С. В. Ченцова. В. Чубарьинформатикакрасноярск 2002 введение
 Скачать 0.92 Mb.
|
|
7. ДВОИЧНАЯ СИСТЕМА СЧИСЛЕНИЯ В обычной жизни мы используем десятичную систему счисления, а вот компьютерах используется двоичная система. Т.е. все цифры, буквы и другие знаки, и все команды, для того чтобы их понимал компьютер, представляются в виде наборов двух чисел 0 и 1. 0 и 1 нужно понимать как условные логические значения сигналов, которые не стоит путать с физическими значениями. Физически 0 может соответствовать низкому напряжению, а 1 высокому, или наоборот. Это очень удобно для работы машины. Двоичная система счисления возникла задолго до создания ЭВМ. Ею особенно увлекались в XVI-XIX веках. Г. В. Лейбниц считал ее простой, удобной и красивой. Выбор двоичной системы счисления обусловлен тем, что работа машины с такой системой более надежна и при случайной помехе труднее изменить 0 на 1 или наоборот. Еще одним преимуществом двоичной системы является то, что для обработки потоков информации не нужно иметь много преобразователей, так называемых логических элементов. Основные из них названы условно ИЛИ, НЕ, И. Именно с помощью этих элементов обрабатывается в компьютере информация. Двоичная система оптимальна для максимальной производительности ЭВМ фон-неймановского типа. Как же представляются числа в двоичной системе? Также как и в десятичной. Например, представим число года 1996 в десятичной и в двоичной системе: 1996 (10) =1*10 3 +9*10 2 +9*10 1 +9*10 0 , а любое целое число в десятичной системе счисления представляется так: (a n a n-1 ...a 1. a 0 ) = a n *10 n-1 +a n-1 *10 n .+...+a 1 *10 1 +a 0 *10 0 В двоичной системе счисления это число представляется аналогично: (b n , b n-1 ...b 1 b 0 ) = b n *2 n-1 +...+b 1 *2 1 +b 0 *2 0 , а число года будет выглядеть так: 11111001100 (2) =1*2 10 +1*2 9 +1*2 8 +1*2 7 +1*2 6 +0*2 5 +0*2 4 +1*2 3 + 1*2 2 + + 0*2 1 +0*2 0 =1996 (10) Таблица 7.1. Число Делитель Остаток 289 144 72 36 18 9 4 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 0 0 0 0 1 0 0 1 36 Перевод чисел из десятичной системы в двоичную рассмотрим на следующем примере: переведем в двоичную систему число 289, для этого составим таблицу 7.1, записывая остаток от деления на 2. Если теперь остатки переписать снизу вверх, получим число 289 в двоичной системе: 289 (10) =100100001 (2) , 289=2*10 2 +8*10 1 +9*10 0 =1*2 8 +0*2 7 +0*2 6 +1*2 5 +1*2 4 +0*2 3 +0*2 2 + +0*2 1 +1*2 0 = 256+32+1=289. ЭВМ пользуется простыми правилами сложения и умножения двоичной системы исчисления: Сложение : + 0 1 ПРИМЕР: 111 111=1*2 2 +1*2 1 +1*2 0 =7 + 101 101=1*2 2 +0*2 1 +1*2 0 =5 ______ 1100 1100=1*2 3 +1*2 2 +0*2 1 +0*2 0 0 0 1 1 1 10 Умножение: * 0 1 ПРИМЕР: 111 100011 = 1*2 5 +1*2 1 +1*2 0 = 35 * 101 111 000 111 100011 0 0 0 1 0 1 Контрольные вопросы и задания: 1. Почему информация в ЭВМ представляется в виде 0 и 1? 2. Какие имена у логических элементов? 3. Какие системы исчисления кроме двоичной вам известны? 4. Переведите в двоичную систему число текущего года, вашего года рождения, номер вашего студенческого билета. 5. Сложите, затем перемножьте следующие числа, а результаты переведите в десятичную систему: 1000111011100; 1000111111. 37 8. ПАМЯТЬ, ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 8.1. Определения. Единицы емкости памяти Мы уже говорили, что самой важной частью машины является процессор или микропроцессор (в зависимости от типа машины), а микропроцессор содержит запоминающее устройство или память. Под памятью или запоминающим устройством (ЗУ) понимается устройство, служащее для запоминания, хранения и представления информации. Разные типы ЭВМ имеют, как и люди, разную память. Про человеческую память говорят, что она лучше или хуже, а про компьютерную, что компьютер обладает памятью большей или меньшей емкости. Емкость же памяти измеряется битами или байтами. Бит - это двоичный разряд, элементарная единица информации, принимающая значение 0 или 1. Слово бит – это аббревиатура от BInary digiT, придумана в 1946 году американским ученым-статистиком Джоном Тьюки. Байт - это общепринятая единица информации, используемая для указания объема памяти, скорости передачи информации и других характеристик ЭВМ. Один байт информации состоит из 8 битов. При представлении символьной информации каждая буква, цифра или другой знак, занимают 1 байт. Слово байт(BYTE) – это аббревиатура слов BinarY TErm Современные ПЭВМ имеют память (ОЗУ) от нескольких сотен Кбайт до десятка Мбайт. Емкость жестких дисков составляет несколько десятков или сотен Мбайт. Значения единиц измерения информации, используемые для определения емкости памяти в настоящее время, следующие: 1 Килобайт = 2 10 байт = 1024 байт; 1 Мегабайт = 2 20 байт = 1024 Кбайт; 1 Гигабайт = 2 30 байт = 1024 Мбайт; 1 Терабайт = 2 40 байт = 1024 Гигабайт; 1 Петабайт = 2 50 байт = 1024 Терабайт; 1 Экзабайт = 2 60 байт = 1024 Петабайт; 1 Зеттабайт = 2 70 байт = 1024 Экзабайт; 1 Йоттабайт = 2 80 байт = 1024 Зеттабайт Часто емкость ОЗУ измеряется числом машинных слов. Длина слова кратна байту, т.