ЭВМ и ПУ. Вычислительные машины, системы и сети - курс лекций. Вычислительные машины, системы и сети. Курс лекций
 Скачать 1.45 Mb.
|
15. Арифметико–логическое устройствоАрифметическо-логическое устройство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора, который служит для выполнения арифметических и логических преобразований над словами, называемыми в этом случае операндами. История Разработчик компьютера ENIAC, Джон фон Нейман, был первым создателем АЛУ. В 1945 году он опубликовал первые научные работы по новому компьютеру, названному EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer). Годом позже он работал со своими коллегами над разработкой компьютера для Принстонского института новейших исследований (IAS). Этот компьютер позже стал прототипом для большинства последующих компьютеров. В своих работах фон Нейман указывал устройства, которые, как он считал, должны присутствовать в компьютерах. Среди этих устройств присутствовало и АЛУ. Фон Нейман отмечал, что АЛУ необходимо для компьютера, поскольку оно гарантирует, что компьютер будет способен выполнять базовые математические операции включая сложение, вычитание, умножение и деление. Операции в АЛУ Выполняемые в АЛУ операции можно разделить на следующие группы: операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой; операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой; операции десятичной арифметики; операции индексной арифметики (при модификации адресов команд); операции специальной арифметики; операции над логическими кодами (логические операции); операции над алфавитно-цифровыми полями. Современные ЭВМ общего назначения обычно реализуют операции всех приведенных выше групп, а малые и микроЭВМ, микропроцессоры и специализированные ЭВМ часто не имеют аппаратуры арифметики чисел с плавающей точкой, десятичной арифметики и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции выполняются специальными подпрограммами. К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычитание модулей («короткие операции») и умножение и деление («длинные операции»). Группу логических операций составляют операции дизъюнкция (логическое ИЛИ) и конъюнкция (логическое И) над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство. Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметический сдвиг (сдвигаются только цифровые разряды, знаковый разряд остается на месте), логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обширна группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации. Классификация АЛУ По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов. По способу представления чисел различают АЛУ: для чисел с фиксированной точкой; для чисел с плавающей точкой; для десятичных чисел. По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы. По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие прием из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства. Арифметическо-логическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определенных микроопераций. Генерируемая управляющим блоком последовательность сигналов определяется кодом операции команды и оповещающими сигналами. 16. Иерархия запоминающих устройств.Полупроводниковые, магнитные и оптические ЗУ.Структура памяти, в которой можно выделить несколько различных по характеристикам уровней, называется иерархической. При иерархической организации структуры памяти обычно каждый уровень (ступенька) памяти с большим быстродействием имеет меньшую емкость ЗУ, использующиеся на самом высоком уровне иерархии, имеют наименьшую информационную ёмкость и наибольшее быстродействие. Эту память часто называют набором регистров и иногда относят к устройствам обработки, она позволяет выполнять некоторые логические и арифметические операции. На следующей ступени иерархии ЗУ ЭВМ находятся сверхоперативные ЗУ (СОЗУ) - устройства, имеющие быстродействие, соизмеримое с быстродействием процессора, и служащие для хранения информации (чисел и команд), которая наиболее часто встречается в процессе решения задач. На третьей ступени иерархии находится большая быстрая память, называемая оперативной. Оперативные ЗУ (ОЗУ) имеют более значительную информационную ёмкость и работают с циклом, в несколько раз большим цикла процессора. Для увеличения скорости обмена информацией между процессором и ОЗУ последние иногда разделяют на несколько модулей (блоков или секций) и обращаются к различным блокам непосредственно или через СОЗУ. На самом нижнем уровне иерархии находится относительно медленная, но вместительная внешняя память. Во внешнем ЗУ (ВЗУ) обычно хранится вся вводимая в машину информация. Чтобы избежать усложнения конструкции системы, к внешним ЗУ не предъявляются требования по быстродействию. ВЗУ являются наиболее экономичными для хранения больших массивов информации. Классификация методов доступа к ЗУ Способ организации доступа. По этому признаку различают ЗУ с непосредственным (произвольным), с прямым (циклическим) и последовательным доступом. Непосредственный (произвольный) доступ. В ЗУ этого типа время доступа, а поэтому и цикл обращения не зависят от места расположения элемента памяти, с которого производится считывание или в который записывается информация. В большинстве случаев это электронные ЗУ, в которых непосредственный доступ реализуется