Лекции_Информатика (Лекции с кафедры [DOC]), страница 5

МПП – микропроцессорная память;

РОН – регистры общего назначения;

РС – регистры смещений;

РФ – регистр флагов;

СР – сегментные регистры;

УС – устройство синхронизации;

УУ – устройство управления.

Структура микропроцессора

Рассмотрим назначение этих блоков МП.

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

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

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

3) расшифровка кода команды дешифратором команды (ДК);

4) формирование полных адресов операндов;

5) выборка операндов из ОЗУ или МПП и выполнение заданной команды обработки этих операндов;

6) запись результатов 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., образуя конвейер 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 двухбайтовых запоминающих 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): AX, BX, CX, DX. Можно работать с регистром целиком или отдельно с каждой его половинкой: регистром старшего (high) байта – AH, BH, и регистром младшего (low) байта – AL, BL, CL, DL. Например, структура регистра AX имеет вид

Структура регистра AX

Универсальные регистры имеют свое предназначение:

АХ – регистр-аккумулятор, с его помощью 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;

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

СХ – регистр-счетчик, используется как счетчик числа повторений при циклических операциях;

DX – используется как расширение регистра-аккумулятора при работе с 32-разрядными числами и при выполнении операции умножения и деления.

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

3. Регистры смещений (РС) IP, SP, ВР, SI, DI предназначены для хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов).

4. Регистр флагов (РФ) FL содержит 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 выполняет математический 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 параметрами МП являются тактовая частота, разрядность и рабочее напряжение.

Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемых МП за единицу времени. Тактовая частота современных МП измеряется в ГГц (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 ГГц = 10⁹ Гц). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить МП, и тем больше его производительность. Первые МП, использовавшиеся в персональных компьютерах, работали на частоте 4,77 МГц (1 МГц = 10⁶ Гц). В настоящее время рабочие частоты современных МП превосходят 2 ГГц (2011 г.).

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных МП может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью внутренней шины, то есть количеством проводников в шине, по которым передаются команды. Современные МП семейства Intel имеют 64 разряда.

Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения позволяет уменьшить размеры МП, а также уменьшить тепловыделение в МП, что повышает его производительность без угрозы перегрева.

МП все время с момента включения до момента выключения выполняет команды. Если поток команд заканчивается, например, в случае простоя ЭВМ, то МП выполняет пустую команду NOP.

2.3.Системная шина

В основе устройства ЭВМ лежит системная шина, которая служит для обмена командами и данными между компонентами ЭВМ, расположенными на материнской плате. ПУ подключаются к шине через контроллеры. Такая архитектура ЭВМ называется открытой, так как легко может быть расширена за счет подключения новых устройств. Передача информации по системной шине также осуществляется по тактам.

Системная шина включает в себя:

- кодовую шину данных для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда из ОЗУ в МПП и обратно; имеет 64 разряда;

- кодовую шину адреса для параллельной передачи всех разрядов адреса ячейки ОЗУ; имеет 32 разряда;

- кодовую шину инструкций для передачи команд (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки ЭВМ; простые команды кодируются одним байтом, но есть и команды, кодируемые двумя, тремя и более байтами; имеет 32 разряда;

- шину питания для подключения блоков ЭВМ к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между МП и ОЗУ;

2) между МП и контроллерами устройств;

3) между ОЗУ и внешними устройствами (ВЗУ и ПУ, в режиме прямого доступа к памяти).

Все устройства подключаются к системной шине через контроллеры – устройства, которые обеспечивают взаимодействие внешних устройств и системной шины.

Чтобы освободить МП от управления обменом информацией между ОЗУ и внешними устройствами, например при чтении или записи информации, предусмотрен режим прямого доступа в память (DMA – Direct Memory Access). Таким образом, МП может заниматься выполнением других команд, не отвлекаясь на копирование информации между ОЗУ и внешними устройствами.

Характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, то есть максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от следующих параметров:

- разрядность или ширина шины – количество бит, которое может быть передано по шине одновременно (существуют 8-, 16-, 32- и 64-разрядные шины);

- тактовая частота шины – частота, с которой передаются биты информации по шине.

Наиболее распространенные шины.

PCI (Peripheral Component Interconnect) – самая распространенная системная шина. Быстродействие шины не зависит от количества подсоединенных устройств. Поддерживает следующие режимы:

- Plug and Play (PnP) – автоматическое определение и настройка подключенного к шине устройства;

- Bus Mastering – режим единоличного управления шиной любым устройством, подключенным к шине, что позволяет быстро передать данные по шине и освободить ее.

Характеристика	PCI	AGP
Разрядность шины данных/адреса, бит	32/32	32/32
Рабочая частота, МГц	66	133
Пропускная способность, Мбит/с	264	2112
Число подключаемых устройств, шт.	10	1

AGP (Accelerated Graphics Port) – магистраль между видеокартой и ОЗУ. Разработана, так как параметры шины PCI не отвечают требованиям видеоадаптеров по быстродействию. Шина работает на большей частоте, что позволяет ускорить работу графической подсистемы ЭВМ.

Основные характеристики шин

2.4.Постоянное и оперативное ЗУ

Запоминающие устройства, используемые в ЭВМ, состоят из последовательности ячеек. Каждая ячейка содержит значение одного байта и имеет собственный номер (адрес), по которому происходит обращение к ее содержимому. Все данные в ЭВМ хранятся в двоичном виде нулей и единиц.

