Билет № 2,24:

II.

Вентили

Все современные микросхемы состоят из большого количества простых элементов. Эти простые элементы – вентили (цифровые схемы). Эти схемы различают 2 сигнала и являются основой аппаратного обеспечения. Основа каждого вентиля составляет транзистор. Резистор необходим для того, чтобы транзистор не сгорел при случайном повышении напряжения.

Режимы работы вентиля обозначаются в таблице истинности. Каждый вентиль имеет свое условное обозначение.

Физически вентили могут быть реализованы несколькими способами. Для того, чтобы описать работу этих вентилей, применяется алгебра, разработанная Джорджем Булем. На базе вентилей было разработано множество стандартных устройств. Основная задача разработки – найти такю схему, которая могла бы выполнить заданную функцию с наименьшим количеством вентилей. Этот процесс – поиск эквивалентных схем.

Рассмотрим основные цифровые логические схемы.

Сегодня вентили разрабатываются и продаются модулями. Каждая микросхема помещается в специальный корпус (DIP). На сегодняшний день применяются сверхбольшие интегральные схемы (модули) СБИС более ста тысяч вентилей.

Каждый вентиль обладает задержкой – это время, которое нужно сигналу, чтобы пройти через вентиль.

Тактовый генератор – схема, которая вырабатывает серию импульсов. Все импульсы одинаковой длины и интервала. Временной интервал между началом одного им­пульса и началом следующего называется временем такта.

III.

372₁₀=101110100₂

372/2=186 0

186/2=93 0

93/2=46 1

46/2=23 0

23/2=11 1

11/2=5 1

5/2=2 1

2/2=1 0

1/2=0 1

372₁₀=564₈

372/8=46 4

46/8=5 6

5/8=0 5

372₁₀=174₁₆

372/16=23 4

23/16=1 7

1/16=0 1

Билет № 3,25.

I.

Шинная организация. В этой схеме все устройства симметрично подсоединяются к одному каналу, называемому общей шиной. Симмет­рия подключения гарантирует свободное подключение новых устройств, т.е. система имеет теоретически неограниченное развитие. Некоторые узлы могут иметь специфические свойства, например процессор, опера­тивная память, внешние накопители данных. Между ними организуется обмен информации. Так как потоки информации ограничены возможно­стями одного канала, эта схема имеет принципиальные ограничения скорости работ.

Канальная организация. В этой схеме операции обмена данны­ми с внешними устройствами организуются через специализированный узел — канал ввода-вывода. Благодаря этому можно организовывать обработку информации параллельно с вводом-выводом.

Организация с перекрестной коммутацией. Идея струк­турной организации таких ЭВМ заключается в том, что все связи между узлами осуществляются с помощью специального устройства — комму­тирующей матрицы. Коммутирующая матрица может связывать между собой любую пару узлов, причем таких пар может быть сколько угодно — связи не зависят друг от друга. В такой схеме нет конфликтов из-за связей, есть конфликты только из-за ресурсов. Возможность одновре­менной связи нескольких пар устройств позволяет достичь очень высо­кой производительности комплекса.

Конвейерная организация. Здесь обрабатывающее устройст­во разделяется на последовательно включенные операционные блоки, ка­ждый из которых специализирован на выполнение строго определенной части операции. В результате образуется своего рода конвейер обработки и за счет этого повышается производительность системы.

Архитектура с распределенными функциями. Это явля­лось основной идеей японского проекта ЭВМ пятого поколения. В на­стоящее время эта идея осталась не реализованной. Суть идеи за­ключается в том, что обработка информации распределяется по «интеллектуальным» периферийным устройствам.

Современные многоуровневые машины.

Большинство современные компьютеров состоит из двух и более уровней.

Необходимо отметить, что нижние три уровня предназначены для работы системных программистов, а последующие – для прикладных.

На самом нижнем уровне, цифровом логическом уровне, объекты называются вентилями, которые, фактически, представляют собой простейшие переключатели.

На микроархитектурном уровне находятся регистры, которые формируют локальную память и АЛУ.

На втором уровне находится набор машинных команд, которые выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением.

Третий уровень обычно называют также гибридным. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры команд. У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: набор новых команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программ одновременно и т. д.

Четвертый уровень представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.

Пятый уровень обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов: Паскаль, Бейсик, C, Delphi и т. д. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами.

Набор типов данных, операций и особенностей каждого уровня называется архитектурой.

II.

Булева алгебра.

Чтобы описать схемы, которые строятся путем сочетания различных вентилей, нужен особый тип алгебры, в которой все переменные и функции могут прини­мать только два значения: 0 и 1. Такая алгебра называется булевой алгеброй. Она названа в честь английского математика Джорджа Буля (1815-1864).

Как и в обычной алгебре (то есть в той, которую изучают в школе), в булевой алгебре есть свои функции. Булева функция имеет одну или несколько перемен­ных и выдает результат, который зависит только от значений этих переменных.

Так как булева функция от n переменных имеет только 2ⁿ возможных комбина­ций значений переменных, то такую функцию можно полностью описать в табли­це с 2ⁿ строками. В каждой строке будет даваться значение функции для разных комбинаций значений переменных. Такая таблица называется таблицей истинно­сти.

Эквивалентность схем.

Основные цифровые логические схемы.

На практике в настоящее время схемы очень редко конструируются вентиль за вентилем, хотя когда-то это было распространено. Сей­час стандартные блоки представляют собой модули, которые содержат ряд венти­лей. Рассмотрим эти стандартные блоки более подробно и увидим, как они используются и как их можно построить из отдельных вентилей.

Интегральные схемы.

Вентили производятся и продаются не по отдельности, а в модулях, которые назы­ваются интегральными схемами (ИС) или микросхемами. Корпус с двумя рядами выводов снаружи и интегральными схемами внутри офи­циально называется двурядным корпусом (DIP), но все называют его микросхемой, стирая различие между куском кремния и кор­пусом, в который он помещается.

