Ответы к ГОСэкзамену 2012г для ПИЭ

"Вычислительные машины, сети и системы телекоммуникаций"

1. Микропроцессор (МП), или central processing unit (GPU) — функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

- вычисление адресов команд и операндов;

- выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);

- выборку данных из ОП, регистров МПП и регистров адаптеров внешних уст­ройств (ВУ);

- прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

- обработку данных и их запись в ОП, регистры МПП и регистры адаптеров ВУ;

- выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;

- переход к следующей команде.

Основными параметрами микропроцессоров являются:

- разрядность;

- рабочая тактовая частота;

- размер кэш-памяти;

- состав инструкций;

- конструктив;

- рабочее напряжение и т. д.

Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины, адреса МП определяет его адресное пространство.

Адресное пространство - это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстродействие, ибо каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быс­тродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины материнской платы, с которой работает (может работать) МП.

Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет два уровня:

- L1 — память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП (впервые кэш L1 был введен в МП 486 и у МП 386SLC);

- L2 — память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП Pentium II). Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины.

Состав инструкций - перечень, вид и тип команд автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит даже классификационная группа МП (CISC, RISC, VLIM и т. д.). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми могут выполняться эти процедуры. Дополнительные инструкции в небольших количествах вводились во многих МП (286, 486, Pentium Pro и т. д.). Но существенное изменение состава инструкций произошло в МП 386 (этот состав далее принят за базовый), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4.

Конструктив определяет те физические разъемные соединения, в которые устанавливается МП и которые определяют пригодность материнской платы для уста­новки МП. Разные разъемы имеют разную конструкцию (Slot - щелевой разъем, Socket - разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются сигналы и рабочие напряжения.

Рабочее напряжение также определяет пригодность материнской платы для установки МП.

Все микропроцессоры можно разделить на четыре группы:

1). МП типа CISC (Complex Instruction Set Command ) с полным набором системы команд.

2). МП типа RISC (Redused Instruction Set Command) с усеченным набором системы команд.

3). МП типа VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхбольшим командным словом.

4). МП типа MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и т. д.

2. Физическая структура микропроцессора:

1. Ядро процессора – главный управляющий модуль плюс управление исполняющими модулями. Например модуль управления целочисленными данными и т.п.

2. Локальные управляющие схемы:

• Модуль предсказания ветвлений

• Регистры микропроцессорной памяти (кэш 1 уровня)

• Блок с плавающей точкой

• Шинный интерфейс

Функционально микропроцессор можно разделить на 2 части:

1) операционная – содержащая УУ, АЛУ и микропроцессорную память (за исключением нескольких адресных регистров);

2) интерфейсная – содержащая адресные регистры микропроцессора, блок регистров команд и кодов команд, где они хранятся ближайшие такты, схемы управления шиной и портами.

Обе части работают параллельно, но интерфейсная опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти и ее запись в блок регистра команд выполняется во время работы операционной части над предыдущей командой.

Микропроцессор имеет несколько групп регистров в интерфейсной части работающих с разной степенью опережения, что позволяет выполнять операции в конвейерном режиме резко повышающем быстродействие.

Функции элементов микропроцессора:

1. Самое сложное устройство – устройство управления

2. АЛУ

3. Микропроцессорная память – включает в себя 14 двух байтовых запоминающих регистров (базовых), а также имеются дополнительные регистры. Например: Микропроцессор VLIW имеет 256 регистров из которых 128 – регистры общего назначения.

Все регистры можно разделить на 4 группы:

1. универсальные регистры – AX, BX, CX, DX.

2. Сегментные регистры – CS, DS, SS, ES

3. Регистры смещения – IP, SP, BP, SI, DI

4. Регистры флагов – FL

Если регистры 4-х байтные или 8-ми байтные – их имена изменяются. Например – 4-х байтные универсальные регистры называются EAX, EBX, ECX, EDX.

Универсальные регистры обычно называют регистрами общего назначения поэтому могут использоваться для хранения любых данных. При этом могут работать каждым регистром целиком или отдельно с каждой его половиной.

Сегментные регистры – используются для хранения начальных адресов полей памяти (сегментов).

Регистры смещения – используются для хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов.