с помощью электронных логических схем. В ЗУ с произвольным доступом цикл обращения составляет от 1-2 мкс до единиц наносекунд. Независимость от положения запоминающего элемента в запоминающем массиве имеет место только до определенной частоты обращений процессора к ЗУ. При увеличении частоты обращений до единиц наносекунд начинает сказываться геометрическое положение запоминающего элемента в массиве. Это обусловлено, прежде всего, конечной скоростью распространения электрического сигнала в изолированном проводнике, которая составляет примерно 60 % от скорости света. Число разрядов, считываемых или записываемых в память с произвольным доступом параллельно во времени за одну операцию обращения, называется шириной выборки. В других типах ЗУ используют более медленные электромеханические процессы, поэтому и цикл обращения больше. Прямой (циклический) доступ. К ЗУ этого типа относятся устройства на магнитных, оптических и магнитооптических дисках, а также на магнитных барабанах (последние в настоящее время используются очень редко). Благодаря непрерывному вращению носителя информации возможность обращения к некоторому участку носителя для считывания или записи циклически повторяется. В таких ЗУ время доступа составляет обычно от долей секунды до единиц миллисекунды. Последовательный доступ. К ЗУ этого типа относятся устройства на магнитных лентах. В процессе доступа производится последовательный просмотр участков носителя информации, пока нужный участок не займет некоторое исходное положение. Время доступа в худшем случае составляет минуты, поскольку магнитофон будет вынужден осуществить перемотку всей кассеты. Характеристики ЗУ Важнейшие характеристики ЗУ – емкость, удельная емкость, быстродействие, которые характерны для любых типов ЗУ, а также некоторые методы их классификации. Емкость памяти определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться одновременно. Емкость измеряется в битах, байтах, машинных словах (об этом говорилось в самом начале курса). Используют обычно более крупные единицы измерения: 1К = 1024 (Кбит, Кбайт, Кслов), 1024 Кбайт = 1 Мбайт, 1024 Мбайт = 1 Гбайт. Удельная емкость определяется как отношение емкости ЗУ к его физическому объему и характеризует степень технологического совершенства ЗУ. Удельная стоимость определяется как отношение стоимости ЗУ к его емкости и определяет, помимо технологического совершенства конкурентоспособность изделия на рынке. Быстродействие памяти. Это время, необходимое на поиск нужной единицы информации и ее считывание; Полупроводниковые, магнитные и оптические ЗУ: Полупроводниковые ЗУ подразделяются на ЗУ с произвольной выборкой и ЗУ с последовательным доступом. ЗУПВ подразделяются на: статические оперативные запоминающие устройства (СОЗУ); динамические оперативные запоминающие устройства (ДОЗУ). ЗУ с последовательным доступом подразделяются на: регистры сдвига; приборы с зарядовой связью (ПЗС). Магнитные запоминающие устройства. Носитель информации - материальный объект, используемый для хранения информации. Накопитель - механическое устройство, управляющее записью, хранением и считыванием данных. Различают накопители на гибких магнитных дисках НГМД и накопители на жестких магнитных дисках НЖМД, накопители на оптических и магнитооптических дисках (НОД). Накопитель на жестком магнитном диске НЖМД состоит из нескольких магнитных дисков МД, насаженных на один вал двигателя, вблизи которых расположены магнитные головки, связанные с механическим приводом. Информацию на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек (треков). Цилиндр -- совокупность дорожек МД, равноудаленных от его центра. Каждая дорожка МД разбита на секторы -- области, определяемые идентификационными метками и номером. В одном секторе дорожки может быть помещено 128, 256, 512 или 1024 байта, но обычно 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОЗУ осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер -- минимальный объем размещения информации на диске, воспринимаемый операционной системой, он состоит из одного или нескольких смежных секторов дорожки. Форматирование диска -- разметка на диске дорожек и секторов, маркировка дефектных секторов, запись служебной информации. Файл - область внешней памяти (НГМД, НЖМД, НОД), используемая для хранения массива однотипных данных (текстовых, графических, звуковых и т.д.). Каждому файлу выделяется целое число кластеров, которые могут находиться в любом месте диска, то есть необязательно быть смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называют фрагментированными. Процедура перезаписи информации, при которой файлы размещаются в последовательных секторах на смежных дорожках, называется дефрагментацией диска. НГМД с форм-фактором 3,5" имеют емкость 1,44 Мбайт, емкость сектора 512 байт, доступ к информации 0,1-1 c, скорость чтения/записи 50 кбайт/с. НЖМД имеет емкость 20-40 Гбайт, время доступа 1-100 мс, скорость чтения/записи 1 Мбайт/с, скорость вращения 3600 об/мин. Емкость Zip-дисков - 100 Мбайт и выше. Емкость компакт-диска CD-ROM - 700 Мбайт. Накопитель на магнитной ленте (стример) состоит из лентопротяжного механизма, магнитной ленты и магнитной головки. Кассеты с магнитной лентой (картриджи) имеют емкость более 2000 Мбайт. Стримеры имеют высокую инерционность, используются