Особенности процессорных архитектур. Cisc и risc мархитектура. Их краткая характеристика
 Скачать 2.4 Mb.
|
|
материнская плата процессор оперативная память блок питания внешний диск с данными. Система охлаждения. Доп устройства: Видеокарта SSD диски Оптические диски. Сетевые карты (в том числе Wi-Fi) Тв-тюнеры, платы расширения USB, COM и других портов для подключения различных устройств. Единицы измерения рабочих частот процессоров и системных шин: Частота системной шины FSB «Front-side bus» (то есть «системная») - это общая пропускная способность материнской платы, и отвечает за производительность всей системы, измеряется в Бит/с. Пропускную способность можно самостоятельно рассчитать по очень простой формуле: частоту шины (FSB) * разрядность шины. Тактовая частота - величина, характеризующая количество операций, выполняемых процессором за единицу времени. Измеряется в герцах (Гц). Единицы измерения всех видов памяти: Для измерения объема памяти используются следующие единицы: биты, байты, килобайты (Кбайт), мегабайты (Мбайт), гигабайты (Гбайт). Объем (емкость) памяти — максимальное количество хранимой в ней информации. 26. Организация ввода/вывода в вычислительной системе. Системные и локальные шины. Устройства ввода/вывода. Организация ввода/вывода в вычислительной системе: - с помощью программируемого ввода-вывода; (это устройство выполняет требуемое действие, а затем устанавливает соответствующие биты в регистрах состояния ввода-вывода) - ввод-вывод, управляемый прерываниями; (выходной буфер заполняется процессами, которые пишут в устройство, и опустошается во время прерывания) - прямой доступ к памяти (direct memory access – DMA - режим обмена данными между устройствами компьютера или же между устройством и основной памятью, в котором центральный процессор не участвует. Так как данные не пересылаются в ЦП и обратно, скорость передачи увеличивается) Системные и локальные шины: Локальная шина - это компьютерная шина, которая подключает слот(ы) расширения прямо или почти прямо к центральному процессору. Она позволяет ускорить работу с избранными системными устройствами, которые наиболее к этому критичны, например, с графической картой, оперативной памятью и/или дисковым контроллером. В силу различий в устройстве процессоров, локальные шины, почти всегда, не универсальны. Системная шина — (system bus), совокупность линий передачи всех видов сигналов (в том числе данных, адресов и управления) между микропроцессором и остальными электронными устройствами компьютера. Устройства ввода/вывода: Устройства ввода и вывода - устройства взаимодействия компьютера с внешним миром: с пользователями или другими компьютерами. Устройства ввода позволяют вводить информацию в компьютер для дальнейшего хранения и обработки, а устройства вывода - получать информацию из компьютера. Устройства ввода: Клавиатура Мышь и тачпад Сканер Цифровые фото, видеокамеры, веб-камеры Микрофон Устройства вывода: Монитор Графопостроитель Принтер Акустическая система Устройства ввода-вывода: Интерактивная доска Ленточный накопитель Дисковод Сетевая плата Модем 27. Блоки управления командами. Структура устройства управления. Принципы организации систем прерываний. Процедура обслуживания прерываний. Устройство управления (УУ) — блок, устройство, компонент аппаратного обеспечения компьютеров. Представляет собой конечный дискретный автомат. Структурно устройство управления состоит из: дешифратора команд (операций), регистра команд, узла формирования (вычисления) текущего исполнительного адреса, счётчика команд. Возможность прерывания – важное свойство ЭВМ, позволяющее эффективно использовать производительность процессора и прежде всего при организации параллельной работы процессора и периферийных устройств ЭВМ. Основными функциями системы прерывания являются: · запоминание состояния прерываемой программы и осуществление перехода к прерывающей программе; · восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней. В процессе выполнения программ внутри ЭВМ или во внешней среде могут возникнуть события, требующие немедленной реакции со стороны процессора. Реакция состоит в том, что процессор прерывает обработку текущей программы (прерываемой программы) и переходит к выполнению некоторой другой программы (прерывающей программы), специально предназначенной для данного события. По завершении этой программы процессор возвращается к выполнению прерванной программы. Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается сигналом, оповещающим об этом ЭВМ и называемым запросом прерывания. Прерывания могут порождаться внутренними и внешними событиями: Внутренние – сбой в аппаратуре, переполнение разрядной сетки, деление на 0, выход из установленной зоны памяти, попытка обратиться к запрещенной зоне памяти, попытка обращения к защищенным программам операционной системы, сигнал от таймера и т.д. Внешние – запрос от другой ЭВМ, сообщение от аварийных датчиков управляемого технологического процесса, запрос оператора, требование от ПУ операции обмена, запросы на обслуживание клавиатуры, мыши и т.