архитектура. Архитектура Архитектура
 Скачать 7.44 Mb.
|
|
Архитектура Архитектура - это совокупность свойств и основных характеристик, раскрывающих возможности вычислительных систем (функциональнаые средства, принципы обработки данных, организация вычислительного процесса, логическаяя организация совмествной работы различных устройств). Первая архитектура ЭВМ была разработана до её появления, и ей были свойственны следующие характеристики: Единственная и последовательно адресуемая память; хранение программ и данных в одной памяти; последовательное выполнгте команд программы до появления специальных указаний( команд перехода ). Фон-неймовская архитектура Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джоном фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую(фон-неймоновскую)архитектуру ЭВМ Принципы фон Неймана Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ,кодируется с помощью двоичных символов(сигналов) Принцип программного управления. Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности. Принцип однородоности памяти. Программы и данные храняться в одной и той же памяти. Поэтому в ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число,текст или команда. Надо команжами можно выполнять такие же действия как и над данными. Принцип адресности. Стректурно оснвоная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых которая доступна процессору в произвольеый момент времени. Модифицированная архитектура Спососбы разрешения проблемы большого количества выводов и высококй стоимости стала ииспользовать общие шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной гарвадской архитектурой. simd - вычислительные системы с одиночным потоком команд и множественным потоком данных Классификация  Поэтому на сегодня в основном это: Веторные компьютерные использующие специально разработанные векторные центральные процессоры - при работе в векторном режиме они обрабатывают данные практически параллельно, благодаря этому скорость обработки возрастает в разы сравнительно со скалярнным режимом; Матричные процессоры, также имеющие векторные команды и проводящие векторную обработку, но не конвейерным методом как веторные суперкомпьтеры, а матрицами процессоров. misd - вычислительные системы с мнодественным потоком команд и одиночным потоком данных. misd системы - распределенные мультипроцессорные системы с общим mimd - этот класс охватывает большинство многопроцессорных вычислительных систем, включая невекторные суперЭВМ. Класс ключает все уровни параллелизма, начиная с конвейера операции. Подразумеваеися не только многопроцессорность в смысле аппаратного обчеспечения но и многопроцессорность Классификация вычислительных систем. Логические элементы.  0 - размокнут ключ 1 - замкнут ключ 0 - не горит 1 - горит      F = х1х2х3 + /х1 х2 + /x3 + x1x3    Минимизация функций. В производственных ситуациях и при проектировании сложной электронной аппаратуры на логике часто приходится решать задачи, снязанные с упрощением электропных схем, но при этом заданные функции должны быть реализованы в полном объеме, Решить такую задачу можно, используя законы преобразования логических функций - теорему де Моргана, операции склеивания и поглощения. Рассмотрим одну из задач. Пусть имеем функцию: F=f1 f2 +f3 + f4 + f5 F(x1, x2, x3,) = (-x1),x2, -x3, + x1,-x2, -x3, + x1, -x2,-x3, + x1,x2, -x3, + x1,x2,x3, Построим схему для реализации заданной функции.  Схемная реализация заданной логической функции. Применим операции склеивания и поглощения: XY + X(-Y) = X(Y +(-Y)) = X X + XY = X(1+Y) = X Операции склеивания проводят до тех пор, пока они возможны. Склеим попарно члены: 1 - 4 - результат склеивания x, х,(x, + x, ) = x,х, 2-3 x,x2(x, +x3) = x,x2 2 - 4 x,x,(x2 +x2) = x1x3 4-5 x1x2(x3 + x3) = x1x2 3-5 x1x3(x2 + x2) = x1x3 Новая упрощённая функция примет вид: F(x1,x2,х3)=x2x3 +х1х2 +х1х3 +х1x2 +х1х3 Произведем повторное скленмание функций: Новая минимизированная фуниция примет вид F(x,,x,x,) = x,x, +x+x, =x,+ F(x,,x,,x,) =x,x, + Построим нопую минимизированную функцию. Реализация минимизированной функции. Сравним первоначальную реализацию функции с минимизированной, из которых видно, что количество первоначальных элементов схемы - 9, а после минимизации только 3. То, что данная схема может реализовать первоначальную функцию, легко проверить по таблице истинности для любой комбинации входных переменных. Тригер Тригер - это логическая схема которая сохраняет один бит информации. Триггеры снабжаются различными типами входов которые приведены ниже: R - reset раздельный вход установки в состояние 0 S - set раздельный вход установки в состояние 1 K - вход установки универсального триггера в состояние 0 J - вход установки универсального триггера в состояние 1. T - счетный вход D - delay информационный вход установки триггера в состоянние соответствующее уровню на этом входе C -испольнительный управляющий вход V - разрешающий, управляющий вход. По характеру реакции на входные сигналы триггеры делятся на 2 асинхронные и синхронные. Асинхронный RS тригер с прямыми входами В современной электронике широкое распространение получили комбиниованные интегральные триггеры особенностью которые является совмещение