Мы считаем, что у вентиля появляются изменения на выходе, как только появляются изменения на входе. На самом деле существует задержка вентиля, которая включает в себя время прохождения сигнала через микросхему и время переключения.

Комбинационные схемы

Многие применения цифровой логики требуют наличия схем с несколькими входами и несколькими выходами, в которых выходные сигналы определяются текущими входными сигналами. Такая схема называется комбинационной схемой. Рассмотрим наиболее часто используемые комбинационные схемы.

1. Мультиплексоры. На цифровом логическом уровне мультиплексор представляет собой схему с 2ⁿ входами, одним выходом и n линиями управления, которые выбирают один из входов. Выбранный вход соединяется с выходом.

2. Декодеры. В качестве второго примера рассмотрим схему, которая получает на входе n-битное число и использует его для того, чтобы выбрать (то есть установить на значе­ние 1) одну из 2ⁿ выходных линий.

3. Компараторы. Компаратор сравнивает два слова, кото­рые поступают на вход. Компаратор выдает 1, если слова равны, и 0, если они не равны.

4. Тактовые генераторы.

Во многих цифровых схемах все зависит от порядка, в котором выполняются дей­ствия. Иногда одно действие должно предшествовать другому, иногда два действия должны происходить одновременно. Для контроля временных отношений в циф­ровые схемы встраиваются тактовые генераторы, чтобы обеспечить синхрониза­цию. Тактовый генератор — это схема, которая вызывает серию импульсов. Все импульсы одинаковы по длительности. Интервалы между последовательными импульсами также одинаковы. Временной интервал между началом одного им­пульса и началом следующего называется временем такта.

III

Билет № 4, 26

I.

ЦП – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работы других блоков.

Регистр процессора – набор быстродействующих ячеек памяти для временного хранения данных огромного размера

Память – устройство, предназначенное для запоминания и хранения программ и данных. Состоит из ячеек, каждая из них имеет свой адрес, чтение данных с сохранением содержимого, запись данных со стиранием предыдущей информации.

Машинное слово – количество бит, которое АЛУ может одновременно обработать.

Оперативная память – служит для хранения данных при работе ЭВМ.

Порт – физически не существующее понятие.

Периферийные устройства - в их число входят устройства двух типов: устройства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ, и коммуникационные устройства, предназначенные для связи ЭВМ с внешним миром. Обмен данными с внешним устройством осуществляется через порты ввода-вывода.

Система шин - объединение функциональных блоков в ЭВМ осуще­ствляется посредством следующей системы шин:

Шина адреса – передаются адреса ячеек и портов;

Шина данных – данные, содержащиеся в ячейках;

Шина управления – для передачи управляющих сигналов;

Совокупность шин – системная шина.

Ширина шины – количество проводников, входящих в состав шины 2ⁿ.

В любой момент времени на шине всегда есть 2 активных устройства:

- задачник (ЦП)

- исполнитель (память).

Алгоритм функционирования шинной ЭВМ:

1. Инициализация – занесение в регистр памяти начальных значений. Выполнение первой команды.

2. ЦП считывает команду из памяти.

3. Счетчик команд увеличивается на единицу.

Если последняя команда не была остановка процессора, тогда описанная последовательность повторяется с позиции 2.

Блоки 2, 3, 4, 5 – цикл процессора.

II.

Шина РСI.

В 1990 году компания Intel разработала шину PCI (Peripheral Component Interconnect — взаимодействие периферийных компонентов). Шина PCI является всеобщим достоянием, а промышленный консорциум Special Interest Group занимается дальнейшими усовершенствованиями.

П ервая шина PCI передавала 32 бита за цикл и работала с частотой 33 МГц, общая пропускная способность составляла 133 Мбайт/с. Шина PCI работает с частотой 66 МГц, способна передавать 64 бита за цикл, а ее общая пропускная способность составляет 528 Мбайт/с.

Хотя 528 Мбайт/с — достаточно высокая скорость передачи данных, все же здесь есть некоторые проблемы (например, этого не достаточно для шины памяти). По этой причине компания Intel решила разрабатывать компьютеры с тремя и более шинами. Здесь практически каждое из устройств имеет свою собственную шину для передачи информации.

Рис. 1. Архитектура системы Intel Core i7

Шины PCI являются синхронными. Все транзакции в шине PCI осуществляются между задающим и подчиненным устройствами. Чтобы не увеличивать число выводов на плате, ад­ресные и информационные линии объединяются. При этом достаточно 64 выво­дов для всей совокупности адресных и информационных сигналов, даже если PCI работает с 64-битными адресами и 64-битными данными. Шина PCI управляется централизованным арбитром.

Шина PCI Express.

Ранее все периферийные устройства использовали для передачи данных одну и ту же шину PCI. С распространением массивов RAID, гигабитного Ethernet и других устройств с высокой пропускной способностью на системах потребительского класса, пропускной способности шины PCI стало не хватать.

Шина PCI Express призвана заменить шину PCI и взять на себя задачу по связи компонентов внутри компьютера на ближайшие десять лет.

P CI Express представляет собой целый аппаратный комплекс, затрагивающий северный/южный мост, коммутатор и конечные устройства. Новым термином здесь является коммутатор (switch). Коммутатор обеспечивает одноранговую связь между различными конечными устройствами, то есть предотвращает попадание излишнего трафика к мосту. Архитектура PCI Express состоит из уровней, что облегчает кросс-платформенный дизайн, а принцип передачи данных больше напоминает компьютерную сеть.