д Вектор состояния формируется в соответствующих регистрах процессора, изменяясь после выполнения каждой команды. Наборы информационных элементов, образующих вектор состояния, отличаются у ЭВМ разных типов и зависят от сложности процессора. Так же есть и вектор прерывания, который содержит всю необходимую информацию для перехода к обработчику, в том числе его начальный адрес. Каждому уровню прерываний, а в простых ЭВМ каждому входу прерывания (периферийному устройству) соответствует свой вектор прерывания, который инициализирует выполнение соответствующего обработчика. Обычно векторы прерывания хранятся в специально выделенных фиксированных ячейках памяти с короткими адресами. Таким образом, для перехода к соответствующей прерывающей программе процессор должен располагать не только вектором прерывания, но и адресом этого вектора. 28. Классификация ЭВМ по областям применения. Классификация ЭВМ по назначению По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные (рис. 5.3). +  Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженернотехнических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах. Характерными чертами универсальных ЭВМ являются: высокая производительность; разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления; обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных; большая емкость оперативной памяти; развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств. Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. Кпроблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы. Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность истоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. Кспециализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем. 29. Цикл обработки команды современного процессора. Программа в ЭВМ реализуется центральным процессором (ЦП) посредством последовательного исполнения образующих эту программу команд. Действия, требуемые для выборки (извлечения из основной памяти) и выполнения команды, называют циклом команды. В общем случае цикл команды включает в себя несколько составляющих (этапов): · выборка команды; · формирование адреса следующей команды; · декодирование команды; · вычисление адресов операндов; · выборка операндов; · исполнение операции; · формирование признака результата; · запись результата. Этап выборки команды. Цикл любой команды начинается с того, что центральный процессор извлекает команду из памяти, используя адрес, хранящийся в счетчике команд (СК). Двоичный код команды помещается в регистр команды (РК) и с этого момента становится «видимым» для процессора. Если длина команды совпадает с разрядностью ячейки памяти, то все понятно. Однако, система команд многих ЭВМ предполагает несколько форматов команд, причем в разных форматах команда может занимать 1, 2 или более ячеек, а этап выборки команды можно считать завершенным лишь после того, как в регистр команды будет помещен полный код команды. Информация о фактической длине команды содержится в полях кода операции и способа адресации. Этап формирования адреса следующей команды. Для большинства ЭВМ характерно размещение соседних команд программы в смежных ячейках памяти. Если извлеченная команда не нарушает естественного порядка выполнения программы, то для вычисления адреса следующей выполняемой команды достаточно увеличить содержимое счетчика команд на длину текущей команды, представленную количеством занимаемых кодом команды ячеек памяти. Длина команды, а также то, способна ли она изменить естественный порядок выполнения команд программы, выясняются в ходе ранее упоминавшегося предварительного декодирования. Если извлеченная команда способна изменить последовательность выполнения программы (команда условного или безусловного перехода, вызова процедуры и т.п), процесс формирования адреса следующей команды переносится на этап исполнения операции. В силу сказанного, в ряде ЭВМ рассматриваемый этап цикла команды следует не за выборкой команды, а находится в конце цикла. Этап декодирования команды. После выборки команды она должна быть декодирована, для чего ЦП расшифровывает находящийся в РК код команды. В результате декодирования выясняются следующие вопросы: находится ли в РК полный код команды или требуется дозагрузка остальных слов команды; какие последующие действия нужны для выполнения данной команды; если команда использует операнды, то откуда они должны быть взяты (номер регистра или адрес ячейки основной памяти); если команда формирует результат, то куда этот результат должен быть направлен. По результатам декодирования производится подготовка электронных схем ЭВМ к выполнению предписанных командой действий. Этап вычисления адресов операндов. Этап имеет место, если в процессе декодирования команды выясняется, что команда использует операнды. Если операнды размещаются в основной памяти, осуществляется вычисление их исполнительных адресов, с учетом указанного в команде способа адресации. Так, в случае индексной адресации для получения исполнительного адреса производится суммирование содержимого адресной части команды и содержимого индексного регистра. Этап выборки операндов. Вычисленные на предыдущем этапе исполнительные адреса используются для считывания операндов из памяти и занесения в определенные регистры процессора. Например, в случае арифметической команды операнд после извлечения из памяти может быть загружен во входной регистр АЛУ. Однако чаще операнды предварительно заносятся в специальные вспомогательные регистры процессора, а их пересылка на вход АЛУ происходит на этапе исполнения операции. Этап исполнения операции. На этом этапе реализуется указанная в команде операция. В силу различия сущности каждой из команд ЭВМ содержание этого этапа сугубо индивидуально. Этап формирования признака результата. На этом этапе определяется, каким получился результат операции. Результат может быть положительным, отрицательным, равным нулю и т.