фирмы Intel.

Архитектура процессора включает структуру процессора и систему команд, с алгоритмом их выполнения. Производительность процессора зависит от 3ех составляющих, которые в свою очередь зависят от путей повышения производительности процессора:

1. технологические

2. структурные

3. алгоритмические

1. Технологические характеристики – технология изготовления, число ядер процессора и повышение тактовой частоты.

2. К структурным относится разрядность внутренних и внешних шин процессора, наличие КЭШа. Наличие встроенного сопроцессора с плавающей запятой, наличие конвейера и архитектуры процессора.

3. Модификация системы команд, модификация алгоритмов выполнения команд, аппаратная поддержка некоторых команд.

В настоящее время компьютеры относятся к вычислительным системам 4го поколения, а процессоры настывают 8 поколений. Каждое поколение отличается от предыдущего структурой или алгоритмическим показателем.

Первые 7 поколений процессоров имеют цифровое обозначение, а последнее буквенное.

1. Самый первый процессор 8086 имеет 16 разрядную архитектуру. Объем адресуемой памяти 1 Мб. Этот процессор использует только 16 разрядные регистры данных и команд. Для его обслуживания используют отдельные микросхемы всех контроллеров.

Процессоры 80186 и 80188 отличаются от своих аналогов тем, что в них введена расширенная система команд и порядка 20 различных микросхем внесены в кристалл процессора.

2. 80286. Увеличили разрядность шины адреса, процессор мог работать в защищенном режиме и использовал виртуальную организацию памяти (т.е. за счет страничной организации данных на 16 Мб физической памяти можно было отразить 1 Мб виртуальной памяти)

3. Intel 1386DX

Процессоры DX – это полная расширенная версия

Процессоры SX – дешевый вариант с уменьшенной разрядностью шин данных.

Процессоры SL – с улучшенной системой энергопотребления (для портативных компьютеров)

В 386 процессоре используется полностью защищенный режим, но процессор при включении начинает работать в реальном режиме и только при загрузке 32 разрядной системы он переходит в защищенный режим.

Переключение из реального режима в защищенный происходит без перезапуска процессора, а обратно необходим перезапуск системы.

386SL могли иметь кэш память 1го уровня, но только внешний.

4. 486

- повышенная производительность локальных шин. В каждом такте можно было считать машинное слово. Имеют кэш память 1го уровня, но внешнюю.

- в процессоры были добавлены внутренняя кэш память, которая была общая для данных и команд.

- введены буферы отложенной записи, если шина процессора занята другим периферийным устройством, то операция записи записывается в буфер.

- в архитектуре для простейших команд использовалось RISC ядро.

- сопроцессор внесен внутрь процессора

- модифицированная система команд

- введена возможность тестирования извне и введена возможность увеличения тактовой частоты.

Процессор 487SX имел а одну ножку больше чем 486. Он втыкался в разъем математического сопроцессора и автоматически выключал 486 процессор. 486 процессор использовал виртуальный режим.

5. Отличия от 486

- суперскалярная архитектура (2 конвейера команд и 1 операционный с плавающей запятой)

- внутренний кэш был разделен на кэш команд и кэш памяти по 8 Кб.

- внутренний сопроцессор реализован ввиде операционного конвейера.

- внешняя 64 разрядная шина, хотя архитектура 32

- увеличилась разрядность шины адреса до 4 Гб

- модифицировалась система команд

- улучшены алгоритмы предсказания переходов

6) Увеличили адресуемую память 64 Гб, использовалась отдельная шина для внешнего КЭШа и отдельная шина данных для ОЗУ. Использовался кэш второго уровня.

7) – увеличили внешнюю шину данных

- снижение напряжения питания

- использовался кэш память 3го уровня

- использовались многоядерные процессоры

- улучшении технологии изготовления

- увеличение числа конвейеров и ступеней конвейера, гипер-конвейерная

- улучшение алгоритмов прогнозирования перехода

8) Принципиально новые поколения процессоров использующие 64 разрядную архитектуру.

В одной команде шифруются три команды. За счет архитектурных решений процессор может выполнять до 20 команд за 1 такт. Внешняя разрядность шины данных может быть 128 разрядной. Шина адресации объема до 16 Тб. Кэш память работает на частоте ядра процессора.

Процессор оснащен встроенным объемом памяти, это позволяет обращаться к северному мосту или МСН только для связи с периферийными устройствами. В основном процессоры многоядерные и используются как серверы.