Технические средства ЭВМ

Структурная схема ЭВМ

в 1945 г., Джон фон Нейман выделил пять ключевых компонентов того, что ныне называют «архитектурой фон Неймана» современного компьютера. Чтобы компьютер был и эффективным, и универсальным инструментом, он должен включать следующие структуры:

1. быть электронным, а не механическим устройством

2. центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ), центральное устройство управления (УУ) ( Принцип жесткости архитектуры.) Неизменяемость архитектуры.

3. запоминающее устройство, или память а также устройство ввода-вывода информации.

4. Принцип адресуемости и однородности памяти. Память, состоящая из пронумерованных ячеек и в ней хранятся как данные так и команды.

5. эта система должна работать с двоичными числами, принцип двоичного кодирования.

6. выполнять операции последовательно, одну за другой (принцип последовательности программного управления).

В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором.

Схема архитектуры ЭВМ, базирующаяся на принципах фон Неймана.

Основное место в структуре ЭВМ занимает центральный процессор, который непосредственно осуществляет процесс обработки данных и программное управление этим процессом, а также координирует взаимодействие всех устройств.

АЛУ выполняет арифметические операции с числами и производит логические операции над операндами.

В функции устройства управления входит координация работы всех устройств ЭВМ. С этой целью оно вырабатывает и своевременно выдает управляющие сигналы, например на АЛУ для выполнения той или иной операции или на внешнее устройство для обмена информации.

Регистры - это отдельно расположенные и отдельно адресуемые элементы памяти фиксированного размера, предназначенные для хранения информации и быстрого доступа к ней. Блок регистров используется для запоминания текущих команд и промежуточных результатов выполняемых операций. Здесь же содержатся сведения о состоянии процессора и других устройств ЭВМ, запросы на прерывание вычислительного процесса и другая подобная информация.

Память состоит из запоминающих элементов и предназначена для записи, хранения и считывания данных и программ. Память обычно является адресной. Это значит, что каждой хранимой единице информации (байту, слову) ставится в соответствие специальное число - адрес, определяющий место ее хранения в памяти. Запись или считывание информации осуществляются только при указании ее адреса. Минимальной адресуемой в памяти единицей информации является байт.

Организация данных в ЭВМ

Машинное слово является структурной единицей информации ЭВМ. С помощью машинного слова записываются числа, символы и команды. В современных ЭВМ длина машинных слов 32..128 разрядов .

В ЭВМ 2 формы представления двоичных чисел:

С фиксированной точкой 125,7

Пример его размещения в виде машинного слова из 16 разрядов (2 байта)

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

15- Знак числа 14-8 целая часть 7-0 дробная часть

Для целого числа:

ЗН

ц

ц

ц

ц

ц

ц

ц

ц

ц

ц

ц

ц

ц

ц

ц

Недостаток – малый диапазон представляемых чисел. 2 ^{16 =} 65536

С плавающей точкой 0.34E-3 (нормальная форма записи

числа)

31

30

24

23

22

1

0

31 – знак числа 30-24 – порядок числа 23-0 мантисса

Недостаток – снижение быстродействия работы ЭВМ

Примеры

Целые числа

На примере типа byte 1 байт (0..255) 2⁸

Чило 243= 11110011

1

1

1

1

0

0

1

1

ShortInt (-128..127) –целое со знаком тоже 1 байт, но

1 разряд показывает, что число отрицательное ( 0- это плюс 1 – минус)

Прямой код целых положительных и отрицательных чисел отличаются только старшим разрядом

Пример

Число 1001 и -1001 для 8 разрядов

00001001 10001001

Дополнительный код (беззнаковый формат)

используется для удобства реализации в ЭВМ

Получить дополнительный код: инвертируем значение всех бит и прибавляем 1

Пример:

Получим 8-разрядный дополнительный код числа -52:

00110100 - число |-52|=52 в прямом коде

11001011 - Число -52 в обратном коде

11001100 - число -52 в дополнительном коде

Любая ЭВМ работает под управлением программы, реализующей в виде последовательности машинных команд алгоритм решения задачи. Под командой понимают совокупность сведений (в виде двоичных кодов), необходимых процессору для выполнения требуемого действия, а именно: сведения о типе операции и адресная информация о местонахождении обрабатываемых данных (операндов) и месте хранения результата. Команда содержит также в явной или неявной форме информацию об адресе следующей команды. Множество реализуемых процессором действий образует систему его команд.