Рис. 2. Стандартная компоновка шины PCI Express

Изначальная пропускная способность составляет 2,5 Гбит/с в каждом направлении, причём по мере развития кремниевых технологий скорость передачи будет расти. Возможно достижение пропускной способности 10 Гбит/с в обоих направлениях. Одна из наиболее впечатляющих функций PCI Express заключается в возможности масштабирования скорости, используя несколько линий передачи. Физический уровень поддерживает ширину шины X1, X2, X4, X8, X12, X16 и X32 линий. Передача по нескольким линиям прозрачна для остальных слоёв.

Процесс инициализации и работы с устройствами шины остался неизменным по сравнению с PCI, что позволяет существующим операционным системам поддерживать PCI Express без всяких изменений. Поскольку PCI Express обеспечивает скорость передачи 200 Мбайт/с уже при ширине X1, шина является очень эффективным решением по отношению стоимость/число контактов.

Билет № 5, 27

I.

Контроллер ОП – управляет ОП

Канал – специализированный процессор, осуществляющий управление контроллерами внешних устройств и обмен данными между ВУ и ОП.

Достоинства:

1. Разгрузка ЦП

2. Возможность параллельной работы внешних устройств

3. Скорость работы выше

Каналы делятся на 2 вида:

1. Селекторные – к ним подключаются быстрые устройства

2. Мультиплексные – каналы, к которым подключаются несколько медленных устройств.

Схемы работы напоминает треугольник. Каждый канал выполняет свою канальную программу.

Управлением канальной программой занимается ОС. Большую часть операций выполняет канал, а ЦП выполняет вычислительные задачи.

II.

Основные определения и принцип работы шины.

Связь устройств автоматизированных систем друг с другом осуществляется с помощью средств сопряжения, которые называются интерфейсами.

Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и протоколов, предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.

Часто термины "интерфейс" и "шина" являются синонимами.

Шины можно разделить на группы в соответствии с выполняемыми функциями. Они могут быть внутренними по отношению к процессору и служить для передачи дан­ных в АЛУ и из АЛУ, а могут быть внешними по отношению к процессору и свя­зывать процессор с памятью или устройствами ввода-вывода. Каждый тип шины обладает определенными свойствами, и к каждому из них предъявляются опреде­ленные требования.

Первые персональные компьютеры имели одну внешнюю шину, которая назы­валась системной шиной и к которой подключались все внешние устройства. Современные ПК содержат уже значительно большее количество шин.

Хотя разработчики процессоров могут использовать любой тип шины для мик­росхемы, должны быть введены четкие правила о том, как работает шина, и все устройства, связанные с шиной, должны подчиняться этим правилам, чтобы пла­ты, которые выпускаются третьими лицами, подходили к системной шине. Эти правила называются протоколом шины.

Существует ряд широко используемых в компьютерном мире шин. Приведем несколько примеров: PCI и PCI Express, SCSI, Universal Serial Bus, FireWire (бытовая электроника) и т. д. Может быть, все стало бы намного проще, если бы все шины, кроме одной, исчезли с поверхности Земли (или кроме двух). К сожалению, стан­дартизация в этой области кажется маловероятной, и уже вложено слишком много средств во все эти несовместимые системы.

Давайте начнем с того, как работают шины. Некоторые устройства, связанные с шиной, являются активными и могут инициировать передачу информации по шине, тогда как другие являются пассивными и ждут запросов. Активное устрой­ство называется задающим устройством, пассивное — подчиненным устройством. Когда центральный процессор требует от контроллера диска считать или записать блок информации, центральный процессор действует как задающее устройство, а контроллер диска — как подчиненное устройство. Контроллер диска может дей­ствовать как задающее устройство, когда он командует памяти принять слова, ко­торые считал с диска. Несколько типичных комбинаций задающего и подчинен­ного устройств указаны в табл. 1. Память ни при каких обстоятельствах не может быть задающим устройством.

Двоичные сигналы, которые выдают устройства компьютера, часто недоста­точно интенсивны, чтобы активизировать шину, особенно если она достаточно длинная и если к ней подсоединено много устройств. По этой причине большин­ство задающих устройств шины обычно связаны с ней через микросхему, которая называется драйвером шины, по существу являющуюся двоичным усилителем. Сходным образом большинство подчиненных устройств связаны с шиной прием­ником шины. Для устройств, которые могут быть и задающим, и подчиненным устройством, используется приемопередатчик шины.

Как и процессор, шина имеет адресные линии, информационные линии и ли­нии управления. Принципиальными вопро­сами в разработке являются ширина шины, синхронизация шины, арбитраж шины и функционирование шины. Все эти параметры существенно влияют на скорость и пропускную способность шины.

Ширина шины

Ширина шины — самый очевидный параметр при разработке. Чем больше адрес­ных линий содержит шина, тем к большему объему памяти может обращаться про­цессор. Если шина содержит n адресных линий, тогда процессор может использо­вать ее для обращения к 2ⁿ различным ячейкам памяти. Для памяти большой емкости необходимо много адресных линий. Это звучит достаточно просто.

Проблема заключается в том, что для широких шин требуется больше прово­дов, чем для узких. Они занимают больше физического пространства и для них нужны разъемы большего размера. Все эти фак­торы делают шину дорогостоящей.

Пропускную способность шины можно увеличить двумя способами: сделать большее количество передач в секунду или увеличить количество битов за одну передачу. При увеличении скорости работы шины возникает еще одна проблема: в этом случае она не будет совместимой с более старыми версиями.

Билет № 6, 28

I.

Обобщенная архитектура центрального процессора.

Центральный процессор (ЦП) — функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков.

Это наиболее сложный компонент ЭВМ как с точки зрения электроники, так и с точки зрения функциональных воз­можностей. В общем случае, центральный процессор состоит из следующих взаимосвя­занных составных элементов: арифметико-логического устройства, уст­ройства управления и регистров.

