ast-toi-uch-pos

110, 1100 В результате отбрасывания левой 1 получаем 10, 1100. Сочетание 10 в знаковых

разрядах говорит о переполнении разрядной сетки.

г)

А = 00, 1001

+

В = 00, 1001 С = 01, 0111

Сочетание 01 говорит о переполнении разрядной сетки.

При сложении чисел, представленных в форме с плавающей запятой, необходимо уравнять порядки слагаемых, сложить мантиссы и нормализовать результат.

При перемножении чисел, представленных в форме с плавающей запятой, перемножают мантиссы, а значения порядков суммируют.

3.4 СЛОЖЕНИЕ ПО МОДУЛЮ

Сложение по модулю — это операция арифметического сложения, при котором

единица переноса в старший разряд отбрасывается.

При выполнении операции сложения по модулю необходимо конкретизировать, о каком модуле идет речь. Обозначение операции — .

Пример 1. Сложить по модулю 2 двоичные числа 101 и 111.

Разряд единиц 1 1 = 0. Разряд десятков 0 1 = 1. Разряд сотен 1 1 = 0.

Чтобы подчеркнуть, что в сложении участвовали трехразрядные слагаемые, в результате оставляют три цифры 010.

Пример 2. Сложить по модулю 10 десятичные числа 69 и 142.

Разряд единиц 9 2 = 1. Разряд десятков 6 4 = 0. Разряд сотен 0 1 = 1. Результат: 101.

Пример 3. Сложить по модулю 3 десятичные числа 69 и 142.

Разряд единиц 9 2 = 2. Разряд десятков 6 4 = 1. Разряд сотен 0 1 = 1. Результат: 112.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Сколько цифр в шестнадцатеричном алфавите?

2.Как связаны основание системы счисления и длина числа в этой системе?

3.Есть ли разница между переводом и кодированием чисел?

4.Сколько двоичных цифр требуется для кодирования одной восьмеричной цифры?

5.С каким кодом связано понятие циклического переноса?

6.Что такое циклический перенос?

7.Сколько разрядов используется под знак в обратном коде?

8.Где в разрядной сетке находится старший разряд?

9.Что означает переполнение разрядной сетки?

10.В чем заключается модификация обратного кода?

11.Как в знаковых разрядах кодируется «+»?

12.Что означает сочетание 11 в знаковых разрядах?

13.Для каких чисел используется представление СФТ?

14.В каком коде единица переноса в знаковом разряде отбрасывается?

41

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ МОДУЛЯ ВЫ ДОЛЖНЫ ЗНАТЬ:

Функциональные характеристики ПК.

Назначение и характеристики основных устройств ПК.

Назначение и состав системной шины.

Классификацию многопроцессорных систем по Флинну.

Отличие гарвардской архитектуры ВС от принстонской.

Виды памяти.

Понятие и разновидности интерфейсов.

Общую характеристику системных интерфейсов.

Общую характеристику интерфейсов периферийных устройств.

Понятие адресного пространства ОП.

Типы элементов ОП.

Принцип работы контроллера клавиатуры.

Назначение видеоадаптера.

Типы и технические характеристики мониторов.

Типы и принцип действия манипулятора мышь.

Технические характеристики устройств памяти.

Методы адресации памяти.

Правило ПОЛИЗ.

Единицы измерения производительности процессора.

РЕЗУЛЬТАТ:

Систематизация знаний об основном оборудовании ЭВМ.

Получение представления о методах оценки производительности вычислительных систем.

Формирование начальной профессиональной базы для успешного овладения такими дисциплинами как «Организация ЭВМ и систем», «Архитектура вычислительных систем».

Пополнение профессионального словарного запаса.

42

1 УСТРОЙСТВО ЭВМ

1.1 СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ

В 1976 г. двое энтузиастов придумали самый первый ПК, который впоследствии вырос до знаменитого Apple Macintosh.

Август 1981 года. Фирма IBM выпустила первый ПК, появление которого произвело в мире информационную революцию.

Рис.1 Структурная схема ПК

Устройство управления формирует и передает во все блоки машины управляющие импульсы; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией. Опорную последовательность импульсов устройство управления получает от

генератора тактовых импульсов.