Представление команд в ЭВМ

Поле команды состоит из 2 частей: операционной и адресной . В операционной указывается код операции (сложения,..) КОП. Адресная часть содержит адреса операндов. Под адресом понимается номер ячейки ОЗУ или ПЗУ, где записана информация. Форматы команд:

Одноадресные КОП А1

Двухадресные КОП А1 А2 (А1) ОП (А2) =(А2)

Трехадресные КОП А1 А2 А3 (А1) ОП (А2) =(А3)

Безадресные - только КОП , для них информация берется из регистров

Чем меньше адресов, тем больше команд для реализации 1 операции

Чем больше адресов, тем больше длина машинного слова

Чем больше объем памяти, тем длиннее поле для задания одного адреса

Кодовая таблица – это закодированное представление в машине букв, цифр, символов и управляющих сигналов.

Примеры кодовых таблиц:

ASCII (American Standard Code For Information Interchange )

ANSI (American National Standard Institute )

Пример, ASCII Латинская буква А в ASCII представлена десятичным числом 65

Центральные устройства персональных ЭВМ.

В персональных ЭВМ функции центрального процессора выполняет микропроцессор (МПр), который представляет собой сверхбольшую интегральную схему, реализованную в едином полупроводниковом кристалле. Производительность ПЭВМ во многом определяется быстродействием МПр.

Основными характеристиками МПр, определяющими его производительность, являются:

- тактовая частота;

- степень интеграции (технологические нормы);

- разрядность обрабатываемых данных;

- технология обработки

Тактовая частота - это частота, с которой МПр выполняет все операции. Эти сигналы задаются электронным устройством, называемым тактовым генератором. Главным элементом этого устройства является кристалл кварца, который при подаче на него электрического напряжения вырабатывает импульсы строго определенной частоты. Обработка информации тем быстрее, чем выше тактовая частота. Применение технологии умножения частоты позволяет повысить скорость работы внутренних блоков МПр. В этом случае говорят о внутренней и внешней тактовой частоте. Первая характеризует скорость обработки данных внутри МПр, а вторая - скорость выполнения операций обмена.

1. Быстродействие

MIPS (Mega Instruction Per Second мил оп сек для чисел с фик. Точкой)

МФЛОПС (MFLOPS - Mega Floating Operation Per Second - мил оп сек для чисел с плавающей Точкой) 10^6

GFLOPS- Giga Floating Operation Per Second - миллиард оп сек для чисел с плавающей Точкой) 10^9

ТFLOPS- Floating Operation Per Second - триллион оп сек для чисел с плавающей Точкой) 10^12

Pflops 10^15 петафлопс

тактовая частота характеризует производительность подсистемы (процессора, памяти и пр.), то есть количество выполняемых операций в секунду. Каждая операция выполняется за определенное количество тактов – электрических импульсов. Генератор тактовых импульсов генерирует электрические импульсы.

Примеры

Тактовая частота - 33 МГц соответствует 7 млн оп сек.

Частота ядра 3,2 ГГц 5ГГц

2. Степень интеграции определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов, или, как говорят, технологическими нормами, под которыми понимают минимальные размеры транзисторов.

Повышение степени интеграции позволяет МПр работать на более высокой внутренней тактовой частоте за счет более высокой синхронизации сигналов между его функциональными узлами, так как при сокращении расстояния между транзисторами уменьшается задержка передачи сигналов, проходящих по ним. Кроме этого, переход на более “компактную” структуру позволяет снизить энергопотребление и тепловыделение МПр.

В настоящее время используется технологии 90, 65,45 нм.

45 нм- размер одного транзистора. Нм- единица измерения длины в метрической системе, равная одной миллиардной части метра (т.е. 10⁻⁹ метра).

