Технические средства ЭВМ

ЭВМ (персональный компьютер (ПК)) – это универсальная вычислительная диалоговая система, реализованная на базе микропроцессорных средств, компактных внешних запоминающих устройств, способная выполнять последовательность операций над данными с помощью программы.

В основе функционирования любой ЭВМ лежит архитектура.

в 1945 г., Джон фон Нейман выделил пять ключевых компонентов того, что ныне называют «архитектурой фон Неймана» 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.

ВК – видеокарта(видеоадаптер, видеоконтроллер) формирует изображение и передает его на монитор;

ИП – источник питанияобеспечивает питание всех блоков ЭВМ по системной шине;

КВЗУ – контроллеры внешних запоминающих устройствуправляют обменом информацией с ВЗУ;

КК – контроллер клавиатурысодержит буфер, в который помещаются вводимые символы, и обеспечивает передачу этих символов другим компонентам;

КПВВ – контроллеры портов ввода-выводауправляют обменом информацией с периферийными устройствами;

МП – микропроцессорвыполняет команды программы, управляет взаимодействием всех компонент ЭВМ;

ОЗУ – оперативное запоминающееустройство хранит исходные данные и результаты обработки информации во время функционирования ЭВМ;

ПЗУ – постоянное запоминающееустройство хранит программы, выполняемые во время загрузки ЭВМ;

ПУ – периферийные устройстваразличного назначения: принтеры, сканнеры, манипуляторы «мышь» и др.;

СА – сетевой адаптер (карта) обеспечивает обмен информацией с локальными и глобальными компьютерными сетями.

К устройствам ввода информации относят клавиатуру и такие ПУ, как сканнеры, манипуляторы типа «мышь», джойстики, а к устройствам вывода информации – монитор и такие ПУ, как принтеры.

Современную архитектуру ЭВМ определяют следующие принципы.

1. Принцип программного управления.Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий ЭВМ.

2. Принцип программы, сохраняемой в памяти.Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в ОЗУ, что ускоряет процесс ее выполнения.

3. Принцип произвольного доступа к памяти.В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место ОЗУ, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

Микропроцессор

Микропроцессор (МП;CPU–CentralProcessingUnit(центральный обрабатывающий модуль)) –центральный блок ЭВМ, управляющий работой всех компонент ЭВМ и выполняющий операции над информацией. Операции производятся в регистрах, составляющих микропроцессорную память.

Основные функции МП:

- выполнение командпрограммы, расположенной в ОЗУ; команда состоит из кода, определяющего, что эта команда делает, и операндов, над которыми эта команда осуществляется;

- управление пересылкой информациимежду микропроцессорной памятью, ОЗУ и периферийными устройствами;

- обработка прерываний;

- управление компонентами ЭВМ.

Микропроцессор (Error: Reference source not found) состоит из следующих блоков:

АЛУ – арифметико-логическое устройство;

ДБ – другие блоки (математический сопроцессор, модуль предсказания ветвлений);

ДК – дешифратор команд;

ИМП – интерфейс микропроцессора;

Кэш L1 – кэш-память первого уровня;

Кэш L2 – кэш-память второго уровня;

МПП – микропроцессорная память;

РОН – регистры общего назначения;

РС – регистры смещений;

РФ – регистр флагов;

СР – сегментные регистры;

УС – устройство синхронизации;

УУ – устройство управления.

Рассмотрим назначение этих блоков МП.

Устройство управления (УУ) выполняет команды, поступающие в МП в следующей последовательности:

1) выборка из регистра-счетчика адресаячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;

Структура микропроцессора

2) выборка из ячеек ОЗУ кодаочередной команды и приема считанной команды в регистр команд;

3) расшифровка кодакоманды дешифратором команды (ДК);

4) формирование полных адресов операндов;

5) выборка операндовиз ОЗУ или МПП и выполнение заданной командыобработки этих операндов;

6) записьрезультатов команды в память;

7) формирование адреса следующей команды программы.

