все лабы. Все лабы. Лабораторная работа 1 1 Цель работы
 Скачать 0.74 Mb.
|
|
8.3 Формулировка задания Дать оценку технического состояния и функциональной пригодности, определить производительность (абсолютную и (или) относительную) CPU ПК. Указать, какие данные и с помощью какого программного обеспечения были получены.  8.4 Порядок выполнения работы 8.4.1 Выполняется при подготовке к работе: – изучить теоретические сведения подраздела 8.2; – повторить материал по соответствующей тематике других ранее изученных дисциплин; – по возможности подготовить оригинальное (отсутствующее в учебных аудиториях) программное обеспечение, которое можно будет использовать для выполнения задания. 8.4.2 Выполняется в лаборатории: – установить на ПК подготовленное оригинальное программное обеспечение; – выполнить задание в любой последовательности и на основании полученных результатов дать заключение; – оформить отчет по работе, приложив распечатки протоколов. 8.5 Методические указания по выполнению работы Результаты выполнения работы целиком зависят от имеющихся в распоряжении студента аппаратных и программных средств. Количественная и качественная оценка технического состояния и функциональной пригодности, производительность CPU ПК могут быть получены с помощью утилит, встроенных непосредственно в операционную систему, а также с помощью пакетов сервисного программного обеспечения, например, CheckIt 98, SysCHK, SiSoft Sandra 99 Professional и пр. Как было отмечено выше, студентам предоставляется право самостоятельного выбора программных средств диагностики. Под количественной оценкой следует понимать такие характеристики, как: тактовая частота, разрядность процессора, разрядность внутренней шины процессора и т. п. К качественным характеристикам относятся оценки корректности выполнения ряда стандартных операций, в частности, работа в защищенном режиме, правильность выполнения общих функций CPU, а также арифметические и тригонометрические операции, корректность выполнения 32-разрядного умножения и операции сравнения сопроцессора и т.д. Для оценки производительности CPU могут применяться как абсолютные, так и относиетльные величены. К абсолютным относятся, например, количество выполненяемых арифметических операций над числами с фиксированной точкой в единицу времени и количество выполненяемых арифметических операций над числами с плавающей точкой в единицу времени. Относительные величины позволяют судить о производительность данного CPU по сравнению с другим, принимаемым в качестве базового. Все указанные оценки получаются с помощью стандарных тестов, встроенных в диаагностические программные средства. 9 ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПАМЯТИ. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9 9.1 Цель работы Целью работы является исследование организации, технического состояния и определение основных параметров узлов и устройств персонального компьютера (ПК), выполняющих функции кратковременной и долговременной памяти. 9.2 Теоретические сведения 9.2.1 Компьютерной памятью называется совокупность узлов и устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации. Отдельные узлы и устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими устройствами (ЗУ). Состав и характеристики ЗУ определяют производительность и вычислительные возможности компьютера. Один вычислительный комплекс может содержать несколько типов ЗУ, отличающихся принципом действия, характеристиками и назначением. Для любой памяти основными считаются две операции: запись – WR (WRITE) – запись данных и программ в память и считывание – RD (READ) – выборка программ и данных из памяти. Обе эти операции называются "обращение к памяти". При обращении к памяти производится считывание или запись некоторой единицы данных – различной для устройств разного типа. Такой единицей может быть, например, байт, машинное слово или блок данных. К важнейшим характеристикам отдельных устройств памяти относятся: – информационная ёмкость; – удельная информационная ёмкость; – быстродействие. Информационная ёмкость памяти определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться. Она измеряется в двоичных единицах – битах, машинных словах, но большей частью в байтах (и производных от байта). Удельная информационная ёмкость есть отношение информационной ёмкости ЗУ к его физическому объёму. Быстродейстаие памяти определяется продолжительностью операции обращения, то есть временем, затрачиваемым на поиск нужной единицы данных в памяти и на её считывание или временем на поиск места в памяти, предназначаемого для хранения единицы данных, и на её запись в память. Время цикла памяти при считывании  где  – время доступа, определяющее промежуток времени между моментом начала операции обращения при считывании до момента, когда становится возможным доступ к единице данных; – продолжительность физического процесса считывания, то есть процесса обнаружения и фиксации состояний соответствующих запоминающих элементов или участков поверхности носителя информации.