3. Внутреняя разрядность или разрядность внутренних регистров определяется количеством бит, одновременно обрабатываемых внутри МПр, а внешняя - количеством бит, которым МПр может обмениваться с другими элементами ЭВМ.

4. Помимо указанных выше факторов производительность МПр зависит от технологии обработки команд и данных. В составе современных МПр имеются несколько исполнительных устройств. Это позволяет одновременно обрабатывать несколько инструкций. Обработка ведется в так называемом конвейерном режиме. Для повышения эффективности заполняемости конвейеров предусмотрен механизм предсказания того, какая инструкция должна обрабатываться следующей.

Особенности архитектуры

Многоядерный процессор — центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.

В настоящее время существуют 2, 4, 6,8 ядерные процессоры.

Первый многоядерный чип был выпущен в 2001 году.

в мае 2005-го- двуядерныq 64-битным микропроцессор

14 октября 2011 года увидел свет новейший шестиядерный процессор Intel Core i7-3960X на базе архитектуры Sandy Bridge-E, являющийся на сегодняшний день самым быстрым CPU от компании Intel для домашних пользователей и производятся по 32-нанометровому техпроцессу.

AMD существенно доработала свой четырехъядерный Phenom Х4, увеличив объем кеш-памяти и освоив 45-нанометровый и применила модульный принцип расположения ядер.

Тенденции развития: в нынешнем году intel станет переключение производства на 22-нанометровый технологический процесс с помощью уникальных трехмерных транзисторов Intel 3D Tri-Gate и выпуск новых восьмиядерных процессоров на базе микроархитектуры Ivy Bridge.

А в более отдаленной перспективе процессоры столкнутся с революционными изменениями, что приведет к появлению квантовых, оптических и даже молекулярных компьютеров.

Примеры

Процессор s771 Quad-Core Intel Xeon E5450/ 3.0 GHz Passive Fan/BOX

Модель: E5450. Гнездо процессора: Socket-771. Архитектура ядра: Quad Core. Частота ядра: 3.0 ГГц. Частота шины: 1333 МГц. Технология производства: 45 нм. Кэш L2: 12 Мб. Напряжение питания ядра: 0.95 – 1.225 В. Тепловая мощность: 80 Вт. Температура (max): 67 С. Комплектность: поставляется с высококачественным радиатором. 35000 руб.

AMD Phenom™ Quad Core 9850

Частота ядра 2,4 ггц Шина 3600 мгц

Кэш l2 l3 2Mb Технология 65нм

Шины

Шина - это среда передачи сигналов, к которой могут параллельно подключаться несколько компонентов вычислительной системы. Конструктивно шина может выглядеть как совокупность проводящих дорожек, вытравленных на плате, или иметь вид ленточного кабеля. Помимо этого шина включает в себя специальные электронные схемы, с помощью которых данные выводятся с устройства на шину или снимаются с нее. В зависимости от назначения передаваемой информации в системной шине выделяют шины данных, адреса и управляющую шину.

Шину данных образует группа линий, предназначенных для передачи данных между отдельными устройствами ПЭВМ. Число линий в группе называется шириной (разрядностью) шины данных, причем каждая линия служит для переноса одного бита информации. Чем шире шина данных, тем выше потенциальная производительность системы. Если ширина шины меньше разрядности МПр, то говорят о мультиплексной шине.

Адресную шину образует группы линий осуществляется передача адресной информации. В процессе каждой записи или считывания данных МПр должен сообщать, из какого адреса он хотел бы считать данные или в какой адрес их записать. Ее ширина (разрядность) определяет максимальный объем адресуемой МПр памяти, который составляет 2^N, где N - количество адресных линий.

Шину управления образуют линии, предназначенные для передачи управляющих сигналов. Основное ее назначение заключается в определении устройств, которые должны участвовать в данный момент в процессе обмена информацией, и блокировке доступа к шине остальных устройств.

Для передачи данных используются шина данных, процессорные шины.

Примеры. Частота шины: 1333 МГц Шина 3600 МГц

Идеи для повышения производительности многопроцессорных систем

Intel - 2 независимые процессорные шины

AMD – использование общей памяти (общей шины)