Микропроцессорная память (МПП) служит для кратковременного хранения и выдачи информации, используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины; состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее 1 машинного слова.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой или символьной информацией.

АЛУ является составной частью микропроцессора.

Шина (магистраль) — это среда передачи сигналов, к которой может параллельно подключаться несколько компонентов вычислительной системы и через которую

осуществляется обмен данными.

Системная шина включает:

•шину данных для параллельной передачи всех разрядов кода операнда;

•шину адреса для параллельной передачи всех разрядов числового кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода/вывода внешнего устройства (порт ввода/вывода — аппаратура сопряжения для подключения к процессору устройств).

•шину инструкций (управления) для передачи инструкций в виде управляющих сигналов во все блоки ПК.

•шину питания для подключения блоков ПК к системе питания.

Для объединения функциональных устройств ПК в вычислительную систему используется системная шина.

43

Кодовая шина инструкций

Рис. 3 Общая схема устройства управления

44

Регистры делятся на два вида:

•регистры общего назначения (универсальные, могут использоваться для хранения любой информации);

•специальные регистры (применяют для контроля работы процессора, хранения адресов, признаков результатов выполнения операций, режимов работы ПК).

Суперкомпьютеры — компьютеры, созданные для решения предельно сложных вычислительных задач.

Емкость регистра обычно составляет 4-8 байт.

Рис. 4 Общая схема АЛУ

Сумматор — вычислительная схема; может иметь разрядность двойного машинного слова. АЛУ выполняет арифметические операции только над целыми числами.

Для работы с вещественными и двоично-кодированными десятичными числами используется математический сопроцессор.

Контроллер — плата, управляющая работой периферийного устройства

(дисководом, винчестером, монитором и т.д.) и обеспечивающая его связь с материнской

платой.

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с блоками ПК; содержит ПЗУ (ROM) и ОЗУ (RAM). Структурно основная память состоит из ячеек емкостью 1 байт каждая.

Аббревиатура ROM расшифровывается как память только для чтения.

ПЗУ — постоянное запоминающее устройство — строится на основе установленных на материнской плате модулей (кассет); используется для хранения неизменяемой информации, например, загрузочных программ ОС, программ тестирования устройств ПК; это энергонезависимая память.

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство — предназначено для хранения и считывания информации, непосредственно участвующей в вычислительном процессе; это энергозависимая память.

Программы начального тестирования и загрузки компьютера хранятся в ПЗУ.

Логические области основной памяти

•непосредственно адресуемая память; занимает первые 1024 Кбайт;

•стандартная память — непосредственно адресуемая память в диапазоне от 0 до 640 Кбайт;

•верхняя память — непосредственно адресуемая память в диапазоне от 640 до 1024 Кбайт; зарезервирована под видеопамять и ПЗУ;

•расширенная память; занимает адреса от 1024 Кбайт и выше; используется для хранения данных и некоторых программ ОС, для организации

45

виртуальных дисков; доступ осуществляется с помощью специальных программ-драйверов;

Регистровая кэш-память — высокоскоростная память, является буфером между

оперативной памятью и микропроцессором.

В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы.

Наличие кэш 256 Кбайт увеличивает производительность ПК приблизительно на 20%.

Промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена, называют кэш-памятью.

ОЗУ, ПЗУ и кэш относятся к устройствам внутренней памяти.

Функциональные характеристики ПК

1.Производительность, тактовая частота.

2.Разрядность ПК и кодовых шин интерфейса.

3.Типы системного и локальных интерфейсов (разные скорости передачи информации между узлами ПК, разное количество подключаемых внешних устройств).

4.Емкость оперативной памяти и накопителя на жестких магнитных дисках.

5.Параметры накопителей CD и ГМД.

6.Вид и емкость кэш-памяти.

7.Тип видеомонитора и видеоадаптера.

8.Имеющееся ПО и тип ОС.

9.Аппаратная и программная совместимость с другими типами ПК.

10.Возможность работы в вычислительной сети.

11.Надежность, стоимость, габариты и вес.

Базовую конфигурацию ПК составляют монитор, клавиатура, системный блок.

1.2 СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ

Платы IBM-совместимых ПК подразделяются на классы в соответствии с типом процессора, различаясь по быстродействию внутри каждого класса.

