Элементная база современных ЭВМ Лекция№ 5
Аналоговое и цифровое представление информации • Аналоговая форма представляет информацию в виде непрерывного сигнала, который меняются пропорционально вводимой информации. • Микрофоны и обычные видеокамеры представляют голос и видео аналоговыми сигналами. Обычная телефонная сеть передает голос по кабелю в виде аналоговых сигналов • Вычислительные машины, использующие аналоговую форму обработки данных, называются аналоговыми. Простым аналоговым вычислителем является электрический счетчик потребляемой электроэнергии в зависимости от напряжения и тока. • Компьютеры, работающие на основе аналоговых сигналов и методов, оказались недостаточно точными и надежными. • Цифровая обработка информации использует фиксированный, строго определенный набор элементов. Данные используются не в непрерывно меняющихся значениях, а в дискретных, которые можно описать цифрами, например 0 и 1.
Двоичное кодирование звуковой информации • Временная дискретизация звука. редставляет собой звуковую волну с непрерывно меняющейся ам. Звук пплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц). • При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется последовательностью дискретных уровней сигнала. Качество кодирования зависит от количества измерений уровня сигнала в единицу времени, то есть частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду
Хранение информации • Информация, закодированная с помощью естественных и формальных языков, а также информация в форме зрительных и звуковых образов хранится в памяти человека. Однако для долговременного хранения информации, ее накопления и передачи из поколения в поколение используются носители информации. • Материальная природа носителей информации может быть различной: молекулы ДНК, которые хранят генетическую информацию; бумага, на которой хранятся тексты и изображения; магнитная лента, на которой хранится звуковая информация; фото- и кинопленки, на которых хранится графическая информация; микросхемы памяти, магнитные и лазерные диски, на которых хранятся программы и данные в компьютере, и так далее. • По оценкам специалистов, объем информации, фиксируемой на различных носителях, превышает один эксабайт в год (1018 байт/год). Примерно 80% всей этой информации хранится в цифровой форме на магнитных и оптических носителях и только 20% — на аналоговых носителях (бумага, магнитные ленты, фото- и кинопленки).
• Носители информации характеризуются информационной емкостью, то есть количеством информации, которое они могут хранить. • Наиболее информационно емкими являются молекулы ДНК, которые имеют очень малый размер и плотно упакованы. Это позволяет хранить огромное количество информации (до 1021 битов в 1 см 3), что дает возможность организму развиваться из одной-единственной клетки, содержащей всю необходимую генетическую информацию. • Современные микросхемы памяти позволяют хранить в 1 см 3 до 1010 битов информации, однако это в 100 миллиардов раз меньше, чем в ДНК. • Можно сказать, что современные технологии пока существенно проигрывают биологической эволюции.
Логические операции • Алгебра логики предусматривает множество логических операций. • Однако три из них заслуживают особого внимания, т. к. с их помощью можно описать все остальные, и, следовательно, использовать меньше разнообразных устройств при конструировании схем. • Такими операциями являются конъюнкция (И), дизъюнкция (ИЛИ) и отрицание (НЕ). Часто конъюнкцию обозначают &, дизъюнкцию - ||, а отрицание - чертой над переменной, обозначающей высказывание.
• При конъюнкции истина сложного выражения возникает лишь в случае истинности всех простых выражений, из которых состоит сложное. Во всех остальных случаях сложное выражение будет ложно. • При дизъюнкции истина сложного выражения наступает при истинности хотя бы одного входящего в него простого выражения или двух сразу. Бывает, что сложное выражение состоит более, чем из двух простых. В этом случае достаточно, чтобы одно простое было истинным и тогда все высказывание будет истинным. • Отрицание – это унарная операция, т. к выполняется по отношению к одному простому выражению или по отношению к результату сложного. В результате отрицания получается новое высказывание, противоположное исходному.
Логические элементы • В основе построения компьютеров, лежат так называемые вентили. • Они представляют собой достаточно простые элементы, которые можно комбинировать между собой, создавая тем самым различные схемы. • Одни схемы подходят для осуществления арифметических операций, а на основе других строят различную память ЭВМ. • Простейший вентиль представляет собой транзисторный инвертор, который преобразует низкое напряжение в высокое или наоборот (высокое в низкое). Это можно представить как преобразование логического нуля в логическую единицу или наоборот. Т. е. получаем вентиль НЕ.
Выходной сигнал вентиля можно выражать как функцию от входных
Сумматор и полусумматор • Арифметико-логическое устройство процессора (АЛУ) обязательно содержит в своем составе такие элементы как сумматоры. • Эти схемы позволяют складывать двоичные числа. • Допустим, требуется сложить двоичные числа 1001 и 0011. Сначала складываем младшие разряды (последние цифры): 1+1=10. Т. е. в младшем разряде будет 0, а единица – это перенос в старший разряд. • Далее: 0 + 1(от переноса) = 10, т. е. в данном разряде снова запишется 0, а единица уйдет в старший разряд. • На третьем шаге: 0 + 1(от переноса) = 1. В итоге сумма равна 1100.