Регистр флагов FL – содержит одноразрядные признаки – маски (флаги), управляющие прохождением программы в компьютере. Флаги работают независимо друг от друга, т.е. просто для удобства помещены в один единый регистр. FL содержит 9 флагов: 6 из них – статусные – отражают результаты операций выполненных в компьютере - их значения используются например при выполнении команд условной передачи управления (команд ветвления программ); три других – управляющие, определяющие режим управления программы.

Интерфейсная часть микропроцессора включает в себя: адресные регистры микропроцессора, блок регистров команд и схемы управления шиной и портами. Порты ввода вывода – пункты системного интерфейса ПК через которые микропроцессор обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов может быть 65536, т.е. определяется количеством адресов отведенных для этого, т.о. каждый порт имеет адрес – ячейка памяти являющаяся частью устройства ввода-вывода, а не частью основной памяти компьютера.

Порт – устройство содержащее аппаратуру сопряжения и два регистра памяти: 1) для обмена данными; 2) для обмена управляющей информацией. Существуют внешние устройства которые могут использовать основную память для хранения больших объемов информации подлежащей обмену. Многие устройства: клавиатура, сопроцессор, дисковод и т.п. имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.

3. Система команд микропроцессора.

Один из основных принципов построения ЭВМ был сформулирован американским ученым' Дж. Фон-Нейманом: работой ЭВМ управляет программа, состоящая из отдельных команд. Программа размещается вместе с данными в основной памяти ЭВМ, Каждая команда хранится в отдельной ячейке памяти (или группе смежных ячеек) и имеет свой адрес. Все команды имеют одинаковую структуру. Они состоят из двух частей: кода операции и адресной части» Код операции определяет, какую команду нужно выполнить. Адресная часть определяет, где хранятся операнды, т.е. обрабатываемые данные, и куда необходимо поместить результат операции,

В зависимости от количества используемых в команде операндов различаются одно-, двух-, трех-, четырехадресные и безадресные команды.

В одноадресных командах указывается, где находится одни из двух обрабатываемых операндов. Второй операнд должен быть помещен заранее в арифметическое устройство (для этого в систему команд вводятся специальные команды пересылки данных между устройствами),

В двухадресных командах оба операнда перед выполнением операции находятся в памяти, поэтому их адреса указываются в команде. После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, а находившийся там операнд теряется.

В трехадресных командах два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий - куда необходимо поместить результат.

В четырехадресных командах три адреса используются для указания исходных операндов и результата, а четвертый тля указания адреса следующей команды.

В безадресных командах обычно обрабатывается одни операнд, который до и после операции находится в арифметическом устройстве (в память не пересылается). Кроме того, безадресные команды используются для выполнения служебных операций (очистить экран, заблокировать клавиатуру, сиять блокировку и др.).

Все команды программы выполняются последовательно, команда за командой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный порядок следования команд). Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений.

Для организации разветвлений, циклического выполнения участков программы, есть команды, нарушающие естественный порядок. К ним относятся: безусловная передача управления («безусловный переход»). условная передача управления (т.е. переход, если выполняется заданное условие), обращение к подпрограмме («переход с возвратом»), циклические операции. Кроме того, естественный порядок следования команд не соблюдается в машинах, использующих четырехадресные команды в этом случае некоторые из команд передачи управления упраздняются.

При явном указании адреса следующей команды реализуется «принудительный» порядок следования команд. Он возможен только если программа размещается в доступной процессору части основной памяти. Поскольку при этом команды (с точки зрения процессора) ничем не отличаются от данных, в процессе выполнения программы ее команды можно изменять (модифицировать), что повышает гибкость программирования и универсальность ЭВМ. Семейство микропроцессоров фирмы Intel, начиная от 8086 и вплоть до последних моделей, имеет базовую систему команд, в состав которой входят следующие группы:

• команды пересылки данных;

• команды пересылки данных внутри МП (MOV, PUSH, POP, ХCHNG и т.п.);

• команды ввода-вывода (IN, OUT);

• операции с флагами;

• операции с адресами (LEA, LDS и т.п.);

• арифметические команды:

основные (сложение, вычитание, умножение, деление); дополнительные (INS, DEC и др.);

• логические команды (сдвиг, дизъюнкция, конъюнкция, отрицание равнозначности и др.);

• команды обработки строковых данных (пересылка, сравнение, сканирование, слияние/разделение и др.);

• команды передачи управления (безусловный переход, условный переход, прерывания, переход с возвратом);

• команды управления («нет операции», «внешняя синхронизация» и т.д.).