Пример классификации

Платы AT 286 без математического сопроцессора и без оперативной памяти сняты с

производства в 1992 году. Платы 386 сняты с производства в 1994 году.

Все материнские платы различных ПК, практически, устроены по одной и той же схеме вплоть до расположения различных элементов.

Чипсет — комплект микросхем с системной логикой. Может быть реализован в

виде раздельных чипов, либо в виде интегральной монокристальной схемы.

Чипсет обеспечивает работу процессора, системной шины, интерфейсов взаимодействия с оперативной памятью и другими компонентами компьютера.

Системные наборы могут включать 2 «базовые» микросхемы — северный и южный мосты. Северный мост управляет шинами AGP, системной памяти, PCI и взаимодействует с

46

системной шиной процессора. Южный мост управляет интерфейсами IDE, USB, имеет

контроллеры клавиатуры, мыши, FDD.

Системные наборы могут иметь хабовую (хаб — узел) архитектуру, основу которой составляют 3 микросхемы:

1.Контроллер памяти.

2.Контроллер ввода/вывода.

3.Хаб с базовой системой ввода/вывода (BIOS) и генератором случайных чисел.

Форм-фактор (типоразмер) системной платы определяет ее размеры, тип разъема питания, расположение элементов крепления, размещение разъемов различных интерфейсов.

Форм-факторы системной платы:

AT — устаревший форм-фактор; размер паты 8,5” по ширине и 13” по глубине. ATX (1995 г., Intel). Появился встроенный разъем мыши PS/2.

Extended ATX (для серверных стоек) имеет до 7 слотов расширения. Micro ATX — 4 слота расширения.

Flex ATX — 3 слота расширения.

LPX — типоразмер для сверхнизких корпусов.

NLX — типоразмер для компактных компьютерных систем. Имеется отдельная процессорная плата, которая вставляется в специальный разъем. Такая конструкция позволяет существенно сократить длину шин и кабелей ля подсоединения дисководов. Системная плата имеет специальные направляющие «салазки», по которым «въезжает» в системный блок.

Большинство производителей системных плат указывают диапазон частот процессора, на которых они работают. Это не вполне корректно, поскольку сама плата работает на определенной частоте (например, 66, 100, 133 МГц). Умножение частоты происходит внутри процессора и только он определяет, на какой частоте будет работать.

В слоты расширения могут подключаться видеокарты, звуковые адаптеры.

В слот PCI-E устанавливают видеоадаптер.

1.3 ПРОЦЕССОРЫ

RISC — компьютер с сокращенным набором команд. RISC-архитектуре процессоров соответствует принцип «более простые и компактные инструкции выполняются быстрее».

Первые RISC-процессоры были разработаны в начале 80-х годов в США.

CISC — компьютер с полным набором команд. Свойства СISC-архитектуры: нефиксированное значение длины команды, кодирование арифметических действий в одной инструкции.

Процессоры на основе х86 команд , вплоть до Pentium 4, имели CISC-архитекруру.

Семейство процессоров Intel

47

По прогнозам аналитиков, к 2012 году число транзисторов в микропроцессоре достигнет 1 млрд., тактовая частота возрастет до 10 ГГц, а производительность достигнет 100 млрд.оп/с.

Технологические нормы производства процессоров определяют допустимое расстояние между элементами на кристалле и минимально возможный их размер. Чем меньше расстояние, тем больше элементов можно разместить на единице площади кристалла, либо при определенном числе элементов сделать больше кристаллов из сплошной кремниевой пластины. В настоящее время используется технологический процесс с нормами 90 нм.

Теоретические и первые экспериментальные работы в области нанофизики и нанотехнологии были сделаны выдающимся российским ученым и изобретателем профессором П.К. Ощепковым (1908-1992). В его работах — обоснование физики ультратонких или, как сейчас говорят, наноструктур. Ощепков впервые высказал основные положения современной нанотехнологии об использовании волновых свойств электронов и их способности к туннелированию на наноструктурах для создания принципиально новых энергетических устройств.

Pentium 4 — один из первых серийных процессоров, созданный по нанотехнологии. Одновременно было решено перейти с римских цифр в обозначениях моделей на арабские.

Фактический размер микросхемы составляет 16,0 х 13,5 мм.