Под архитектурой микропроцессора понимают совокупность следующих ха­рактеристик и параметров:

• разрядность адресов и данных;

• состав, имена и назначение программно доступных регистров;

• форматы и систему команд;

• режимы адресации памяти;

• способы машинного представления данных разного типа;

• структура адресного пространства;

• способы адресации периферийных устройств и средства выполнения операций ввода/вывода;

• классы прерываний, особенности инициирования и обработки прерывания.

Упрощенная структура микропроцессора приведена на рис. 1.

Рис. 1. Упрощенная структура процессора

Арифметико-логическое устройство.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет основную ра­боту по переработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие ЭВМ автома­тически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от по­лучаемых результатов.

АЛУ содержит в своем составе устройство, хранящее характеристику результата выполнения операции над данными и называемое флаговым регистром. Отдельные разряды этого регистра указывают на равенство ре­зультата операции нулю, знак результата операции (+ или -), правиль­ность выполнения операции. Программный анализ флагов позволяет про­изводить операции ветвления программы в зависимости от конкретных значений данных.

В современных процессорах различают, собственно АЛУ, которые выполняют операции над двоичными числами с фиксированной запятой и FPU, которые выполняют операции над двоичными числами с плавающей запятой.

Кроме того, в АЛУ имеется набор программно-доступных быстро­действующих ячеек памяти для временного хранения данных ограниченного размера, которые называются регистрами процессора.

Регистры процессора.

Регистры процессора — набор быстродействующих ячеек памяти для временного хранения данных ограниченного размера.

Регистры составляют основу архитектуры процессора. Среди обяза­тельного набора регистров можно отметить следующие.

Регистр данных — служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операций.

Регистр-аккумулятор — регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений.

Регистр-указатель стека — используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу: последним вошел — первым вышел.

Индексные, указательные и базовые регистры ис­пользуются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти. Ре­гистры-счетчики используются для организации циклических участков в программах.

Регистры общего назначения могут использоваться для любых целей. Точное назначение такого реги­стра определяет программист при написании программы. Они могут использоваться для временного хранения данных, в качестве аккумуля­торов, а также в качестве индексных, базовых, указательных регистров. Количество регистров и связей между ними оказывает существенное влияние на сложность и стоимость процессора. Однако, с другой сторо­ны, наличие большого количества регистров с богатым набором воз­можностей упрощает программирование и повышает гибкость про­граммного обеспечения.

II.

Синхронизация шины.

Шины можно разделить на две категории в зависимости от их синхронизации.

Синхронная шина содержит линию, которая запускается кварцевым генератором. Любое действие шины занимает целое число так называемых циклов шины.

Асинхронная шина не содержит задающего генератора. Циклы шины могут быть любой требуемой длины и необязательно одинаковы по отношению ко всем парам устройств.

Хотя достаточно удобно использовать синхронные шины благодаря дискретным временным интервалам, здесь все же есть некоторые проблемы. Например, если процессор и память способны закончить передачу за 3,1 цикла, они вынуждены продлить ее до 4,0 циклов, поскольку неполные циклы запрещены.

Если синхронная шина соединяет ряд устройств, одни из которых работают быстро, а другие медленно, шина подстраивается под самое медленное устройство, а более быстрые не могут использовать свой полный потенциал.

По этой причине были разработаны асинхронные шины, то есть шины без зада­ющего генератора. Здесь ничего не привязывается к ге­нератору. Когда задающее устройство устанавливает адрес, он выдает специальный сигнал. Когда подчиненное устройство получает этот сигнал, оно начинает выполнять свою работу настолько быстро, насколько это возможно.

Преимущества асинхронной шины очевидны, но в действительности большин­ство шин являются синхронными. Дело в том, что синхронную систему построить проще, чем асинхронную. Центральный процессор просто выдает сигналы, а па­мять просто реагирует на них. Здесь нет никакой причинно-следственной связи, но если компоненты выбраны удачно, все будет работать и без квитирования. Кро­ме того, в разработку синхронных шин сделано очень много вложений.

Арбитраж шины.

До этого момента мы неявно предполагали, что существует только одно задающее устройство шины — центральный процессор. В действительности микросхемы вво­да-вывода могут становиться задающим устройством при считывании информа­ции из памяти и записи информации в память. Сопроцессоры также могут становиться задающим устройством шины. Возникает вопрос: «Что происходит, когда задающим устройством шины могут стать два или несколько устройств одновременно?» Чтобы предотвратить хаос, который может при этом возникнуть, нужен специальный механизм — так назы­ваемый арбитраж шины.

Механизмы арбитража могут быть централизованными или децентрализован­ными. Рассмотрим сначала централизованный арбитраж. В данном примере один арбитр шины определяет, чья очередь следующая. Шина содер­жит одну линию запроса, которая может запускаться одним или несколькими устройствами в любое время. Арбитр не может определить, сколь­ко устройств запрашивают шину. Он может определять только наличие или отсут­ствие запросов.

Когда арбитр видит запрос шины, он запускает линию предоставления шины. Эта линия последовательно связывает все устройства ввода-вывода. Когда физически ближайшее к арбитру устройство воспринимает сигнал предоставления шины, оно проверяет, нет ли запроса шины. Если запрос есть, устройство пользуется шиной, но не распространяет сигнал предоставления дальше по линии. Если запроса нет, устройство передает сигнал предоставления шины следующему устройству. Это устройство тоже проверяет, есть ли запрос, и действует соответствующим образом в зависимости от наличия или отсутствия запроса. Передача сигнала предоставления шины продолжается до тех пор, пока какое-нибудь устройство не воспользуется предоставленной шиной. Такая система называется системой последовательного опроса. При этом приоритеты устройств зависят от того, насколько близко они находятся к арбитру. Ближайшее к арбитру устройство обладает главным приоритетом.

Чтобы обойти такую систему, в которой приоритеты зависят от расстояния от арбитра, в некоторых шинах устраивается несколько уровней приоритета. На каж­дом уровне приоритета есть линия запроса шины и линия предоставления шины. Каждое устройство связано с одним из уровней запроса шины, причем, чем выше уровень приоритета, тем больше устройств привязано к этому уровню.

