Chapter_02 (1110554), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Каждая интегральная схема тожеимеет свои входы и выходы (их называют внешними контактами схемы) и реализует какую-нибудьфункцию узла компьютера. В специальной литературе интегральные схемы, которые содержат порядка 1000 вентилей, называются малыми интегральными схемами (МИС), порядка 10000 вентилей –средними (СИС), порядка 100000 – большими (БИС), а число вентилей в сверхбольших интегральныхсхемах (СБИС) исчисляется уже миллионами.Большинство современных интегральных схем собираются на одной небольшой (прямоугольной)пластинке полупроводника (обычно очень чистого кремния) с размерами порядка сантиметра. Подмикроскопом такая пластинка СБИС похожа на рельефный план большого города, со своими кварталами, домами, широкими проспектами и более узкими улицами. Интегральная схема может иметь отнескольких десятков до нескольких сотен внешних контактов.Дадим представление о количестве вентилей в различных электронных устройствах.
Например,для того, чтобы реализовать схему простых электронных часов, необходимо порядка 1000 вентилей,из 10000 вентилей уже можно собрать простейший центральный процессор, а, например, центральные процессоры современных персональных ЭВМ реализуются на интегральной схеме, состоящейуже из десятков миллионов вентилей. В последнее время на одной пластинке кремния иногда созда1В принципе вентили могут быть не только электрическими, но и, например, световыми, тогда на их входпо так называемым световодам подаются импульсы света различной интенсивности или поляризации.8ют не один, а несколько почти независимых друг от друга центральных процессоров, собранные набазе таких интегральных схем компьютеры называются многоядерными.В качестве примера рассмотрим очень простую интегральную схему, которая реализует функциюсложение двух одноразрядных двоичных целых чисел.
Входными данными этой схемы являются значения одноразрядных переменных x и y, а результатом – их сумма, которая, в общем случае, являетсядвухразрядным числом (обозначим разряды этого числа как a и b), формирующаяся как результатсложения x+y.1 Если трактовать значения входных переменных x и y как логические значения (0 какfalse и 1 как true), то можно считать, что наша схема реализует некоторую логическую функцию сдвумя аргументами и двумя логическими результатами. Запишем таблицу истинности для этой логической функции:xyba0000010110011110Легко вычислить, что выходные величины a и b будут определяться такими логическими формулами:а = x<>y = (x or y) and not(x and y)b = x and yРеализуем нашу схему двоичного сумматора как набор вентилей, связанных проводниками (см.рис.
2.2. а). Здесь мы воспользовались тем обстоятельством, что входной электрический сигнал (например, приходящий на вход x) с помощью проводов можно "продублировать" и одновременно подать на вход сразу двух вентилей.2x↓↓oranda↓↓yandnotbРис. 2.2. а) Сборка двоичного сумматора из вентилей, ↓ – тактовые импульсы.Теперь, если реализовать этот двоичный сумматор в виде интегральной схемы (ИС), то она будет иметь не менее 7-ми внешних контактов (см.
рис. 2.2 б). Это входные контакты x и y, выходныеа и b, один контакт для подачи тактовых импульсов (о них мы уже говорили, когда объясняли работувентилей), два контакта для подачи электрического питания (ясно, что без энергии ничего работатьне будет) и, возможно, другие контакты. Суммирование чисел x и y в приведенной выше схеме осу1Более строго, в научной литературе рассматриваемая нами схема называется полусумматором, но дляпростоты изложения мы не будем принимать это во внимание.2Замечание для продвинутых читателей. Построение этой схемы легче понять, если преобразовать логические формулы, выражающие зависимость результата (b и a) от аргументов (x и y) в так называемую постфиксную форму записи.
В постфиксной форме записи знаки бинарных операций записываются не между операндами, а после них. Например, операция x and y будет теперь записываться как x y and , аналогичновместо одноместной операции not x записывается x not . Эта форма записи называется ещё обратной польской записью в честь предложившего её польского математика и логика Лукашевича, у него есть ещё и так называемая прямая (префиксная) запись выражения. В префиксной и постфиксной форме записи можно не использовать круглые скобки, так как приоритет операций задаётся самой записью выражения. Например, дляпостфиксной записи операция выполняется, как только перед ней образуется необходимое число операндов.
Втакой записи величины a и b будут определяться такими логическими формулами:а = x y or x y and not andb = x y and9ществляется после последовательного прихода трёх тактовых импульсов (как говорят, за три такта).Современные компьютеры обычно реализуют более сложные схемы, которые выполняют суммирование многоразрядных целых чисел за один или два такта.+xy– тактИнтегральнаясхема двоичногосумматораabРис.
2.2. б). Пример ИС двоичного сумматора.Заметим, что основная память современных компьютеров также реализуется в виде набора нескольких сверхбольших интегральных схем. Пользователи, заглядывавшие внутрь персональногокомпьютера, должны представлять себе вид маленьких вытянутых плат такой памяти, на каждой изкоторых расположено несколько (обычно восемь) интегральных схем основной памяти.Ясно, что скорость работы интегральной схемы напрямую зависит от частоты прихода тактовыхимпульсов, называемой тактовой частотой схемы.
У современных ЭВМ не очень высокой производительности тактовые импульсы приходят на схемы основной памяти с частотой несколько сотен миллионов раз в секунду, а на схемы центрального процессора – ещё примерно в 10 раз чаще.Это должно дать Вам представление о скорости работы электронных компонент современных ЭВМ.Теперь Вы должны почувствовать разницу в видении, например, центрального процессора, системным программистом (на внутреннем уровне по нашей классификации), от видения того же процессора инженером-конструктором ЭВМ. Для системного программиста архитектура центральногопроцессора представляется в виде устройств УУ и АЛУ, имеющих регистры, обменивающихся командами и числами с основной памятью, выполняющим последовательность команд программы поопределённым правилам и т.д. В то же время для инженера-конструктора центральный процессорпредставляется в виде сложной структуры, состоящей из узлов-вентилей, соединённых проводниками и такими радиотехническими элементами, как сопротивлениями, конденсаторами и индуктивностями.1 По этой структуре распространяются электрические сигналы, которые в дискретные моменты времени (при приходе на вентили тактовых импульсов) преобразуются логическими операциями.Рис.
2.3. Радиотехническая схема вентиля "не или".Итак, мы совсем немного заглянули на инженерный уровень архитектуры ЭВМ. Разумеется,можно и дальше продолжать спуск по этим уровням, например, на рис. 2.3 показана простейшая радиотехническая схема из двух транзисторов, которая имеет два входа V1 и V2 и один выход Vout ифункционирует аналогично вентилю "не или" Vout:=not(V1 or V2) (без комментариев!).Вопросы и упражнения1.
Почему машина Фон Неймана является абстрактной ЭВМ?1В математике такая структура называется графом – это любой набор узлов, соединённых дугами.102.3.4.5.6.7.8.9.10.11.В чём заключается принцип линейности и однородности памяти?Объясните разницу между понятиями ячейка, адрес ячейки и машинное слово.Чем отличаются статическая и динамическая память компьютера?Сформулируйте принцип неразличимости команд и данных.Что такое язык машины?Чем отличается регистровая и основная память компьютера?В чём различие между регистром адреса и счётчиком адреса?В чём заключается принцип хранимой программы?Что такое вентиль и интегральная схема?Что такое тактовая частота?.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
