1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ




Название1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ
страница4/13
Дата публикации21.03.2013
Размер1.25 Mb.
ТипДокументы
vbibl.ru > Информатика > Документы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

^ 15. Вентили, булева алгебра и схемы
Работа аппаратных средств компьютера основана на цифровых схемах. В цифровых схемах существуют лишь два логических значения. Эти логические значения создаются аналоговыми устройствами.

Мельчайшие электронные устройства - вентили - могут вычислять различные функции от этих двузначных сигналов. Вентили представляют собой основу аппаратного обеспечения цифровых компьютеров.

Инвертор представляет собой простейший вентиль типа НЕ, основанный на одном транзисторе. Еще два простейших вентиля получаются последовательным и параллельным соединением пары транзисторов - соответственно НЕ-И и НЕ-ИЛИ, которые вычисляют эти логические функции над двумя логическими аргументами. Если их выходные сигналы подавать в инвертор, получим вентили И и ИЛИ. Эти пять типов вентилей составляют основу цифрового логического уровня.

Для описания работы вентилей может использоваться булева алгебра. Произвольная булева функция n переменных имеет 2n всевозможных комбинаций значений переменных. Поэтому такую функцию можно задать таблицей с 2n строками. В каждой строке дается значение функции при соответствующем наборе аргументов. Такая таблица называется таблицей истинности.

Из математической логики известно, что любая булева функция n переменных может быть выражена через свои аргументы в дизъюнктивной нормальной форме - это логическая сумма не более чем 2n слагаемых, представляющих собой логические произведения n множителей.

Отсюда также следует, что каждая булева функция может быть реализована в виде электронной схемы с использованием сигналов, представляющих значения входных и выходных переменных, и набора вентилей (например, И, ИЛИ и НЕ).

При разработке электронных схем возникает задача сокращения числа вентилей. Это нужно в целях снижения стоимости, уменьшения занимаемого места, сокращения потребляемой энергии и т. п. Чтобы упростить схему, нужно найти эквивалентную ей, вычисляющую ту же функцию с меньшими затратами. Для этого используются законы булевой алгебры (например, законы Де Моргана).


^ 16. Виды цифровых логических схем. Микросхемы процессоров
Наборы вентилей создаются в виде модулей, называемых интегральными схемами (ИС) или микросхемами. В зависимости от количества вентилей микросхемы можно (приближенно) разделить на несколько классов:

  • МИС (малая интегральная схема): до 10 вентилей;

  • СИС (средняя интегральная схема): до 100 вентилей;

  • БИС (большая интегральная схема): до 100000 вентилей;

  • СБИС (сверхбольшая интегральная схема): свыше 100000 вентилей (до сотен миллионов).

Многие применения цифровой логики требуют наличия схем с несколькими входами и одним или несколькими выходами, в которых выходные сигналы определяются значениями входных сигналов. Такая схема называется комбинационной. Существует несколько разновидностей комбинационных схем -мультиплексор, декодер, компаратор, программируемая логическая матрица и т. д. Важнейшим видом комбинационных схем являются арифметические схемы. Они лежат в основе построения арифметико-логического устройства (АЛУ). Сюда, в частности, относятся схемы сдвига и сумматоры.

Существует еще один очень важный вид микросхем, не являющихся комбинационными, - запоминающие схемы. Их выходные сигналы не определяются текущим состоянием входных. Например, из двух вентилей можно составить так называемую SR-защелку.

Работа многих цифровых схем зависит от порядка, в котором выполняются частичные действия. Иногда одно действие должно предшествовать другому, иногда два действия должны происходить одновременно. Для контроля временных отношений в цифровые схемы встраиваются тактовые генераторы. Тактовый генератор - это специальная схема, которая вызывает серию импульсов, одинаковых по длительности и с равными интервалами. Временной интервал между началом двух соседних импульсов называется временем такта. Для достижения высокой точности частота тактового генератора обычно контролируется кварцевым генератором.
Современный процессор помещается на одной микросхеме. Микросхема процессора содержит набор выводов, через которые он осуществляет обмен информацией с внешним миром. Эти выводы можно разделить на три типа: адресные, информационные и управляющие. Они связаны с соответствующими выводами на микросхемах памяти и микросхемах устройств ввода-вывода посредством шины - набора параллельных проводов. Чтобы выполнить очередную команду, центральный процессор сначала по адресным выводам посылает в память адрес этой команды. Затем он запускает одну или несколько линий управления, чтобы сообщить памяти, что ему нужно (например, прочитать слово). Память выдает ответ, помещая требуемое слово на информационные выводы процессора, и посылает также сигнал о выполнении задания. Когда процессор получает этот сигнал, он принимает слово и выполняет выбранную команду. Выполняемая команда может требовать чтения или записи слов, содержащих данные. В этом случае весь процесс повторяется для каждого дополнительного слова. (на обороте…)

