ref-15919 (Классификация и техническая реализация основных устройств ЭВМ), страница 2

Внешние устройства (ВУ).

Проверка в несколько миллионов шагов

Шаги машинного цикла, описанные на предыдущих страницах, хорошо иллюстрируют последовательности дискретных действий, которые повторяются многократно при чтении очередной инструкции центральным процессором. Каждое действие происходит за время порядка 30 нс (наносекунда; 1нс=10^-9 с). ОЗУ. Эта процедура состоит из миллионов отдельных шагов и в зависимости от объёма памяти компьютера занимает до нескольких секунд. Проверка ОЗУ сложна по двум причинам. Во-первых, каждая микросхема ОЗУ обычно содержит 64 К информации (1К = 1024 бит), т.е. 65 536 бит. Во–вторых, в этих крошечных, плотно упакованных микросхемах информация хранится иначе, чем в ПЗУ. Как показано на двух предыдущих разворотах, восьми битный элемент данных, считываемый процессором из ПЗУ, содержится в одной микросхеме. В ОЗУ 8 бит (1 байт) данных записаны в определённой последовательности в 8 различных микросхемах. Такая организация оперативной памяти позволяет наиболее эффективно пользоваться адресным пространством памяти и оптимально планировать схему системной платы.

Чтобы убедиться, что ни одна микросхема ОЩУ не вышла из строя, ЦПУ обращается к ним, задавая адреса, определяет те 8 микросхем, каждая из которых должна послать 1 бит по шине данных в центральный процессор. Процессор сверяет принятый таким образом байт с тем, который записан в память. Эти байты должны совпадать. Для проверки всех ячеек одной микросхемы ЦП должен повторить этот тест 65 536 раз (с различными адресами). Разумеется, в то же самое время проверяются другие семь микросхем ОЩУ. Обнаружив ошибки, процессор запоминает, что определённые области ОЗУ неисправны и ими не следует пользоваться.

Организация памяти ЭВМ

Под памятью ЭВМ понимаются запоминающие устройства (ЗУ). Стоимость памяти составляет существенную часть общей стоимости ЭВМ. Память ЭВМ имеет многоуровневую организацию:

• внутренняя (сверхоперативная (СВОП), кэш-память, ПЗУ, ОП).

Кэш-память, внутренняя память ЭВМ. В настоящее время память этого типа широко используется в мини-, общего назначения и супер-ЭВМ, а также в более мощных ПК. Кэш-память выполняется на быстродействующих БИС и её быстродействие должно соответствовать скорости работы АЛУ и УУ. Кэш-память используется для ранения наиболее часто используемых программ и данных, осуществляя своего рода связующий буфер между быстрыми устройствами ЦП и более медленной ОП и позволяя получать существенный временной выигрыш.

Оперативная память (ОП) служит для хранения информации (программы, данные, промежуточные и конечные результаты),непосредственно обеспечивающие текущий вычислительный процесс в АЛУ и УУ процессора. Информация в ОП сохраняется только при наличии питания (сеть, батарея); поэтому во избежание потери информации, используемые для наиболее важных работ ЭВМ различных классов обеспечиваются автономным блоком питания (UPS), который автоматически включается при отключении основного питания (переносные ПК). В процессе обработки информации осуществляется тесное взаимодействие ЦА и ОП под управлением первого: из ОП в ЦП поступают команды и операнды, над которыми производятся операции (определяемые их кодами в командах), а из ЦП в ОП записываются промежуточные и конечные результаты обработки. В настоящее время объём ОП колеблется в широком диапазоне, от 640Кбайт (для простых ПК), до нескольких гигабайт у супер-ЭВМ; время обращения к памяти менее 0,2мкс; в качестве элементной используется в основном полупроводниковая база (диапазоны значений времени доступа в наносекундах: СВОП-5-15, кэш-10-50, ПЗУ-30-200, ОП-50-150). Развитие элементной базы постоянно корректирует эти показатели в сторону уменьшения; при этом скорость уменьшения увеличивается.

Рассмотрим структурную организацию ОП современных ЭВМ. Различают: адресную, ассоциативную и стэковую память.

Адресная память – размещение и поиск информации в ней основаны на адресном принципе хранения слов; адресом слова является номер его ячейкп. При доступе к такого типа памяти команда должна указывать номер(адрес) ячейки ОП прямо или косвенно через адресные регистры (база, смещение)

Ассоциативная память – обеспечивает поиск нужной информации по её содержанию; при этом поиск по ассоциативному признаку происходит параллельно во времени для всех ячеек ОП. Во многих случаях такой вид памяти позволяет существенно ускорить и упростить обработку иняормации, что достигается за счёт совмещения операции доступа с выполнение ряда логических операций.