Полусумматор
Сумматор
Триггер как элемент памяти • Память (устройство, предназначенное для хранения данных и команд) является важной частью компьютера. • Можно сказать, что она его и определяет: если вычислительное устройство не имеет памяти, то оно уже не компьютер. • Элементарной единицей компьютерной памяти является бит. • Поэтому требуется устройство, способное находиться в двух состояниях, т. е. хранить единицу или ноль. • Также это устройство должно уметь быстро переключаться из одного состояния в другое под внешним воздействием, что дает возможность изменять информацию. • Ну и наконец, устройство должно позволять определять его состояние, т. е. предоставлять во вне информацию о своем состоянии.
RS-триггер на вентилях ИЛИ-НЕ
• Большую часть времени на входы подается сигнал равный 0 (низкое напряжение). При этом триггер сохраняет свое прежнее состояние. • Возможны следующие ситуации: • Q = 1, сигнал подан на S, следовательно, Q не меняется. • Q = 0, сигнал подан на S, следовательно, Q = 1. • Q = 1, сигнал подан на R, следовательно, Q = 0. • Q = 0, сигнал подан на R, следовательно, Q не меняется. • Ситуация, при которой на оба входа подаются единичные сигналы, недопустима
Архитектура фон Неймана • Архитектура фон Неймана— широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «Машина фон Неймана» , однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. • Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. • Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.
Принципы фон Неймана – Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд. – Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности. – Принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
Принципы фон Неймана • Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. • Принцип последовательного программного управления Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой. • Принцип условного перехода. Сам принцип был сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейз и Чарльзом Бэббиджем, однако он добавлен в общую архитектуру
Типовая структурная схема микропроцессора
• Основой любого МП является арифметикологическое устройство АЛУ, выполняющее обработку информации — арифметические и логические действия над исходными данными в соответствии с командами. • Сами данные (исходные, промежуточные и конечный результат) находятся в регистрах данных РД, а команды — в регистре команд РК. • Управление всеми процессами по вводу и выводу информации, взаимодействию между АЛУ, РД и РК осуществляет многофункциональное устройство управления УУ. • Данные, команды и управляющие сигналы передаются по внутренней шине ВШ.
Конвейер обработки команд
Интерфейс • это совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для передачи информации между компонентами ЭВМ и включающих в себя: • линии, шины и сигналы адресов, данных и управления, • разъемы, • вспомогательные схемы, обеспечивающие электрическую совместимость устройств по уровням логических сигналов, входным и выходным токам и т. д. • алгоритмы передачи сигналов, • правила интерпретации сигналов устройствами, • электронные схемы, реализующие алгоритмы передачи сигналов и их интерпретацию.
Интерфейс • По функциональному назначению нужно различать системные интерфейсы и интерфейсы периферийных устройств. • Системный интерфейс выполняется обычно в виде стандартизированных системных шин или в виде сетевого интерфейса. • Различают два класса системных интерфейсов: • с общей шиной (сигналы адреса и данных мультиплексируются) • с изолированной шиной (раздельные сигналы данных и адреса). • Первый применяется в компьютерах IBM, второй - в компьютерах Macintosh фирмы Apple.
Схема взаимодействия микропроцессора
• Микропроцессор формирует адрес внешнего устройства или ячейки оперативной памяти и вырабатывает управляющие сигналы - либо IOR/IOW при обращении на чтение/запись из внешнего устройства, либо MR/MW для чтения/записи из оперативной памяти. • Адресное пространство компьютера может быть поделено между памятью и внешними устройствами (общее), а может быть параллельно два адресных пространства (независимое): пространство памяти и пространство ввода-вывода. • CLK -тактовые импульсы от тактового генератора, синхронизирующие работу всех устройств; • ША - шина адреса (32 разряда); • ШД - шина данных; • READY -сигнал, посылаемый медленным внешним устройством, чтобы задержать цикл шины. • ADS -сигнал синхронизации работы шин (сигнал начала нового цикла шины)
Структурная схема компьютера на основе шины PCI
Схема прямого доступа к памяти
• Последовательность действий КПДП при запросе на прямой доступ к памяти со стороны внешнего устройства: • Принять запрос на ПДП (сигнал DRQ) от ВУ. • Сформировать запрос к МП на захват шин (сигнал HRQ). • Принять сигнал от МП (HLDA), подтверждающий факт перевода микропроцессором своих шин в третье состояние. • Сформировать сигнал, сообщающий устройству ввода-вывода о начале выполнения циклов прямого доступа к памяти (DACK). • Сформировать на шине адреса адрес ячейки памяти, предназначенной для обмена. • Выработать сигналы, обеспечивающие управление обменом (IOR, MW для передачи данных из ВУ в оперативную память и IOW, MR для передачи данных из оперативной памяти в ВУ). • Уменьшить значение в счетчике данных на длину переданных. • Проверить условие окончания сеанса прямого доступа (обнуление счетчика данных или снятие сигнала запроса на ПДП). Если условие окончания не выполнено, то изменить адрес в регистре текущего адреса на длину переданных и повторить шаги 5 -8.
Скачать презентацию Элементная база современных ЭВМ Лекция 5 Аналоговое
Элементная база современных ЭВМ.ppt