Запоминающие устройства характеризуются двумя параметрами:

- объем памяти – размер в байтах, доступных для хранения информации;

- время доступа к ячейкам памяти – средний временной интервал, в течение которого находится требуемая ячейка памяти и из нее извлекаются данные.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ; RAM – Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и чтения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ЭВМ в текущий период времени. После выключения питания ЭВМ, информация в ОЗУ уничтожается, поэтому она не подходит для долговременного хранения информации. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, выраженный числом. В ЭВМ на базе процессоров Intel Pentium используется 32-разрядная адресация. Это означает, что число независимых адресов равно 2³², то есть возможное адресное пространство составляет 4,3 Гбайт. Объем ОЗУ превышает 4096 Мбайт (2011 г.), время доступа 0,005-0,02 мкс. 1 с = 10⁶ мкс.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ; ROM – Read Only Memory) хранит неизменяемую (постоянную) информацию: программы, выполняемые во время загрузки системы, и постоянные параметры ЭВМ. В момент включения ЭВМ в его ОЗУ отсутствуют данные, так как ОЗУ не сохраняет данные после выключения ЭВМ. Но МП необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому МП обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес из ПЗУ. Основное назначение программ из ПЗУ состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками. Обычно изменить информацию ПЗУ нельзя. Объем ПЗУ 128-256 Кбайт, время доступа 0,035-0,1 мкс. Так как объем ПЗУ небольшой, но время доступа больше, чем у ОЗУ, при запуске все содержимое ПЗУ считывается в специально выделенную область ОЗУ.

Кроме ПЗУ существует энергонезависимая память CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), в которой хранятся данные об аппаратной конфигурации ЭВМ: о подключенных к ЭВМ устройствах и их параметры, параметры загрузки, пароль на вход в систему, текущее время и дата. Питание памяти CMOS RAM осуществляется от батарейки. Если заряд батарейки заканчивается, то настройки, хранящиеся в памяти CMOS RAM, сбрасываются, и ЭВМ использует настройки по умолчанию.

ПЗУ и память CMOS RAM составляют базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input-Output System).

2.5.Внешние ЗУ

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения и транспортировки информации. ВЗУ взаимодействуют с системной шиной через контроллеры внешних запоминающих устройств (КВЗУ). КВЗУ обеспечивают интерфейс ВЗУ и системной шины в режиме прямого доступа к памяти, то есть без участия МП. Интерфейс – это совокупность связей с унифицированными сигналами и аппаратуры, предназначенной для обмена данными между устройствами вычислительной системы.

ВЗУ можно разделить по критерию транспортировки на переносные и стационарные. Переносные ВЗУ состоят из носителя, подключаемого к порту ввода-вывода (обычно USB), (флэш-память) или носителя и привода (накопители на гибких магнитных дисках, приводы CD и DVD). В стационарных ВЗУ носитель и привод объединены в единое устройство (накопитель на жестких магнитных дисках). Стационарные ВЗУ предназначены для хранения информации внутри ЭВМ.

Перед первым использованием или в случае сбоев ВЗУ необходимо отформатировать – записать на носитель служебную информацию, необходимую в дальнейшем при операциях чтения-записи с носителя.

Рассмотрим три типа ВЗУ, разделенные по критерию физической основы или технологии производства носителя: 1) магнитные носители; 2) оптические носители; 3) флэш-память.

2.6.Магнитные носители

Магнитные носители основаны на свойстве материалов находиться в двух состояниях: «не намагничено»-«намагничено», кодирующие 0 и 1. По поверхности носителя перемещается головка, которая может считывать состояние или изменять его. Запись данных на магнитный носитель осуществляется следующим образом. При изменении силы тока, проходящего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля на поверхности магнитного носителя, и состояние ячейки меняется с «не намагничено» на «намагничено» или наоборот. Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частички ферро магнитного покрытия являются причиной появления электрического тока. Электромагнитные сигналы, которые возникают при этом, усиливаются и анализируются, и делается вывод о значении 0 или 1.

Из-за контакта головки с поверхностью носителя через некоторое время носитель приходит в негодность.

Рассмотрим три типа магнитных носителей.

1. Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД; harddisk – жесткий диск) представляют собой несколько дисков с магнитным покрытием, нанизанные на шпиндель, в герметичном металлическом корпусе. При вращении диска происходит быстрый доступ головки к любой части диска.

В НЖМД может быть до десяти дисков. Их поверхность размечается дорожками (track). Каждая дорожка имеет свой номер. Дорожки с одинаковыми номерами, расположенные одна над другой на разных дисках, образуют цилиндр. Дорожки на диске разбиты на секторы (нумерация начинается с единицы). Сектор занимает 571 байт. Из них 512 байт отведено для записи данных. Оставшиеся 59 байт отведены под заголовок (префикс), определяющий начало и номер сектора, и окончание (суффикс), где записана контрольная сумма, необходимая для проверки целостности хранимых данных. Секторы и дорожки формируются во время форматирования диска. Разметка секторов зависит от типа диска. Жесткие диски устанавливаются в системном блоке и являются основным ВЗУ ЭВМ. Объем жестких дисков превышает 1 Тбайт (2011 г.), а время доступа – 0,005-0,03 с.