Если одновременно запрашивается несколько уровней приоритета, арбитр предоставляет шину самому высокому уровню. Среди устройств одинакового при­оритета используется система последовательного опроса.

Обычно, наивысший приоритет получают те устройства, которые не могут "ждать" (устройства ввода-вывода). Во многих современных компьюте­рах память помещается на одну шину, а устройства ввода-вывода — на другую, поэтому им не приходится завершать работу, чтобы предоставить доступ к шине.

При децентрализованном арбитраже используется только три линии независимо от того, сколько устройств имеется в наличии. Первая линия используется для запроса шины. Вторая линия называется BUSY. Она запускается текущим задающим устройством шины. Третья линия используется для арбитража шины. Она последовательно соединяет все устройства. Начало цепи связано с источником питания.

Немного поразмыслив, можно обнаружить, что из всех устройств, которым нуж­на шина, доступ к шине получает самое левое. Такая система сходна с системой последовательного опроса, только в данном случае нет арбитра, поэтому она стоит дешевле и работает быстрее. К тому же не возникает проблем со сбоями арбитра.

Билет № 7, 29

I.

Устройство управления.

Устройство управления (УУ) — часть центрального процессора. Оно вырабатывает последова­тельность внутренних и внешних управляющих сигналов, обес­печивающих выборку и выполнение команд. Эти ко­манды задают последовательность простейших низкоуровневых опера­ций, таких, как пересылка данных, сдвиг данных, установка и анализ признаков, запоминание результатов и др.

Такие элементарные низко­уровневые операции называют микрооперациями, а команды, формируе­мые устройством управления, называются микрокомандами. Последова­тельность микрокоманд, соответствующая одной команде, называется микропрограммой.

В простейшем случае УУ имеет в своем составе три устройства — ре­гистр команды; программный счетчик; регистр адреса.

Цикл процессора — период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде; состоит из нескольких тактов.

Такт работы процессора — промежуток времени между соседними импульсами генератора тактовых импульсов, частота которых есть тактовая частота процессора. Эта частота является одной из основных характеристик компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется за определенное количество тактов.

Различают одно и многотактные микрокоманды. В первом случае все микрооперации ука­занные в микрокоманде выполняются одновременно в течении одного такта, во втором такт разбивается на микротакты и микрооперации, указанные в микрокоманде могут вы­полняться в различные из них.

Цикл выполнения команды может выглядеть следующим образом:

1. Содержимое считанной ячейки памяти интерпретируется процес­сором как команда и помещается в регистр команды. Устройство управ­ления приступает к интерпретации прочитанной команды. По полю ко­да операции (КОП) из первого слова команды устройство управления опреде­ляет ее длину и, если это необходимо, организует дополнительные опе­рации считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором. Вычисленная длина команды прибавляется к исходному содержимому программного счетчика, и когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адрес следующей ко­манды.

2. По адресным полям команды устройство управления определяет, имеет ли команда операнды в памяти. Если это так, то на основе указан­ных в адресных полях режимов адресации вычисляются адреса операн­дов и производятся операции чтения памяти для считывания операндов.

3. Устройство управления и арифметико-логическое устройство вы­полняют операцию, указанную в поле кода операции команды. Во флаговом регистре процессора запоминаются признаки результата опера­ции (равно нулю или нет, знак результата и т.д.).

4. Если это необходимо, устройство управления выполняет операцию записи для того, чтобы поместить результат выполнения команды в па­мять.

Структуры реальных процессоров, конечно же, значительно сложнее.

II.

Шина SATA

IDE (Integrated Device Electronics) — интерфейс устройств со встроенным контроллером. При создании этого интерфейса разработчики ориентировались на подключение дискового накопителя. За счет минимального удаления контроллера от диска существенно повышается быстродействие.

Основная характеристика шины IDE – скорость передачи данных, которая называется внешней скоростью передачи данных. Внутренняя скорость передачи характеризует скорость передачи непосредственно между магнитным носителем и внутренним буфером жесткого диска и определяется плотностью записи, скоростью вращения и т.д. Эти параметры зависят от конструкции диска, а не от типа интерфейса.

Изначально общеупотребительным способом передачи данных через интерфейс IDE/ATA был протокол, называемый Programmed I/O или PIO. Существует пять режимов PIO, различающихся максимальными скоростями передачи данных. Главным недостатком режимов PIO является то, что передачей данных управляет процессор, что существенно увеличивает его загрузку. Зато эти режимы не требуют специальных драйверов и идеально подходят для однозадачных операционных систем.

Следующим этапом развития шины IDE стал режим DMA - прямой доступ к памяти - собирательное название протоколов, позволяющих периферийному устройству передавать информацию непосредственно в системную память без участия центрального процессора. Современные жесткие диски используют эту возможность в сочетании с возможностью перехватывать управление шиной и самостоятельно управлять передачей информации.

Новейший стандарт передачи данных Serial ATA, принятый в 2004 г. призван поднять верхний потолок скорости передачи данных до 1,5 Гбит/с и будет обеспечивать более высокую степень надежности передачи данных и гибкости конфигурирования подключаемых устройств.

Шина Serial Attached SCSI (SAS)

Serial Attached SCSI (SAS) — компьютерный интерфейс, разработанный для обмена данными с такими устройствами, как жёсткие диски, накопители на оптическом диске и т. д. SAS использует последовательный интерфейс для работы с непосредственно подключаемыми накопителями. SAS разработан для замены параллельного интерфейса SCSI и позволяет достичь более высокой пропускной способности, чем SCSI; в то же время SAS совместим с интерфейсом SATA.