Время цикла памяти при записи  где  – время доступа при записи, то есть время от момента начала обращения при записи до момента, когда становится возможным доступ к запоминающим элементам (или участкам поверхности носителя), в которые производится запись; – время подготовки, расходуемое на приведение в исходное состояние запоминающих элементов или участков поверхности носителя информации для записи единицы данных; – время занесения единицы данных, то есть изменения состояния запоминающих элементов (участков поверхности носителя).В основном  В качестве продолжительности цикла обращения к памяти принимается величина  9.2.2 В зависимости от реализуемых в памяти операций обращения различают: а) память с произвольным обращением (возможны считывание и запись данных в памяти) – RAM (Random Access Memory); б) память только для считывания данных («постоянная» или «односторонняя») – ROM (Read Only Memory). По способу организации доступа различают устройства памяти с непосредственным (произвольным), с прямым (циклическим) и последовательным доступом. В памяти с непосредственным (произвольным) доступом время доступа, а поэтому и цикл обращения не зависят от места расположения участка памяти, с которого производится считывание или в который записываются данные. В большинстве случаев непосредственный доступ реализуется в полупроводниковых ЗУ. В подобных памятях цикл обращения обычно составляет одну микросекунду – единицы наносекунд. Число разрядов, считываемых или записываемых в памяти с непосредственным доступом параллельно во времени за одну операцию обращения, называется шириной выборки. В других типах памяти используются более медленные электромеханические процессы. В устройствах памяти с прямым доступом, к которым относятся дисковые устройства, благодаря вращению носителя информации возможность обращения к некоторому участку носителя для считывания или записи циклически повторяется. В такой памяти время доступа составляет десятки – единицы миллисекунд. В памяти с последовательным доступом производится последовательный просмотр участков носителя информации. Характерным примером является ЗУ на магнитных лентах. Запоминающие устройства различаются также по выполняемым в компьютере функциям, зависящим, в частности, от места расположения ЗУ в структуре компьютера. Примером таких ЗУ могут служить КЭШ, буферная память контроллеров (адаптеров) и пр. 9.2.3 Такие технические характеристики компьютерной памяти, как информационная ёмкость и быстродействие, являются противоречивыми: чем выше быстродействие, тем технически труднее достигается и дороже обходится увеличесние информационной ёмкости. Для примирения этих противоречий компьютерная память организуется в виде иерархической структуры запоминающих устройств в соответствии с рисунком 9.1, обладающих различными быстродействием и информационной ёмкостью. В общем случае компьютер содержит (сверху вниз): а) внутреннюю память, содержащую: – сверхоперативную (регистровую или местную) память – разновидность оперативного запоминающего устройства (ОЗУ); – КЭШ-память – статическое ОЗУ, реализованное в виде многоуровневой памяти (один, два или три уровня) с различными вариантами размещения уровней внутри процессора и на системной плате; – основную (оперативную) память – динамическое ОЗУ, используемое для записи программ, исходных данных, промежуточных и конечных результатов; – специализированные памяти процессора (например, управляющая память, память канала, память дисплея и пр.); б) внешнюю память, седержащую: – ЗУ с прямым доступом – дисковые накопители различных типов, включая электронный диск; – ЗУ с последовательным доступом – накопители на магнитных лентах.  Порядок перечисления устройств (сверху – вниз) соответствует убыванию их быстродействия и возрастанию информационной ёмкости. Каждый уровень иерархии может содержать несколько экземпляров (модулей) соответствующих устройств для получения нужной информационной ёмкости данного уровня памяти. На рисунке пунктиром показан редко реализуемый путь передачи данных. Иерархическая структура памяти позволяет экономически эффективно сочетать хранение больших объёмов информации (программ и данных) с быстрым доступом к программам и данным в процессе обработки. 9.2.4 Регистр – разновидность ОЗУ. Регистровая память процессора обладает наибольшим быстродействием, поэтому её называют СОЗУ – сверх ОЗУ. Информационная ёмкость регистровой памяти очень мала. Каждый из регистров обладает определёнными возможностями, которые другими регистрами или ячейками памяти не поддерживаются. В микропроцессорах, создаваемых по технологии Intel, имеются следующие регистры (смотри также рисунок 9.2): – регистры общего назначения (общие регистры данных и адресов); – указатель команд (инструкций); – регистры сегментов; – регистр флагов; – управляющие регистры; – системные адресные регистры; – регистры отладки; – регистры тестирования; – модельно-специфические (зависящие от конкретной модели процессора) регистры.