Каждая команда имеет большое число модификаций, чаще всего определяемых режимом адресации данных (операндов). Операнды бывают трех типов: регистровый, непосредственный и «операнд в памяти».

Регистровые операнды указываются именами используемых регистров МП.

Непосредственные операнды бывают всегда числовые. Причем, числа могут быть представлены в различных системах счисления. Различаются они по последней букве, сопровождающей число: «b» -двоичное, «q» - восьмеричное, «d» - десятичное, «h» - шестнадцатеричное (в таких программах, как debug, буквы для обозначения системы счисления использовать не разрешается).

«Операнды в памяти» могут указываться с помощью регистров, символическими именами, константами. Различные комбинации этих элементов в команде называются способами адресации.

Изучение системы команд микропроцессора можно вести с помощью отладчиков debug или ntsd, входящих в стандартный комплект операционных систем Windows.

4. Разновидности системных плат.

Тип платы определяет базовый микропроцессор. В основном на сегодня это микропроцессоры фирм Intel и AMD, где используются электрически разные интерфейсы и геометрически разные разъемы.

Системные платы поддерживают разные виды интерфейсов: системных, локальных и периферийных шин от их состава сильно зависит работа компьютера в целом.

От типа используемого набора системных микросхем (чипсета) зависят следующие характеристики ПК:

1. Тактовая частота шин системной платы

2. Состав интерфейса и их взаимодействие с оперативной памятью и другими компонентами.

Они содержат в себе контроллеры прерываний, контроллеры прямого доступа к памяти, контроллер клавиатуры и часы. Существуют интегрированные системные платы, т.е. они включают в свой состав контроллеры внешних устройств. Соответственно такой набор определяет функциональные возможности платы: типы поддерживаемых процессоров; структура и объем кэш памяти; возможное сочетание типов и объемов модулей памяти; поддержка режимов энергосбережения; возможность программной настройки параметров; звуковой карты; сетевой платы и т.д.

Системные платы имеют набор состоящий из двух базовых микросхем, условно называемых:

1. Северный мост – обеспечивает управление четырьмя компонентами (Шиной оперативной памяти, интерфейсными шинами PCI/AGP и системной шиной микропроцессора), поэтому он четырехпортовый контроллер

2. Южный мост – имеет контроллеры дисководов, клавиатуры, мыши, управляет интерфейсными шинами USB/SCSI, поэтому южный мост называют функциональным контроллером.

На системной плате находится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее записанные программы BIOS – их называют flash-BIOS, которую можно перезаписывать.

5. Телекоммуникационная вычислительная сеть (ТВС) – это сеть обмена и распределенной обработки информации, образуемая множеством взаимосвязанных абонентских систем и средствами связи, средства передачи и обработки информации ориентированы в ней на коллективное использование общесетевых ресурсов - аппаратных, информационных, программных.

Абонентская система (AC) - это совокупность ЭВМ, программного обеспечения, периферийного оборудования, средств связи с коммуникационной подсетью вычислительной сети, выполняющих прикладные процессы.

Коммуникационная подсеть, или телекоммуникационная система (ТКС), представляет собой совокупность физической среды передачи информации, аппаратных и программных средств, обеспечивающих взаимодействие АС.

Прикладной процесс - это различные процедуры ввода, хранения, обработки и выдачи информации, выполняемые в интересах пользователей и описываемые прикладными программами.

Аппаратное обеспечение составляют ЭВМ различных типов, средства связи, оборудование абонентских систем, оборудование узлов связи, аппаратура связи и согласования работы сетей одного и того же уровня или различных уровней.

Информационное обеспечение сети представляет собой единый информационный фонд, ориентированный на решаемые в сети задачи и содержащий массивы данных общего применения, доступные для всех пользователей (абонентов) сети, и массивы индивидуального пользования, предназначенные для отдельных абонентов. В состав информационного обеспечения входят базы знаний, автоматизированные базы данных - локальные и распределенные, общего и индивидуального назначения.

Программное обеспечение (ПО) вычислительных сетей характеризуется большим многообразием как по своему составу, так и по выполняем функциям. Оно автоматизирует процессы программирования задач обработки информации, осуществляет планирование и организацию коллективного доступа к телекоммуникационным, вычислительным и информационным ресурсам сети, динамическое распределение и перераспределение этих ресурсов с целью повышения оперативности и надежности удовлетворения запросов пользователей.