для резервного копирования и архивирования информации. В машинах-серверах и суперЭВМ применяются дисковые массивы RAID (Redundant Array of Independent Disks -- матрица с резервируемыми независимыми дисками), в которых несколько накопителей на жестких дисках объединены и образуют один большой диск. Оптические запоминающие устройства:  Один из первых оптических накопителей информации - видеопластинка Laservision фирмы Philips, представляла собой плексигласовый диск диаметром 20 или 30 см с тонким алюминиевым слоем, покрытым защитной пленкой из лака. При нанесении информации в алюминиевом слое делаются углубления, располагаемые вдоль дорожек, как в обычных грампластинках. Для считывания информации применяются два различных способа: CAV (Constant Angular Velocity) - считывание при постоянной угловой скорости; CLV (Constant Linear Velocity) - считывание при постоянной линейной cкорости. Видеокомпакт-диски (CDV - Compact Disk Video) предназначены для воспроизведения на специальном видеопроигрывателе. При диаметре диска 12 см на него наносится двадцатиминутная цифровая запись звука и шестиминутный аналоговый видеосигнал; при диаметре диска 20 см на нем содержится двадцатиминутная запись аналогового видеосигнала и цифрового звукового сопровождения; при диаметре диска 30 см емкость диска такая же, как у видеопластинки Laservision. Компакт-диск СDROM (Compact Disk - Read Only Memory) содержит информацию только в цифровом виде. Диск имеет прозрачную поликарбонатную основу толщиной 1,2 мм и диаметром 8 или 12 см. Конструкция аналогична пластинке Laservision, работает по принципу CLV, угловая скорость изменяется от 200 до 500 оборотов в минуту. На одном дюйме по радиусу умещается 16000 дорожек (тогда как на одном дюйме флоппи-диска - всего 96). Емкость компакт-диска составляет около 650 Мбайт. Компакт-диск CD-ROM/xA (eXtended Architecture) отличается от CD-ROM тем, что информация перед нанесением на диск подвергается сжатию. Диск может содержать двоичные коды, графику, видео, текст, аудиоданные. Интерактивные компакт-диски CD-i (Compact-Disk - interactive) предназначены для потребительского рынка, используются без ЭВМ. Их производство основано на технологии CD ROM, но имеет более простое управление. Диски Photo-CD (совместная разработка Philips и Kodak) предназначены для хранения в цифровом формате кино- и фотокадров. На диске размещается до 100 кадров, запись полного диска производится за один час. Bridge-Disk выполнен по стандарту, который позволяет воспроизводить его на проигрывателе для Photo-CD, дисководе для CDROM/XA или проигрывателе для CD-I. Компакт-диски CD-WO позволяют дозаписывать информацию за несколько сеансов. После окончательной записи создается оглавление диска. Обычное устройство для чтения CD ROM позволяет читать только первую зону CD-WO. Аналогичные возможности предоставляют компакт-диски CD-R, которые допускают дозапись информации по мере ее накопления. Компакт-диски CD-WO и CD-R могут изготовляться по различным технологиям: диск может быть покрыт чувствительным фотолаком, в котором лазер прожигает отверстия, испаряя лак; на подложку диска могут быть нанесены два слоя: один - из искусственных полимеров (имеющих малую теплоту плавления), другой - металлический. При нагревании металла лазерным лучом находящийся под ним слой полимера испаряется, что приводит к образованию пузырька в металлическом слое и, как следствие, к нетиповому отражению считывающего луча в этом месте; поверхность диска может быть покрыта слоем галий-сурьмы или индий-сурьмы, которые при воздействии на них лазерного луча расплавляются и переходят из кристаллического в аморфное состояние, что сопровождается изменением условий отражения и может быть зафиксировано считывающим лазерным лучом. В основе магнитооптических компакт-дисков (CD-МО) лежит воздействие магнитного поля на нагретый до критической температуры материал. В результате этого изменяются отражающие свойства покрытия диска или производится его намагничивание в определенном направлении. Магнитооптические диски позволяют записывать, читать и стирать информацию. На таких дисках могут быть выделены зоны, предназначенные только для чтения или для многократной записи. CD-МО выпускаются в виде мини-дисков диаметром 2,5 дюйма в пластмассовом корпусе трехдюймовой дискеты. Как для записи, так и для воспроизведения магнитооптических дисков необходимы специальные устройства. Емкость таких дисков составляет не менее 640 Мбайт. Из них могут создаваться магнитооптические библиотеки с автоматической сменой дисков (время на смену дисков составляет несколько секунд), емкость которых измеряется сотнями Гбайт. Флоптики - это внешние запоминающие устройства, имеющие две головки: одну - обычную, для работы с дискетами DD и HD, другую - магнитооптическую. Емкость флоптических дискет составляет 21 Мбайт. Разметка флоптической дискеты производится лучом лазера, благодаря чему дорожки плотнее располагаются друг к другу. У флоптических дискет используется тот же магнитный материал, что и у обычных дискет емкостью 2,88 Мбайт, -барий-феррит. Количество магнитооптических дорожек на одной стороне -753, поперечная плотность записи-1245 дорожек на дюйм, продольная плотность записи - 23980 бит на дюйм (для сравнения - у DD-дискет - 8717 у HD-дискет - 17434). |