е. равна 8, 16, 32, 64 бит. Например, емкость ОЗУ компьютера СМ-4 в двухбайтовых словах -128 килослов (Кслов). Чтобы проиллюстрировать возможности современных ЭВМ, приведем примеры того, сколько информации может храниться в 100 Мб памяти: 50000 страниц текста или около 150 романов; свыше 150 цветных слайдов высокого качества; 38 аудиозапись 1,5 часовой речи; 10 минутный фильм качества CD-стерео; 15 секундный фильм высокого качества; 1000-летний протокол операций с банковским счетом крупной фирмы. 8.2. Принципы устройства памяти Производительность и вычислительные способности ЭВМ в значительной мере определяются организацией и характеристиками имеющейся у нее памяти. Так как стоимость памяти составляет существенную часть общей стоимости ЭВМ, то в целях оптимального объема, быстродействия и стоимости, память строится по иерархическому принципу, включая несколько типов памяти, отличающихся организацией характеристиками и назначением. Минимальный элемент памяти бит способен хранить минимально возможный объем информации – одну цифру двоичного исчисления. Биты в памяти любого вида объединяются в байты – восьмерки битов, каждый байт имеет свое имя. Зная имя байта, можно совершать с ним две основные операции: читать из байта и записывать в байт для именования байтов принято использовать неотрицательные целые числа и говорить о номерах или адресах байтов. Взаимодействие процессора с памятью производится с помощью проводов, называемых шинами адресов и шинами данных. По шине адреса передается в ту или в другую сторону адрес байта, а по шине данных сам байт для записи в память или чтения из памяти (рис. 8.1.) передачи адресов и байтов происходят одновременно. Число проводов в шине данных называется разрядностью шины. Обычно разрядность равна 8, 16, 32 или 64 бит. Если шина восьмиразрядная, за одно обращение к памяти можно передать 1 байт или один адрес, а если 16- разрядная, то 2 байта данных и последовательно два адреса этих двух байтов и т. д. Шина адреса тоже может иметь разрядность. По 20-разрядной шине можно передавать одновременно 2 20 =1048576 адресов и, соответственно, обслуживать 1 мегабайт памяти. Для работы на 20-разрядной шине, с памятью более 1 Мб, нужно разбить адрес на две части и передавать в два приема. Такой метод называется мультиплексирование, он позволяет иметь большее количество адресов за счет увеличения времени на передачу адреса. Рис. 8.1. Взаимодействие процессора с памятью Для того, чтобы компьютер знал что нужно делать с информацией – записывать или считывать, шина адреса и шина данных дополняются еще 39 двумя проводами – один называется запрос чтение, другой - запрос записи. Если по одному из них передается 1 бит информации, то производится соответствующая операция. Передача 1 сразу по двум проводам запрещена. Основные характеристики памяти это ее объем в байтах и время доступа (запись/чтение в микро- и наносекундах (мкс и нс)). При этом под шириной доступа понимается объем считанной/записанной за одно обращение к памяти информации. Время доступа и ширина доступа определяют производительность операций с памятью ЭВМ. 8.3. Виды памяти. Для работы с компьютером, в него нужно ввести информацию, которую он будет обрабатывать, т.е. загрузить его память - ЗУ. Важной разновидностью ЗУ является оперативная память или ОЗУ. Именно здесь хранятся программа и данные, необходимые для немедленного решения каждой конкретной задачи. В любом компьютере ОЗУ обеспечивает гибкость его работы и быстродействие. Это быстрая память компьютера. Реализуется ОЗУ по-разному. Существуют магнитные ОЗУ, состоящие из большого числа магнитных ферритовых колец, каждое из которых можно намагничивать в одном или в другом направлении и этим запоминается один бит информации. Сколько колец в таком ОЗУ, столько бит информации, оно может запомнить. Магнитные ОЗУ громоздки, им на смену пришли более быстрые и компактные, состоящие из большого числа триггеров - специальной схемы, способной запомнить один бит информации. Существует еще сверхоперативная память (СВОП) для временного хранения промежуточных результатов. Она представляет собой набор электронных ячеек памяти – регистров, поэтому эту память еще называют регистровой. Регистр – это последовательность триггеров. Другим видом запоминающего устройства в компьютере является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое служит для хранения программ и данных, постоянно необходимых для работы компьютера. К числу таких программ относится, например, самая главная программа BIOS (Basic Input Output System), служащая для загрузки ОС. Их составляют заранее, а затем хранят в ПЗУ. Информация, хранящаяся в ПЗУ энергонезависима, т. е. она сохраняется после выключения компьютера. ПЗУ отличается тем, что позволяет только считывание записанной информации. Для того чтобы стереть или записать новую информацию в ПЗУ, необходимы специальные устройства – праграмматоры и стиратели, а также время порядка 1 часа. Стирание осуществляется через специальное окошко в корпусе микросхемы, либо электрическим способом путем подачи повышенного напряжения на специальные входы программирования. В 1989 году фирмой Intel была выпущена на рынок флэш-память - электронное стираемое программируемое ПЗУ. Флэш-память, обладая свойствами ПЗУ, в то же время, позволяет ее быстро перепрограммировать. Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) используется для записи новых программ и данных, с которыми будет работать 40 пользователь далее постоянно. Этот вид памяти занимает промежуточное место между ОЗУ и ПЗУ. Еще один тип внутренней памяти ЭВМ, время доступа, к которой не более нескольких десятков наносекунд - это кэш-память. Этот вид памяти, ранее используемый только в супер-ЭВМ и мощных ПК, в настоящее время атрибут всех персональных компьютеров. Так, ПК Tulip 4/100 имеет кэш- память объемом 256 Кбайт, что соответствует памяти ПК 80-х годов. Кэш- память устанавливается на быстродействующих БИС и ее быстродействие должно соответствовать скорости работы АЛУ и УУ. Кэш-память используется для хранения наиболее часто используемых программ и данных, осуществляет своего рода связующий буфер между быстрыми устройствами ЦП и более медленной ОП и позволяет получать существенный временной выигрыш. Работу кеш-памяти можно описать следующим образом. Всякий раз, когда процессор намерен прочитать некоторый байт, сначала проводится анализ: есть ли байт с этим адресом в быстрой кэш-памяти? Если он там есть, то происходит чтение из кэш-памяти. Если нет, то байт копируется из основной памяти в кэш- память и передается процессору. Таким образом, кэш-память повышает производительность компьютера. Время доступа в наносекундах для современных ЭВМ следующее: СВОП - 5-15, Кэш - 10-50, ПЗУ - 30-200, ОП - 50-150.Естественно, развитие элементной базы постоянно корректирует эти цифры в сторону уменьшения. Как и во всех вычислительных машинах, подсистема памяти персональных компьютеров имеет иерархическую структуру (рис.8.1). В этой иерархии традиционно выделяются следующие уровни: 1) регистровая память (часто ее также называют местной памятью — МП, регистрами общего назначения — РОН или сверхоперативным запоминающим устройством СОЗУ. Регистровую или местную память образуют регистры общего назначения процессора, большая часть которых доступна программисту и предназначена для хранения адресов, операндов и результатов выполнения операций. Программно недоступные регистры выполняют вспомогательные функции при выполнении ряда команд. Число РОНов обычно лежит в пределах 16-64. Но при небольшой емкости этот уровень памяти имеет самое высокое быстродействие — время доступа не превышает 5-7 нс (10 в минус 9 степени). 2) буферная память (кэш-память или просто кэш) Промежуточное положение между регистровой и основной оперативной памятью занимает кэш-память. Большинство современных микропроцессоров имеет двухуровневый кэш. Первый уровень — внутренний кэш — располагается на кристалле процессора и работает на его тактовой частоте; второй уровень — внешний кэш — устанавливается на системной плате и работает на частоте шины. Объем внутреннего кэша обычно составляет 1-16 Кбайт, а внешнего — от 64 Кбайт до 1 Мбайта, обычно 256 или 512 Кбайт. 41 Рис. 8.2 Структурная схема памяти персонального компьютера 3) основная оперативная память и постоянная память (ОП и ПЗУ, соответственно) Следующий уровень иерархии занимает оперативная память. Ее размер в современных ПК составляет от 1 до 512 Мбайт и больше, а время доступа — от 70 до 200 нс. По организации и методу доступа постоянная память ничем не отличается от оперативной, поэтому ее относят к этому же иерархическому уровню. Объем ПЗУ редко превышает 64-128 Кбайт. Используется она в основном для хранения редко изменяющейся информации, например, программ базовой системы ввода-вывода (Basic Input/Output System—BIOS). Размер оперативной памяти, установленной на вашем компьютере, можно определить в начальный момент его загрузки, при ее тестировании, если эта опция установлена в BIOS. Размер оперативной памяти можно также определить, открыв Мой компьютер — Панель управления — Система и на вкладке Общие появится нужная вам информация. Следует отметить, что тип компьютера Windows 95 определяет неправильно. 