Сточки зрения программного обеспечения Pentium 4 представляет собой 32разрядную машину. Он поддерживает ту же стандартную промышленную архитектуру (ISA), что и процессоры 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium Pro и Pentium III. Помимо этого в Pentium 4 предусмотрен набор специализированных команд для выполнения мультимедийных приложений.

Сточки зрения аппаратного обеспечения Pentium 4 схож с 64-разрядными машинами, так как он может передавать данные в память и из памяти блоками по 64 бита.

Шина PCI

Рис 5. Схема системы на базе Pentium 4 ([4])

Процессоры Pentium 4 снабжены микроархитектурой под названием NetBurst, которая предусматривает, в частности, два АЛУ (каждое из которых работает в два раза быстрее тактовой частоты, обеспечивая возможность выполнения двух операций за один цикл), а также поддерживает технологию гиперпоточности. Под гиперпоточностью

48

понимается наличие внутренних ресурсов, которые позволяют Pentium 4 переключаться между двумя программами с высочайшей скоростью — так, как будто в системе установлен не один, а два процессора.

Модель Core i7-930 — это 45-нанометровый процессор, имеет четыре ядра и функционирует на тактовой частоте 2,8 ГГц. Технология Hyper-Threading позволяет одновременно обрабатывать до восьми потоков инструкций, а система Turbo Boost при необходимости повышает

частоту.

Четырехъядерные процессоры Intel Core i7 имеют рекордную производительность и включают инновационные процессорные технологии:

Технология Intel® Turbo Boost максимально повышает производительность ресурсоемких приложений, динамически увеличивая производительность в соответствии с нагрузкой.

Технология Intel® Hyper-Threading позволяет многопоточным приложениям выполнять больше задач параллельно.

Технология Intel® Smart Cache обеспечивает высокую производительность и эффективность кэш-памяти. Оптимизированы для современных многопоточных игр.

Технология Intel® QuickPath Interconnect разработана для повышения пропускной способности и снижения времени задержки. Она позволяет достигнуть скоростей передачи данных до 25,6 ГБ/с с процессорами Extreme Edition.

Технология Intel® HD Boost значительно повышает производительность разнообразных мультимедийных и ресурсоемких приложений.

Поставки Intel-процессоров на основе микроархитектуры следующего поколения с кодовым названием Sandy Bridge начнутся в 2011 году.

Фирма Intel предложила физическое разделение блоков на кристалле: ядро (сам процессор) и остальные элементы (контроллеры памяти, интерфейс шины и т.п.). Разделение осуществляется путем подачи на них разных напряжений питания.

Понятие «конструктив» означает некое сооружение, в недра которого заключены процессоры. Это и процессорная плата, на которой располагаются кристаллы процессора, и кэшпамять второго уровня, и корпус, охватывающий эту плату, и радиатор.

Охлаждение процессора

Pentium II-300 потреблял при работе 43 Вт, а Pentium-4 (2 ГГц) — до 75 Вт.

Практически вся электрическая мощность процессора преобразуется в тепловую энергию, которую необходимо отводить. Радиатор — кусок металла с относительно большой площадью поверхности — устанавливается на процессоре для его эффективного охлаждения; относится к пассивным элементам охлаждения.

Ввоздушных системах охлаждения шина питания и управления позволяет контролировать частоту вращения крыльчатки вентилятора, удерживая температуру процессора в заданном диапазоне. Незначительный перегрев может привести к зависаниям компьютера. Воздушные системы охлаждения отличаются повышенным шумом и весом.

Всистемах водяного охлаждения насос прокачивает воду через теплообменник, закрепленный на кристалле. Нагретая вода поступает для охлаждения в радиатор, обдуваемый вентилятором. Эффективность систем водяного охлаждения на 35-40% выше, чем у типовых систем воздушного охлаждения.

«Разгон» процессора

Повышение напряжения питания электронного устройства на 10 % по сравнению с

номинальным сокращает его ресурс в среднем в полтора-два раза.

Средний ресурс процессора составляет порядка 100 тыс. часов, т.е. примерно 30 лет при ежедневной 10 часовой работе. Следовательно, после разгона ресурс составляет не менее 15 лет при указанном режиме использования. Однако процессоры морально устаревают максимум через 2 года после своего выпуска.

49