Рисунок 9.2 – Основные регистры 32 – разрядных процессоров Восемь регистров общего назначения (РОН) используются в операциях большинства инструкций в качестве источника или приёмника при перемещении данных и вычислениях, указателей на ячейки памяти и счётчиков. Доступ к регистрам процессора осуществляется намного быстрее, чем к ячейкам памяти, поэтому использование регистров заметно уменьшает время выполнения программы. В 16 – разрядных процессорах РОН содержали 16 бит. В 32 – разрядных процессорах все регистры расширены до 32 бит и к прежнему обозначению их имён была добавлена приставка E (Extended – расширенный). Отсутствие приставки в имени означает ссылку на младшие 16 бит расширенных регистров. Инструкции, которые прежде адресовались к 16 – разрядным регистрам, теперь могут адресоваться к 32 – разрядным расширенным при том же коде операции. РОН доступны системным программистам и пользователям в процессе программирования на языках низкого уровня. В регистре IP (указатель команд) содержится адрес команды, которая должна быть выполнена следующей. Когда выполняется одна команда, указатель команд перемещается таким образом, чтобы указывать на адрес памяти, по которому хранится следующая команда. Обычно следующей выполняемой командой является команда, хранимая по следующему адресу памяти. Однако некоторые команды, такие как вызовы или переходы, могут привести к тому, что в указатель команд будет загружено новое значение. Таким образом будет вполнен переход на другой участок программы. Значение счётчика команд нельзя прочитать или записать непосредственно. Загрузить в указатель команд новое значение может только специальная команда перехода. Указатель команд сам по себе не определяет адрес, по которому находится следующая выполняемая команда. Специфика заключается в сегментной организации памяти процессора 8086. Для извлечения команды предусмотрен регистр CS (из группы регистров сегментов), где хранится базовый адрес, при этом указатель команд задаёт смещение относительно этого базового адреса. Примечание – Сегментная организация основной памяти рассматривается ниже. Аналогично РОН каждый сегментный регистр играет свою конкретную роль: – регистр CS указывает на код программы; – регистр SS указывает на стек; – регистр DS указывает на данные; – регистр ES указывает на дополнительный сегмент данных, который может использоваться так, как это необходимо. Рассмотрим механизм использования сегментных регистров более подробно. Регистр CS указывает на начало блока памяти объёмом 64 Кбайт (или сегмент кода), в котором находится следующая выполняемая команда. Следующая команда, которую необходимо выполнить, находится по смещению, определяемому в сегменте кода регистром IP, то есть на неё указывает адрес (в форме «сегмент : смещение») CS : IP. Процессор 8086 никогда не сможет извлечь команду из сегмента, отличного от того, который определяется регистром CS. Регистр CS можно изменять с помощью многих команд, включая отдельные команды перехода, вызова и возврата управления. Ни при каких обстоятельствах этот регистр нельзя загрузить непосредственно. Регистр DS указывает на начало сегмента данных, которые представляют собой блок памяти объёмом 64 Кбайт, в котором находится большинство размещаемых в памяти операндов. Обычно для ссылки на адреса памят используются смещения, предполагающие использование регистров BX, SI или DI. В основном сегмент данных представляет собой то, о чём говорит его название: как правило, это сегмент, в котором находится текущий набор данных. Регистр ES указывает на начало блока памяти объёмом 64 Кбайт, который называется дополнительным сегментом. Как и подразумевает его название, дополнительный сегмент не служит для какой-то конкретной цели, но доступен тогда, когда в нём возникает необходимость. Иногда сегмент ES используется для выделения дополнительного блока памяти объёмом 64 Кбайт для данных. Однако доступ к памяти в дополнительном сегменте менее эффективен, чем доступ к памяти в сегменте данных. Особенно полезен дополнительный сегмент, когда используются строковые команды. Все строковые команды, которые выполняют запись в память, используют в качестве адреса, по которому нужно выполнить запись, пару регистров: ES : DI . Это означает, что регистр ES особенно полезен при использовании его в качестве целевого сегмента при копировании блоков, сравнении строк, просмотра памяти и очистке блоков памяти. 