42 Оперативная память большой емкости, как известно, может быть построена на микросхемах памяти двух типов: динамического и статического. Ячейка динамической памяти по сути представляет собой конденсатор, образованный структурой полупроводникового кристалла. Зарядка этого конденсатора до некоторого уровня напряжения соответствует переходу ячейки в состояние 1, а разрядка до величины, близкой к нулю, означает переход в состояние 0. Поскольку процессы зарядки и разрядки емкости требуют немалого времени, то это является одной из причин ограниченного быстродействия этого типа памяти. Кроме того, время хранения заряда конденсатором ограничено, так как сопротивление изоляции между его обкладками конечно и, следовательно, всегда присутствуют паразитные токи утечки, которые и приводят к его разрядке. Поэтому, чтобы избежать потери данных, записанных в ячейку, необходимо восстановление в ней информации. Эта процедура выполняется в специальных циклах, получивших название циклов регенерации. Необходимость восстановления информации — один из основных недостатков динамической памяти, так как этот процесс требует не только времени, но и дополнительного оборудования. Память статическою типа строится на элементах памяти с двумя устойчивыми состояниями — триггерах. Поскольку переход триггера из одного состояния в другое возможен только в случае подачи сигнала на соответствующий установочный вход, то отпадает необходимость в регенерации информации, что существенно упрощает управление памятью. Помимо прочего, переход триггера из одного состояния в другое происходит за время существенно меньшее, чем зарядка/разрядка конденсатора, выполняющего роль элемента памяти в микросхемах динамического типа. Вместе с тем статической памяти присущи и недостатки, ограничивающие ее использование при построении запоминающих устройств большой емкости. Во-первых, по сравнению с динамической памятью, она потребляет большую мощность, так как для реализации одной ячейки требуется большее количество электронных компонентов (ячейку памяти динамического типа можно реализовать на одном транзисторе, а статического типа — как минимум на четырех). Во-вторых, она существенно дороже и при одинаковой степени интеграции с динамической памятью обладает существенно меньшей информационной емкостью. Поэтому оперативная память современных компьютеров строится, в основном, на микросхемах памяти динамического типа. 4) внешняя память Верхний уровень структуры занимает внешняя память. Она реализуется в виде различных накопителей со сменными и несменными носителями (накопители на жестких и гибких магнитных дисках, стримеры, накопители на оптических дисках и т.д.). Эта память самая медленная, но самая большая по объему, в частности, информационная емкость накопителей на жестких дисках достигает нескольких десятков гигабайт. По этой причине ее иногда называют массовой. 43 Зачем нужен кэш. Реализация оперативной памяти на микросхемах динамического типа обеспечивает достаточно большую информационную емкость, но низкое быстродействие, поскольку время выборки для них лежит в пределах 70-200 не. Тактовые частоты современных микропроцессоров давно перешли рубеж 1 ГГц, и нетрудно сделать вывод о том, что низкое быстродействие основной оперативной памяти стало одним из основных сдерживающих факторов повышения производительности персональных компьютеров. И действительно, даже при времени выборки из памяти, равном 70 нс, считать из нее информацию за один цикл работы шины не представляется возможным. Следовательно, для согласования скорости работы процессора и памяти необходимо вводить дополнительные циклы ожидания, а это ведет к резкому снижению производительности системы. Реализация основной памяти на быстрых микросхемах статического типа приведет к существенному удорожанию системы и снижению ряда ее эксплуатационных характеристик (увеличению габаритных размеров, веса, росту потребляемой мощности и т.д.). Однако проблема может быть решена, если между медленной оперативной памятью и быстрым процессором поставить буферную память относительно небольшой емкости, но с возможностью работы на тактовой частоте цен трального процессора. Такая память получила название кэш-памяти, и предназначена она для согласования скорости работы процессора и основной памяти системы. Кэш используется не только для обмена данными между центральным процессором и оперативной памятью, но также между оперативной памятью и внешними накопителями. В основу работы кэш-памяти положен принцип |