Стэковая память – также является безадресной и её можно представить в виде одномерного массива ячеек. В таком массиве соседние ячейки связаны друг вс другом последовательной передачей свлов: запись нового слова в ОП производится в её верхнюю яченйку с номером 0, при этом все ранее записанные слова (включая 0-ячейку) сдвигаются на ячпейку вниз, т.е. получают адреса на 1 больше прежних (до операции записи). Считывкание в такого типа памяти производится только из её 0-ячейки; при этом, если производится считывание с удалением слова, то все остальные слова сдвигаются вверх на одну ячейку. Стековая память реализует LIFO – принцип доступа: Last Input – First Output.

Информационный выход

Р ис.1.

Усилитель чтения

0 k n-1

СФА

. . . . . .

ЗЭ

ЗЭ

ЗЭ

… …

0

ЗЭ

ЗЭ

ЗЭ

А д- … … … …

р ес

j

ЗЭ

ЗЭ

ЗЭ

… …

N

Усилитель записи

0 … k … n-1

W R

Информационный выход

Рассмотрим вид памяти 2D-типа (Рис.1.) являющееся одним из более распространённых по причине его быстродействия и удобства реализации. Оперативная память такой организации обеспечивает двух координатную выборку каждого ЗЭ, в совокупности образующих матрицу из 2^m ячеек по n битов (разрядов). Каждый ЗЭ характеризуется использованием троичных сигналов (выборка при записи, выборка при чтении и отсутствие выборки) и совмещением линий входных и выходндых сигналов; адресные и разрядные линии носят общее название линий выборки, объединяющих все ЗЭ матрицы. Адресные линии используются для выборки по указанному адресу совокупности ЗЭ матрицы, которым устанавливается режим чтение/запись. Выборка отдельных разрпядов производится разрядными линиями, по которым осуществляется чтение/запись информации. Адрес (m-разрядный) выбираемой j-ячейки ОП (приложение рис.) поступает на схему формирования адреса (СФА); при этом под действием сигнала запись/чтение (WR) СФА выдаёт сигнал настройки j-й линии на запись/чтение. Выделение k-разряда в j-слове производится второй координатной линией; при записи/чтении по k-линии посредством усилителя записи/чтения поступает входной /выходной сигнал, изменяющий/считывающий содержимое ЗЭ с (j,k)-координатами. Линии записи и чтения могут быть объединены в одну при использовании ЗЭ, допусткающих соединение выхода со входом записи; такой подход широка используется в современных ОП.

Современная ОП ёмкостью в 1Мбайт зранит 2²³ или 8.388.608 ЗЭ, расположенных в виде матрицы, каждый из которых зранит бинарное 01 значение. Поэтому в ОП достаточно большого объёма неизбежно возникают ошибки, поэтому для повышения надёжности ОП исполльзуется корректирующий код Хэмминга, защищающий её от появления ошибок и продлевая среднее время появления одиночной, устранимой ошибки до 62 лет.

Организация систем адресации и команд ЭВМ.

В данной части работы рассмотрим вопросы адресации и системы команд ЭВМ , объединяющие работу двух основных компонентов ЦП и ОП в единое целое. Внутренняя память ЭВМ обычно является адресуемой, т.е.каждой хранимой в ней единице информации (байт, слово) ставится в соответствие адрес (номер ячейки или регистра). В качестве адресуемых единиц информации используются, как правило, байт, слова фиксированной и переменной длины. Являясь универсальной относительно обработки дискретной информации, ЭВМ обеспечивает все типы её обработки: приём, собственно обработку, хранение и выдачу в нужном виде. Обработка информации производится программно путём покомандного выполнения соответствующего алгоритма обработки, описанного на языке системы команд конкретной ЭВМ. Команда представляет собой машинное слово, содержащее код операции (КОП) и операнды (данные), код которыми должна быть произведена операция с указанным кодом. Команда в явной или неявной форме содержит также адреса для результата выполнения операции и следующей выполняемой команды. По характеру выполняемых операций каманды образуют следующие основные группы: арифметические, десятичной арифметики, логические, передача кодов, передачи управления, определения режима работы ЭВМ, ввода/вывода и др. Команда, как правило, содержит не сами операнды, а адреса регистров или ячеек памяти, их содержащие.

Как правило, система команд современных ЭВМ использует несколько типов адресации, например: прямая, относительная, непосредственнная, укороченная, стэковая и т.д. (их количество может превышать 20), указываемых посредством КОП (сложение, умножение, передача управления и др.) или явно специальным полем адресной части команды.

Прямая – предполагает идентичность понятий Аис=Аук,(где Аис-адрес ячейки или номер регистра, а Аук-информация об адресе операнда в команде).

Относительная – характеризуется соотношением Аис=Аб+Аук, где Аб-содержимое базового регистра.

Непосредственная – содержит сам операнд, а не его адрес.

Укороченная – в команде задаются только младшие разряды адресов, старшие при этом полагаются нулевыми (используется совместно с другими).