16-разрядный регистр состояний FLAGS процессоров 8086 и 80286 содержит всю необходимую информацию о состоянии процессора и результатах выполнения последней команды. Регистр флагов не считывается и не модифицируется непосредственно. Вместо этого в системе команд микропроцессора предусмотрены специальные команды, с помощью которых программист может задать необходимое ему состояние любого из флагов (кроме TF). Примечание – TF – флаг трассировки. Установка его в состояние 1 переводит процессор в одношаговый (покомандный) режим работы, который применяется при отладке программ. В этом режиме процессор автоматически генерирует внутреннее прерывание после выполнения каждой команды с переходом к соответствующей подпрограмме обработки, которая может, например, демонстрировать содержимое регистров процессора на экране дисплея. Для 32-разрядных процессоров регистр флагов также расширен до 32 бит. Биты 0 – 15 имеют прежнее назначение. Ряд флагов добавился с появлением процессоров выше 4-го и выше поколений. Кроме регистров, рассмотренных выше и представленных на рисунке 1.2, в составе процессоров старших поколений имеются: – управляющие регистры, которые хранят признаки состояния процессора, общие для всех задач; – сегментные адресные регистры, предназначенные для ссылок на сегменты и таблицы в защищённом режиме (особенности работы процессора в защищённом режиме рассматриваются ниже); – регистры отладки, предназначенные для задания и управления отладочными точками останова; – расширенный состав регистров тестирования; – модельно – специфические регистры, привязанные к архитектуре конкретного процессора. 9.2.5 КЭШ-память выполняет функции буфера между процессором и основной памятью. Буферная память получила название «КЭШ-память» (Cache – тайник) потому, что она скрыта от программиста в том смысле, что он не может её адресовать и может даже не знать о её существовании. Необходимость включения КЭШ-памяти в архитектуру компьютера обусловлена тем, что основная память высокопроизводительных компьютеров имеет цикл обращения в пределах десятых долей микросекунды, а быстродействие процессора гораздо выше. КЭШ-память построена по другой технологии, чем основная, и имеет цикл обращения порядка нескольких десятков наносекунд, поэтому её быстродействие соответствует быстродействию арифметико-логического устройства и устройства управления процессора. Информационная ёмкость КЭШ-памяти невелика по сравнению с информационной ёмкостью основной памяти, но она должна быть достаточной для хранения как минимум одного блока данных или инструкций, с помощью которого производится обмен. Механизм функционирования буферной памяти представлен на рисунке 9.3.  Для рассматриваемого на рисунке 9.3 случая ЗАПИСЬ в КЭШ-память производится с быстродействием и под управлением основной памяти, а СЧИТЫВАНИЕ – с быстродействием и под управлением центрального процессора. При другом направлении паредачи данных или инструкций (от центрального процессора к основной памяти) ЗАПИСЬ будет производиться с быстродействием и под управлением центрального процессора, а СЧИТЫВАНИЕ – с быстродействием и под управлением основной памяти. Поэтому буферную память ещё называют «эластичной». В общем случае буферная память должна выполнять операции ЗАПИСИ и СЧИТЫВАНИЯ совершенно независимо и даже одновременно. При обращении центрального процессора к основной памяти для считывания в КЭШ-память передаётся блок информации, содержащий нужное слово. Далее производится опережающая выборка – центральный процессор просматривает КЭШ, так как высока вероятность того, что ближайшие обращения будут происходить к словам этого же блока, уже находящимся в КЭШ-памяти. Это приводит к значительному уменьшению среднего времени, затрачиваемого на выборку данных или инструкций, так при их запросе отсутствуют циклы ожидания. Функционирование КЭШ-памяти отличается от функционирования памяти, построенной по принципу стека, который теряет старые данные, если в него считываются новые. Применение специальных алгоритмов позволяет чаще используемые данные хранить в КЭШ дольше, чем другие. Благодаря этому необходимость доступа к основной памяти сводится к минимуму. В современных компьютерах КЭШ-память обычно строится по двух- и трёхуровневой схеме. КЭШ-память первого уровня (L1 Cache) встроена в процессоры класса 486 и выше. Её Информационная ёмкость составляет 8 – 32 Кбайт. Размещение КЭШ-памяти второго (и третьего) уровня (L2 и L3 Cache) зависит от поколения и модели процессора, а её информационная ёмкость значительно больше (это предстоит определить в процессе выполнения лабораторной работы). Согласованность данных и инструкций КЭШ-памяти всех уровней с данными и инструкциями основной памяти обеспечивает КЭШ-контроллер при условии, что обращение к этим данным и инструкциям наряду с процессором могут производить другие активные адаптеры, подключенные к шинам PCI, VLB и т.