Представление информации в технических устройствах Компьютеры как системы

Представление информации в технических устройствах. Компьютеры как системы обработки информации. Лекция 5 ДГТУ Кафедра ИТ 1 2011 -2012 г.

Элемент памяти. Триггер— класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний: логического 0 или логической 1 и чередовать их под воздействием внешних сигналов n Триггер — простейший элемент оперативной памяти. n Триггер — простейшее устройство, выполняющее логическую функцию. n 2

Функциональная схема универсального триггера( JK триггера) n Все разновидности триггеров представляют собой элементарный автомат, включающий собственно элемент памяти (ЭП) и комбинационную схему (КС), которая может называться схемой управления или входной логикой. Входы J и К предназначены для записи одного бита со значением ноль или единица 3

Функциональная схема универсального триггера( JK триггера) Триггер имеет два выхода. Сигнал на выходе Q соответствует значению, хранящемуся в триггере. _ Выход Q используется при необходимости получить инверсное значение сигнала. 4

Триггер n 5

Регистры n n Триггер служит основой для построения регистров, способных хранить двоичные числа. Он осуществляет их синхронную параллельную передачу и запись, а так же выполняет с ними некоторые специальные операции. Регистр представляет собой набор триггеров, число которых определяет разрядность регистра. Разрядность регистра кратна восьми битам: 8 -, 16 -, 32 -, 64 - разрядные регистры. Кроме этого в состав регистра входят схемы управления его работой. 6

Компьютеры с сосредоточенной обработкой n Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. 7

Архитектуры с фиксированным набором устройств n Компьютеры первого поколения (на электронных лампах) и второго поколения (на транзисторах) имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком. 8

Вычислительные системы с открытой архитектурой n n n В начале 70 -х годов фирмой DEC был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитектура позволяла свободно подключать любые периферийные устройства. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине передачи информации. Шина – многоразрядный канал передачи информации от одного устройства компьютера к другому. 9

Вычислительные системы с открытой архитектурой n n Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к шине через контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины является свободно распространяемым документом. Это позволяет фирмампроизводителям периферийного оборудования разрабатывать контроллеры для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. 10

Вычислительные системы с открытой архитектурой n Архитектура компьютера открытого типа Центральный процессор Запоминаю Устройство Клавиатура щее отображения устройство Контроллер Другие устройства Контроллер Общая шина 11

Вычислительные системы с открытой архитектурой n n Недостаток: К общей шине подключены устройства с разными объёмами и скоростью обмена, в связи с чем "медленные" устройства задерживали работу "быстрых". Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении двух дополнительных локальных шин для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объём обмена с центральным процессором и между собой. 12

Структура современного персонального компьютера имеет вид: Центральный процессор Видеоконтроллер Локальная шина Контроллер Центральный контроллер Локальная Запоминающее шина устройство Общая шина Другие устройства Многофункциональный контроллер(клавиатура, мышь, принтер) 13

Архитектуры многопроцессорных вычислительных систем n n Существуют задачи, объём вычислений которых превышает возможности персонального компьютера. Для их решений применяются компьютеры с высоким быстродействием. Для получения высокого быстродействия используются архитектуры, в которых процесс обработки распараллеливается и выполняется одновременно на нескольких обрабатывающих устройствах 14

Архитектуры многопроцессорных вычислительных систем n Существует три основных подхода к построению архитектур таких компьютеров: многопроцессорные, магистральные и матричные архитектуры. Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется по схеме с общей шиной. 15

Процессор Интегра льная схе ма (чип, микрочи п) — тонкая пластинка —микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле и помещённая в неразборный корпус (или без корпуса, в случае вхождения в состав микросборки). n На сегодняшний день большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа. n 16

Процессор n (СБИС) — сверхбольшая интегральная схема до 1 миллиона элементов в кристалле 17

Процессор n. Центральный процессор (ЦП Central Rpocessing Unit - CPU) функционально-законченное программноуправляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. Он разрешает выполнять программный код, находящийся в памяти и руководит работой всех устройств компьютера. n Скорость его работы определяет быстродействие компьютера. 18