в одном корпусе   Двухтактный рс-триггер  D-триггеры  JK-триггеры 10.10.2022 Регистры Параллельный регистр Основной функцией регистров является хранение одного многорязрядного числа, представленного в двоичном коде и сдвига информации на нужное число разрядов. Многоразрядное число может быть представлено в любой двоично-кодированной системе счисления. Регистры строятся в виде набора триттеров, каждый из которых предназначен для храения шифр определенного разряда двоичного числи. Регистр для хранспия п- двончного числа разрядов должен иметь и тригтеров. Для ввода информации в регистр примениют два варнанта операций. Параллельный ввод и последовательный нвод нн- формации. Отсюда вытекаети RG название регистров - последовательный и параллельный. Пусть на вход регистра поступает парафазный код. Под парафазным подразумевают прямой и обратный код этого же числа. С приходом информации на информационные входы D - триггеров произойдет ее запись в каждый из триггеров по разрешению Шифраторы 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 1000 5 0100 6 1100 7 0110 8 0111 9 1001 Шифраторы используются для преобразования одного кода в другой Как преобразователи двоичного кода входят в состав других систем Мультиплекса это электронное устройство которые собирают информацию и передает единственный сигнал на вычислительную систему. Микропроцессоры Микропроцессор – процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических логических операций управления, записанные в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем. Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах. В конце 1990-х главным представителем для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP) из – за утечек тока и других факторов. “Мозг” компьютеров, роботов и автоматических систем Все микропроцессоры можно разделить на несколько групп: • Микропроцессоры с полным набором команд – CISC (Complete Instruction Set Computing); • Микропроцессоры с сокращенным набором команд – RISC (Reduced Instruction Set Computing); • Микропроцессоры с минимальным набором команд – MISC (Minimum Instruction Set Computing); • VLIW – процессоры (Very Long Instruction Word) – Сверхдлинное командное слово Архитектура процессоров с параллелизмом вычислений • Многоядерные процессоры. Микропроцессоры типа CISC используются в большинстве современных IMB PC – совместимых компьютерах. Микропроцессоры типа RISC содержат набор только простых, чаще всего встречающихся в программах команд. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится автоматическая сборка из простых команд. У RISC – процессоров получается регулярная структура простых команд, поэтому комбинация из нескольких команд выполняется быстрее чем одна, эквивалентная этой комбинации сложная команда. Такие микропроцессоры работают быстрее, команда выполняется за один машинный цикл, тогда как в других машинах – за несколько машинных циклов. Большинство операций в RISC – процессорах – типа “регистр – регистр”, а обращение к основной памяти происходит только для выполнения простых операций загрузки в регистр и занесения в память. Уменьшается число логических вентилей и объем микропрограммного ПЗУ, необходимых для декодирования и реализации сложных команд, поэтому размеры MП С RISC – архитектурой меньше и соответственно стоимость тоже ниже. Технические характеристики процессоров Характеристики процессора определяют возможности и области практического использования ПК, а также их техническую совместимость. Основными характеристиками микропроцессора являются разрядность (количество бит информации, обрабатываемых одновременно), тактовая частота (количество тактов в единицу времени) и количество инструкций, исполняемых за один такт. Виды По характеру временной организации работы микропроцессоры делятся на синхронные и асинхронные. В синхронных микропроцессорах время выполнения очередной команды задается устройством управления. В асинхронные же следующая команда исполняется после получения сигнала о том, что предыдущая закончила своё выполнение. По количеству исполняемых одновременно программ различают однопрограммные и многопрограммные микропроцессоры. Однопрограммные начинают выполнять новую программу только после завершения уже исполняющейся, а многопрограммные могут исполнять сразу несколько программы и используют механизм прерываний для разделения процессорного времени между разными процессами. По физическому исполнению выделяют однокристальные и многокристальные процессоры, а по назначению - универсальные и специализированные. К универсальным относятся такие микропроцессоры, как центральный процессор, к специализированным - аудиопроцессор, графический процессор, математический сопроцессор и др. Процессоры на базе БИС и СБИС получили название микропроцессоров (МП). Помимо технологии изготовления, модели процессоров отличаются архитектурой, тактовой частотой и разрядностью. Оптический процессор – все операции выполняются над оптическими сигналами, обрабатываются потоки света – фотоны Квантовый процессор – работа базируется на квантовых эффектах. Кубит – квантовый бит. Молекулярный процессор – используется идя вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве. |