д. Чтобы повысить производительность процессора, часто используется раздельная КЭШ-память для данных и инструкций – Гарвардская архитектура. Такое решение оправдано тем, что в современных процессорах реализован принцип распараллеливания вычислительных процессов, характерный для многопроцессорных систем. 9.2.6 Основная (оперативная) память ПК строится на основе полупроводниковых интегральных схем большой и сверхбольшой степени интеграции. Интегральные схемы основной памяти расположены на материнской плате (смотри рисунок 9.4), которая может иметь специальные гнезда для установки дополнительных плат памяти, называемой расширенной памятью [Extended Memory Area]. Основная память ПК делится на оперативную память (ОЗУ или RAM – Random-Access Memory), постоянную память (ПЗУ или ROM – Read-Only Memory) и полупостоянную память (ESCD – Extended Static Configuration Data; NV RAM – None Volatile RAM). RAM – запоминающее устройство, непосредственно связанное с CPU и предназначенное для хранения данных и инструкций, оперативно участвующих в выполнении арифметико-логических операций. Оперативная память принадлежит к категории динамической памяти, т.е. ее содержимое во время эксплуатации должно восстанавливаться через определенные промежутки времени.  Каждый запоминающий элемент на один бит представляет собой конденсатор, хранящий информацию в виде заряда. Этот конденсатор небольшой емкости с неидеальным диэлектриком, поэтому его заряд стекает через сопротивление диэлектрика, одновременно искажая информацию и в соседних запоминающих элементах. Наличие заряда на конденсаторе соответствует логической единице. Время устойчивого хранения информации в запоминающем элементе оперативной памяти составляет обычно несколько миллисекунд. После этого информацию необходимо перезаписывать. Такая процедура перезаписи получила название регенерации памяти (Refresh). Регенерация памяти происходит при выполнении каждой процедуры чтения или записи данных в оперативную память. При выполнении любой программы нельзя гарантировать, что произойдет обращение ко всем ячейкам памяти. Поэтому имеется специальная схема, которая через определенные промежутки времени будет осуществлять доступ (для считывания) ко всем строкам памяти. В эти моменты CPU находится в состоянии ожидания. За один цикл схема осуществляет регенерацию всех строк динамической памяти. Время доступа к блоку RAM определяется в первую очередь временем чтения (разряд конденсатора) и регенерацией (заряд конденсатора). Существует также прямая зависимость между плотностью размещения в единице объема кристалла запоминающих элементов и временем доступа. Иными словами, с увеличением плотности и, следовательно, информационной емкости запоминающего устройства время доступа увеличивается. ROM – запоминающее устройство, из которого может производиться только считывание данных. В ROM «зашиты» BIOS, интерпретатор алгоритмического языка BASIC (только в ПК, выпускаемых фирмой IBM), знакогенератор дисплейного модуля. ESCD – область энергонезависимой памяти, используемая для конфигурирования устройств PnP. Она имеет объем несколько килобайт. Сохранность данных при отключении питания ПК обеспечивается маломощным внутренним аккумулятором. NV RAM – данный вид памяти обеспечивает хранение информации и при отсутствии питания. Рассмотрим физический и логический принципы разделения основной памяти. Физически основная память поделена на страницы объемом 64 Кбайт каждая. Информационное пространство от 0 до (1*1024*1024 – 1) байт содержит 16 страниц. В данном случае прямо адресуемая память рассматривается как одна страница и используется для обращения к другим страницам памяти: одна группа бит адреса указывает номер страницы, а другая – адрес ячейки в пределах страницы. Для прямой адресации основной памяти емкостью в 1 Мбайт код адреса должен содержать 20 разрядов. В IBM PC совместимых ПК с процессором 80286 процессор адресовал 224 байт и таким образом предоставлял возможность за счет расширения довести емкость ОЗУ до 16 Мбайт (сколько в этом случае разрядов - двоичных и шестнадцатеричных - содержит код адреса?). У процессоров старших модификаций разрядность шины адреса еще больше. Нулевая страница основной памяти считается обычной или локальной памятью. В ней хранится системное программное обеспечение и операнды, которые используются при прямой или косвенной адресации, когда имеются ограничения на длину адреса, при этом адрес страницы не указывается. Согласно содержанию переводов оригинальных изданий вся адресуемая основная память делится на три области в соответствии с рисунком 9.5: а) область стандартной памяти – CMA [ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||