Процессор имеет собственные регистры. Именно в регистрах помещаются команды, которые выполняются процессором, а также данные к командам. n Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных и их выполнении. На этом и базируется выполнение программ. n 19

Процессор n Основными параметрами процессоров являются: ¨ тактовая частота, ¨ разрядность, ¨ размер кэш памяти. 20

Архитектура процессора Счётчик команд Управление и синхронизация Регистры общего назначения АЛУ Внутреняя шина Управление выборкой очередной микрокоманды ПЗУ микрокоманд Дешифратор команд Упрощённая схема процессора Буфер команд Контроллер шины шина адреса шина данных шина управления 21

Архитектура процессора Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устройство управления выполнением команд. Оно содержит: n буфер команд, который 1) хранит одну или несколько очередных команд программы; 2) читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшая время выборки очередной команды из памяти; n 22

Архитектура процессора постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд – это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; записанная в ПЗУ информация сохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения. n 23

Архитектура процессора управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд; Частота, с которой осуществляется выборка микрокоманд за одну секунду, называется тактовой частотой процессора. Один такт – выборка одной микрокоманды. Тактовая частота определяет скорость выполнения процессором команд, и, в конечном итоге, быстродействие процессора. n Тактовая частота современных процессоров измеряется в МГц и ГГц n 1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 МГц=10^6 Гц, 1 ГГц = 10^3 МГц 24 n

Архитектура процессора Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. n Регистры общего назначения (РОН) используются для временного хранения операндов исполняемой команды и результатов вычислений, адресов ячеек памяти или портов ввода-вывода. 25

Основные параметры процессоров n n Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды. В большинстве современных процессоров шина команд 32 -разрядная, хотя существуют 64 -разрядные процессоры и даже 128 разрядные. 26

Основные параметры процессоров n n n Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэшпамять. (от английского Cache – запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ и сравнимо со скоростью работы самого процессора. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. 27

Основные параметры процессоров Рассмотрим механизм работы кэш-памяти Данные, выбираемые процессором в ОЗУ, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратится к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при занесении процессором данных в память. n Современные процессоры имеют встроенную кэшпамять. Кроме этого есть кэш-память и на материнской плате. n Чтобы их различать кэш-память делится на уровни. В корпусе процессора находится кэш-память первого и второго уровня, которая имеет объём порядка 256 Кбайт – 4 Мбайт. n Кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, её объём может составлять 2 -24 Мбайт. 28 n

Система команд процессора Совокупность разнообразных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует систему команд процессора. n Чем больше набор команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем дольше средняя продолжительность выполнения команд. n Существует две основных системы команд процессора: CISC и RISC n 29

Система команд процессора n n n Процессоры Intel, насчитывают более тысячи команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд - CISCпроцессоров RISC- архитектура с сокращенной системой команд. При такой архитектуре количество команд намного меньше, и каждая команда выполняется быстрее. Таким образом, программы, состоящие из простых команд выполняются намного быстрее на RISC-процессорах. 30

Основные параметры процессоров Недостаткам RISC архитектуры является то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден эмулировать её с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода. n Эта архитектура характерна для процессоров фирмы АМD, хотя в последнее время компания изготовляет процессоры семейства AMD-K 10. 5, которые имеют гибридную архитектуру (внутреннее ядро этих процессоров выполнено по RISC-архитектуре, а внешняя структура - по архитектуре CISC). 31

Основные параметры процессоров n Новейшей моделью фирмы Intel является процессор Intel Core i 7 990 X (тактовая частота до 3, 46 ГГц. ). Внутренняя микроархитектура процессора базируется на шести ядрах - параллельно работающих конвейерах команд, которые исполняют сразу несколько команд в 12 фазах обработки (чтение, дешифрация, загрузка операндов, исполнение), конвейеры заканчиваются двумя АЛУ: 1)АЛУ работающим на удвоенной частоте процессора для коротких арифметических и логических команд; 2) АЛУ для выполнения медленных команд. n 32

Основные параметры процессоров Микропроцессор Athlon XP 33