п. Сформированный признак заносится в регистр признака результата (РПР) для дальнейшего использования устройством управления. Этап записи результата. Этап записи результата присутствует в цикле тех команд, которые предполагают занесение результата в регистр или ячейку основной памяти. Фактически его можно считать частью этапа исполнения, особенно для тех команд, которые помещают результат сразу в несколько мест. 30. Многоуровневая организация ЭВМ. Многоступенчатая обработка.  Объекты на уровне 0 называются вентилями. Вентили состоят из аналоговых компонентов (транзисторы) и смоделированы как цифровые средства, на входе у которых цифровые сигналы (или набор 0 и 1), а на выходе – результат простых функций («И» или «ИЛИ»). Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16,32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела. Из вентилей также может состоять сам компьютер. Уровень 1. Микроархитектурный уровень. Представляет собой локальную память ( совокупность регистров) и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция тракта данных состоит в следующем. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, а результат помещается в один из этих регистров. На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами. Раньше этот уровень можно было назвать «уровнем микропрограммирования», потому что раньше он почти всегда был интерпретатором программного обеспечения. Уровень 2. Уровень архитектуры команд. Этот уровень включает набор машинных команд, которые выполняются микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Уровень 3. Уровень операционной системы. Этот уровень включает набор команд уровня 2. Оставшаяся часть команд интерпретируется операционной системой. Особенности уровня: набор новых команд, собственная организация памяти, способность выполнять две и более программ одновременно и др. При построении третьего уровня возможно больше вариантов, чем при построении первого и второго. Между третьим и четвертым уровнями есть существенная разница. Нижние три уровня конструируются не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально предназначены для работы интерпретаторов и трансляторов, поддерживающих более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке и построении новых виртуальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи. Еще одно изменение, появившееся на уровне 4, — способ, которым поддерживаются более высокие уровни. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше обычно, хотя и не всегда, поддерживаются транслятором. Другое различие между уровнями 1,2,3 и уровнями 4,5 и выше — особенность языка. Машинные языки уровней 1,2 и 3 — цифровые. Программы, написанные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые удобны для компьютеров, но совершенно неудобны для людей. Начиная с четвертого уровня, языки содержат слова и сокращения, понятные человеку. Уровень 4. Уровень языка ассемблера. Представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером. Уровень 5. Язык высокого уровня. Обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — BASIC, С, C++, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами. Отметим, что иногда также используется метод интерпретации. Например, программы на языке Java обычно интерпретируются. 31. Оценка производительности вычислительных систем. Единицей измерения производительности компьютера является время: компьютер, выполняющий тот же объем работы за меньшее время является более быстрым. Время выполнения любой программы измеряется в секундах. Часто производительность измеряется как скорость появления некоторого числа событий в секунду. Производительность ЦП зависит от трех параметров: такта (или частоты) синхронизации, среднего количества тактов на команду и количества выполняемых команд. 32. Понятие архитектуры вычислительной системы. Архитектура вычислительной машины – концептуальная модель вычислительной машины, описывающая совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы. Выделяют 6 уровней организации компьютера: Уровень 0 – цифровой логический или аппаратное обеспечение машины (физические устройства); уровень 1 – микроархитектурный, это совокупность регистров процессора, где выполняются микропрограммы; уровень 2 – уровень транслирования команд; уровень 3 – операционная система; уровень 4 – уровень ассемблера (здесь происходит написание прикладных программ, ниже - системных); уровень 5 – язык высокого уровня. 33. Организация автоматической работы ЭВМ. Управляющие функции процессора. Общая организация выполнения программы на ЭВМ. |