Хотя SAS использует последовательный интерфейс в отличие от параллельного интерфейса, используемого традиционным SCSI, для управления SAS-устройствами по-прежнему используются команды SCSI. SAS поддерживает передачу информации со скоростью до 3 Гбит/с; ожидается, что к 2010 году скорость передачи достигнет 10 Гбит/с. Благодаря уменьшенному разъему SAS обеспечивает полное двухпортовое подключение как для 3,5-дюймовых, так и для 2,5-дюймовых дисковых накопителей.

Технология SAS опирается на проверенную временем высокую функциональность своего предшественника и обещает значительно расширить возможности современных систем хранения данных масштаба предприятия. SAS обладает целым рядом преимуществ, не доступных традиционным решениям в области хранения данных. В частности, SAS позволяет подключать к одному порту до 16 256 устройств и обеспечивает надёжное последовательное соединение "точка-точка" со скоростью до 3 Гб/с.

SAS улучшает адресацию и подключение накопителей благодаря аппаратным расширителям, которые позволяют подключить большое количество накопителей к одному или нескольким хост контроллерам. Каждый расширитель обеспечивает подключение до 128 физических устройств, каковыми могут являться другие хост контроллеры, другие SAS расширители или дисковые накопители. Подобная схема хорошо масштабируется и позволяет создавать топологии масштаба предприятия, с лёгкостью поддерживающие многоузловую кластеризацию для автоматического восстановления системы в случае сбоя и для равномерного распределения нагрузки.

Билет № 8, 30

I.

Классификация микропроцессоров.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Универсальные МП — это такие, в системе команд которых заложена алгоритмическая универсальность. Последнее означает, что выполняемый машиной состав команд позволя­ет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом. Эта группа МП наиболее многочисленна. Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач.

Специализированные микропроцессоры предназначены для решения определенного клас­са задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными осо­бенностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления.

С помощью спе­циализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микро­процессоры. Сами микропроцессоры — цифровые устройства, однако могут иметь встро­енные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные анало­говые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатыва­ются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С ар­хитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функ­циональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой. При этом применение анало­гового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет про­граммной "настройки" цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обра­ботки сигналов.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров — способность к переработке боль­шого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью, при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропро­цессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется не­сколько программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

Принципы разработки современных компьютеров

Существует ряд принципов разработки, иногда называемых принципами RISC, которым по возможности стараются следовать производители универсальных про­цессоров. Из-за некоторых внешних ограничений, например требования совмес­тимости с другими машинами, приходится время от времени идти на компромисс, но эти принципы — цель, к которой стремится большинство разработчиков.

Все команды непосредственно выполняются аппаратным обеспечением. Они не интерпретируются микрокомандами. Устранение уровня интерпретации обес­печивает высокую скорость выполнения большинства команд. В компьютерах типа CISC более сложные команды могут разбиваться на несколько частей, которые затем выполняются как последовательность микрокоманд. Эта дополнительная операция снижает скорость работы машины, но она может быть применима для редко встречающихся команд.

Компьютер должен начинать выполнение большого числа команд. В совре­менных компьютерах используется много различных способов для увеличения производительности, главное из которых — возможность обращаться к как можно большему количеству команд в секунду.

Хотя команды некоторой программы всегда расположены в определенном по­рядке, компьютер может приступать к их выполнению и в другом порядке и, кроме того, может заканчи­вать их выполнение не в том порядке, в котором они расположены в программе.

Команды должны легко декодироваться. Предел количества вызываемых ко­манд в секунду зависит от процесса декодирования отдельных команд. Декодиро­вание команд осуществляется для того, чтобы определить, какие ресурсы им необ­ходимы и какие действия нужно выполнить.

К памяти должны обращаться только команды загрузки и сохранения. Один из самых простых способов разбивания операций на отдельные шаги — потребо­вать, чтобы операнды для большинства команд брались из регистров и возвраща­лись туда же. Операция перемещения операндов из памяти в регистры может осуществляться в разных командах. Поскольку доступ к памяти занимает много времени, а подобная задержка нежелательна, работу этих команд могут выполнять другие команды, если они не делают ничего, кроме передвижения операндов меж­ду регистрами и памятью. Из этого наблюдения следует, что к памяти должны об­ращаться только команды загрузки и сохранения.

Должно быть большое количество регистров. Поскольку доступ к памяти про­исходит довольно медленно, в компьютере должно быть много регистров (по край­ней мере 32). Если слово однажды вызвано из памяти, при наличии большого чис­ла регистров оно может содержаться в регистре до тех пор, пока будет не нужно. Возвращение слова из регистра в память и новая загрузка этого же слова в регистр нежелательны. Лучший способ избежать излишних перемещений — наличие до­статочного количества регистров.

II.

Последовательный порт стандарта RS-232-C.

Интерфейс RS-232-C разработан EIA и является стандартом для соединения ЭВМ с различными устройствами: модемами, терминалами, счетчиками тепла и т. д.

IBM-PC совместимый ПК поддерживает интерфейс RS-232-C не в полном объеме и обозначается COM1 – COM4.

Последовательная передача данных состоит в побитовой передачи каждого бита цифровой информации в форме кадра данных, содержащего сигнал начала передачи, сигнал окончания передачи и информационные биты.

Основу последовательного порта составляет микросхема UART. UART содержит регистры приемника и передатчика данных. Разъем для подключения последовательного порта может содержать 25 или 9 выводов. Только два провода этих разъемов используются для передачи и приема данных. Остальные отведены для вспомогательных и управляющих сигналов, причем для соединения различных типов устройств может потребоваться различное количество выводов разъемов.

Параллельный порт.

Параллельный порт Centronics используется для одновременной передачи 8 бит информации. В компьютерах этот порт используется, главным образом, для подключения старых моделей принтеров, хотя это не исключает возможности подсоединения к нему других устройств, например, графопостроителей. Конструктивно он оформлен в виде 25-контактного разъема типа D. Параллельные порты компьютера обозначаются LPT1 – LPT4.