Для ускорения работы перечисленные действия выполняются параллельно: один блок выбирает команду, второй дешифрует, третий выполняет и т. д., образуяконвейер команд.

Команды, поступающие в УУ, временно хранятся в кэш-памяти первого уровня, освобождая шину для выполнения других операций. Размер кэш-памяти первого уровня 8-32 Кбайт.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические (сложение, вычитание, умножение, деление) и логические (конъюнкция, дизъюнкция и др.) операции над целыми двоичными числами и символьной информацией.

Устройство синхронизации (УС) определяет дискретные интервалы времени –такты работы МП между выборками очередной команды. Частота, с которой осуществляется выборка команд, называется тактовой частотой.

Интерфейс МП (ИМП) предназначен для связи и согласования МП с системной шиной ЭВМ. Принятые команды и данные временно помещаются в кэш-память второго уровня. Размер кэш-памяти второго уровня – 256-2048 Кбайт. Ранее кэш-память второго уровня размещалась на материнской плате.

Микропроцессорная память (МПП) включает 14 основных двухбайтовыхзапоминающих регистров и множество (до 256) дополнительных регистров. Регистры – это быстродействующие ячейки памяти различного размера.

Основные регистры можно разделить на 4 группы.

1. Регистры общего назначения(РОН, универсальные регистры)

X

1. Универсальные регистры имеют свое предназначение:

- осуществляется ввод-вывод данных в МП, а при выполнении операций умножения и деления АХ используется для хранения первого числа, участвующего в операции (множимого, делимого) и результата операций (произведения, частного) после ее завершения;

- используется для хранения адреса базы в сегменте данных и начального адреса поля памяти при работе с массивами;

-используется как счетчик числа повторений при циклических операциях;

2. Сегментные регистры используются для хранения начальных адресовполей памяти (сегментов), отведенных в программах для хранения команд кода (регистрCS), данных (DS), стека (SS), дополнительной области памяти данных при обмене между сегментами (ES).

3. Регистры смещений предназначеныдля хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов).

4. Регистр флагов (РФ)FLсодержит одноразрядные флаги, управляющие выполнением программы в ЭВМ. Флаги принимают значения 0 или 1. Значения флагов устанавливаются независимо друг от друга. Всего в регистре 9 флагов: 6 – статусные, отражающие результаты операций (флаги переноса, нуля, переполнения и др.); 3 – управляющие, определяющие режим выполнения программы (флаги пошагового выполнения программы, прерываний и направления обработки данных).

МПП – это память с самым меньшим временем доступа в ЭВМ.

Другие блоки (ДБ) – это блоки, ускоряющие работу МП. АЛУ производит действия только над двоичными целыми числами. Операции над числами с плавающей точкой выполняетматематический сопроцессор, освобождая МП от выполнения этих операций. Блок предсказания ветвлений программы просматривает программу на несколько шагов вперед, чтобы определить дальнейшее направление выполнения программы. Вероятность предсказания 80-90%.

Работа МП состоит в выборке очередной команды и ее выполнения. В некоторых случаях выполнение программы необходимо прервать, например, в случае ошибки вычисления. Такие случаи называются прерываниями.

Выделяют два типа прерываний:

1) внутри процессорные прерывания, возникающие из-за непреодолимого препятствия в выполнении программы, например, запись данных в запрещенную для записи область ОЗУ или переполнение результата при вычислениях;

2) прерывания от внешних устройств не являются фатальными или ошибочными; прерывания второго типа возникают, когда требует обмен данными с внешним устройством, например, приводом компакт-дисков, а он не готов.

Основными характеристиками МПр, определяющими его производительность, являются:

• тактовая частота;

• степень интеграции (технологические нормы);

• разрядность обрабатываемых данных;

• рабочее напряжение;

• 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. 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, 22 нм.