Параллельное соединение применяется на расстояниях не более 5 м, некоторые источники ограничивают расстояние 1-2 м; т. к. при увеличении длины параллельных проводов возрастает затухание сигнала.

Шина USB.

В 1993 году представители семи компаний собрались вместе, чтобы разработать шину, оптимально подходящую для подсоединения низкоскоростных устройств. Потом к ним примкнули сотни других компаний. Результатом их работы стала шина USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина), которая сей­час широко используется в персональных компьютерах.

Некоторые требования, изначально составляющие основу проекта:

1. Пользователи не должны устанавливать переключатели и перемычки на платах и устройствах.

2. Пользователи не должны открывать компьютер, чтобы установить новые устройства ввода-вывода.

3. Должен существовать только один тип кабеля, подходящий для подсоеди­нения всех устройств.

4. Устройства ввода-вывода должны получать питание через кабель.

5. Необходима возможность подсоединения к одному компьютеру до 127 устрой­ств.

6. Система должна поддерживать устройства реального времени (например, звук, телефон).

7. Должна быть возможность устанавливать устройства во время работы ком­пьютера.

8. Должна отсутствовать необходимость перезагружать компьютер после уста­новки нового устройства.

9. Производство новой шины и устройств ввода-вывода для нее не должно тре­бовать больших затрат.

Шина USB удовлетворяет всем этим условиям. Она разработана для низко­скоростных устройств (клавиатур, мышей, фотоаппаратов, сканеров, цифровых телефонов и т. д.). Общая пропускная способность шины USB версии 2.0 составляет 60 Мбайт/с. Этого достаточно для большинства таких устройств. Предел был выбран для того, чтобы снизить стоимость шины.

Шина USB состоит из центрального хаба, который вставляется в разъем глав­ной шины. Этот центральный хаб содержит разъемы для кабелей, которые могут подсоединяться к устройствам ввода-вывода или к дополнительным хабам, чтобы обеспечить боль­шее количество разъемов. Таким образом, топология шины USB представляет со­бой дерево с корнем в центральном хабе, который находится внутри компьютера.

Когда подсоединяется новое устройство ввода-вывода, центральный хаб (кон­центратор) распознает это и прерывает работу операционной системы. Затем операционная система запрашивает новое устройство, что оно собой представляет и какая пропускная способность шины для него требуется. Если операционная система решает, что для этого устройства пропускной способности достаточно, она приписывает ему уникальный адрес (1-127) и загружает этот адрес и другую ин­формацию в регистры конфигурации внутри устройства. Таким образом, новые устройства могут подсоединяться «на лету», при этом пользователю не нужно устанавливать новые платы ISA или PCI. Многие устройства снабжены встроенными сетевыми концентраторами для дополнительных устройств. Напри­мер, монитор может содержать два хаба для правой и левой колонок.

Шина USB представляет собой ряд каналов от центрального хаба к устройствам ввода-вывода. Каждое устройство может разбить свой канал максимум на 16 под­каналов для различных типов данных (например, аудио и видео). В каждом кана­ле или подканале данные перемещаются от центрального концентратора к устрой­ству или обратно. Между двумя устройствами ввода-вывода обмена информацией не происходит.

Интерфейс IEEE 1394 (FireWire).

История IEEE1394 началась в 1986 г., когда члены Комитета Стандартов для микрокомпьютеров захотели объединить существовавшие в то время различные варианты последовательных интерфейсов.

Задачей разработчиков стало создание универсального внешнего интерфейса ввода-вывода, пригодного как для работы с мультимедиа, так и с накопителями данных и т. д. Результатом труда разработчиков стал окончательно утвержденный 12 декабря 1995 г. стандарт на IEEE 1394.

Ведущую роль в разработке стандарта играла Apple, которая дала ему имя FireWire, и сразу же сделала ставку на использование этого стандарта в своих компьютерах. Этот интерфейс оказался наиболее подходящим для использования в цифровых видеокамерах стандарта DV и первой стала компания Sony.

Из главных особенностей IEEE 1394 можно отметить:

— последовательная шина вместо параллельного интерфейса позволила использовать кабели малого диаметра и разъемы малого размера;

— поддержка "горячего" подключения и отключения;

— питание внешних устройств через IEEE1394 кабель;

— высокая скорость передачи данных (до 1,6 Гбит/с);

— возможность строить сети из различных устройств с помощью повторителей и мостов IEEE 1394;

— простота конфигурации и широта возможностей;

— поддержка асинхронной и синхронной передачи данных.

Как видно, IEEE 1394 во многом схож с USB, но является более быстродействующим.

Билет № 9, 31

I.

В зависимости от набора команд процессоры делятся на:

1. CISC (Complex Instruction Set Computer) – компьютер с полным набором команд.

Количество команд максимально

2. RISC – компьютер с сокращенным набором команд.

Эти процессоры выполняют по одной команде в один такт. Процессоры не нуждаются в лицензировании.

Несмотря на то, что процессоры RISC были несовместимы с другими моделями и ПО, широкого распространения в ПК не получили.

3. MISC – все команды имеют одинаковую длину, что привело к возможности организации параллельного вычисления. Количество команд как у RISC.

4. VLIW – процессор, работающий с командами сверхбольшой разрядности. Был разработан для многоядерных процессоров. Специальная программа выстраивает все команды в длинные цепочки. Каждая выполняется на своем ядре.

Виды архитектуры

1. Регистровая – обладает большим набором регистров, предназначен для решения научно-технических задач.

2. Стековая – эффективна для решения управляющих задач, программ и работы с подпрограммами.

3. Ориентированная на оперативную память – все регистры, стеки организуются в оперативной памяти. Дает возможность увеличить размер регистров, но скорость работы регистров понижается.

II.

Команды – совокупность сведений, необходимых процессору для выполнения какого-либо действия.

Команда содержит код операции, которую необходимо выполнить и несколько адресных полей. Способ вычисления адреса – множество команд образует систему команд. Команды на данном уровне понятны и аппаратному обеспечению и ОС, следовательно, в разработке системы команд должны принимать участие и разработчик аппаратных систем и программист. Любая программа должна выполняться не только на существующих сейчас системах, но и на всех будущих системах (принцип обратной совместимости).

Выпуски новых аппаратных программных модулей расширяет набор команд, но главный принцип работы команд должен сохраняться.

На уровне архитектуры команд возникает понятие адресное пространство. На этом же уровне существует понятие машинное слово.

Любое машинное слово должно начинаться и заканчиваться с определенного адреса – строки памяти. Это называется выравнивание памяти. Кроме этого команды и данные находятся в разных адресных пространствах. Большинство регистров на уровне архитектуры команд не видны. Все регистры взаимозаменяемые, однако ОС вводит соглашение об их использовании. В любой системе команд всегда присутствуют 3 команды: LOAD, STORE, MOVE.

На уровне архитектуры команд возникает 3 режима работы процессора:

1. Реальный (режим ядра) – в этом режиме процессор работает как Intel 8088, только 16тибитные команды. Если происходит ошибка, система полностью останавливается. Работает в однозадачном режиме. Отсутствует защита информации.

2. Защищенный режим – процессор работает на полную мощность. Доступны 4 уровня привилегий - в зависимости от уровня процессы имеют те или иные возможности.

0 уровень – ядро ос

1 уровень – системные программы

2 уровень – расширение ос

3 уровень – пользовательские программы. В этом же режиме работает виртуальная память.

3. Виртуальный – реальный режим ОС. Работает в рамках защищенного режима. Каждой пользовательской программе выделяются необходимые ресурсы, адресное пространство и виртуальный процессор.

Билет № 10, 32.

1. Технологи повышения производительности процессоров: конвейеры, суперскалярная архитектура.

Разработчики стремятся не просто увеличить количество транзисторов, но и изменить способ соединения транзисторов для более эффективной работы.

1. К онвейеры – еще в 1359 году IBM предложила вызывать команды не в тот момент, когда они выполняются, а заранее. Все команды помещались в специальную область памяти – буфер. В дальнейшем было предложено разбивать команду на несколько частей. Каждую часть выполняет свой аппаратный блок. Каждый блок называется стадией.

Из-за увеличения числа операций производительность возрастает в 2 и более раз. Чем больше количество стадий, тем выше производительность.

2. Суперскалярная архитектура – представляет собой 2 или 4 параллельных конвейера.

Такой конвейер управляется компилятором, который определяет какая команда идет по какому конвейеру.

Каждый конвейер специализировали на специальном виде операций. Самый тяжело нагруженный блок – С4, поэтому в его состав входит несколько блоков (АЛУх2, блок загрузки, блок сохранения, блок с плавающей точкой)

2. Типы команд и данных: числовые типы данных, числа с плавающей точкой и принцип их представления, анализ оси действительных чисел, континуум, стандарт ieee 754.

Существуют несколько типов данных, но все делятся на 2 группы: числовые и нечисловые.

Числа с плавающей точкой.

Диапазон чисел, которые использует человечество, очень велик, но чаще всего большинство величин можно определить с точностью до 4-5 знаков после запятой. Следовательно, в этих числах большинство знаков составляют нули, поэтому для их записи применяют экспоненциальную формулу: n=f*10^e

f - мантисса, e – экспонент

Если рассматривать все существующие числа на свете, их можно разбить на 7 групп:

1. Отрицательное переполнение

2. Выражаемые отрицательные числа

3. Отрицательные потеря значимости

4. Ноль

5. Положительные потеря значимости

6. Выражаемые положительные числа

7. Положительные переполнение

Числа с плавающей точкой не используются для областей 1, 3, 5 ,7.

Континуум – полностью заполненное пространство.

Все действительные числа образуют континуум, т.е. между любыми двумя числами можно вставить третье число. Числа с плавающей точкой не образуют континуум, т.к. в зависимости от числа разрядов, выделенных для представления чисел, всегда существует конечное количество чисел. Если получаемое число не укладывается в существующее значение, то происходит округление.

Стандарт IEEE754 принят в 1985 году. Сегодня поддерживается всеми процессорами. Этот стандарт определяет 3 формата чисел с плавающей точкой:

1. С одинарной точностью (32 бита)

2. Числа с удвоенной точностью (64 бита)

3. Повышенная точность (80 бит)

Билет № 11, 33

1. Технологи повышения производительности процессоров: параллельные архитектуры, векторные компьютеры, мультипроцессоры, мультикомпьютеры.

Для увеличения производительности в 100 и более раз существуют многопроцессорные системы.

Векторные компьютеры предназначены для технических расчетов двух видов:

1. Массивно-параллельный процессор.

Состоит из большого количества одинаковых процессоров. Структура – коммутационная матрица. Каждый процессор имел свой блок памяти и мог выполнять операции с любыми данными.

2. Векторные процессоры.

В этом процессоре существует одно суммирующее устройство и один векторный регистр. По производительности примерно равны между собой и поэтому часто существуют гибридные модели.

Сегодня существуют 2 способа реализации многопроцессорных систем.

1. Мультипроцессоры – все процессоры используют общую разделяемую память.

Достоинства: высокая скорость, простота программирования.

Недостатки: высокая стоимость, сложность построения.

2. Мультикомпьютеры – предназначены для построения систем, у которых больше, чем 256 процессоров. Представляет собой множество компьютеров, соединенных в единую сеть.

Достоинства: простота соединения, потенциальная мощность выше

Недостатки: скорость работы ниже, чем у мультипроцессоров, сложность программирования.