17. Шины
Шины могут быть внутренними по отношению к процессору и служить для обмена данными с АЛУ или внешними и свя­зывать процессор с памятью или устройствами ввода-вывода. В этом разделе мы рассматриваем внешние шины.

Первые персональные компьютеры имели одну внешнюю шину, которая назы­валась системной шиной. Современные ПК обычно содер­жат специальную шину между центральным процессором и памятью и по крайней мере еще одну шину для устройств ввода-вывода.

При создании шины должны соблюдаться строгие правила о том, как она работает. Все связанные с шиной устройства должны подчиняться этим правилам. Только в этом случае возможно использование в компьютере многочисленных пла­т, выпускаемых третьими лицами. Эти правила называются протоколом шины.

Существует большое количество широко используемых в компьютерном мире шин. К ним относятся: Omnibus (PDP-8), Unibus (PDP-11), IBM PC (PC/XT), ISA (PC/AT), EISA (80386), MicroChannel (PC/2), PCI (различные персональные ком­пьютеры), SCSI (различные персональные компьютеры и рабочие станции), Nubus (Macintosh), Universal Serial Bus (современные персональные компьютеры), FireWire (бытовая электроника), VME (оборудование в кабинетах физики) и Cаmас (фи­зика высоких энергий). Вместо этого многообразия удобнее было бы иметь одну или две, но стандартизация в данной области вряд ли возможна, поскольку уже вложено слишком много средств в различные несовместимые варианты.

Двоичные сигналы, которые выдают устройства компьютера, часто недоста­точно интенсивны, чтобы активизировать шину, особенно если она достаточно длинная и если к ней подсоединено много устройств. По этой причине большин­ство задающих устройств шины обычно связаны с ней через микросхему, которая называется драйвером шины, по существу являющуюся двоичным усилителем. Сходным образом большинство подчиненных устройств связаны с шиной прием­ником шины. Для устройств, которые могут быть и задающим, и подчиненным устройством, используется приемопередатчик шины. Аналогично процессору шина имеет адресные, информационные и управляющие линии, однако между выводами процессора и типами сигналов шины может не быть взаимно однозначного соответствия. Тогда для преобразования сигналов используется микросхема-декодер.

Ширина шины - наиболее очевидный параметр при ее разработке. Чем больше адрес­ных линий содержит шина, тем к большему объему памяти может обращаться про­цессор. Однако для широких шин требуется больше прово­дов. Поэтому необходим компромисс между максимальным размером памяти и стоимостью системы.

Важным является также количество информационных линий. Увеличить пропускную способность шины за счет повышения скорости ее работы довольно сложно, посколь­ку сигналы на разных информационных линиях могут передаваться с разной скоростью (перекос шины). Чем быстрее работает шина, тем больше перекос. Поэтому обычно для увеличения производительности шин добавляются новые линии. Иногда разработчики отдают предпочтение мульти­плексной шине, в которой нет разделения на адресные и информационные ли­нии. (на обороте…)

^ 18. Примеры центральных процессоров: Pentium II
С точки зрения программного обеспечения, Pentium II представляет собой 32-разрядную машину. Он содержит ту же архитектуру системы команд, что и про­цессоры 80386, 80486, Pentium и Pentium Pro, включая те же регистры, ко­манды и встроенную систему с плавающей точкой.

С точки зрения аппаратного обеспечения, Pentium II является существенным шагом вперед, поскольку может обращаться к 64 Гбайт физической памяти и переда­вать данные в память и из памяти блоками по 64 бита.

На микроархитектурном уровне Pentium II представляет собой Pentium Pro с командами ММХ. Команды выбираются из памяти заранее и разбиваются на микрооперации. При выполнении в одном цикле нескольких микроопераций Pentium II работает как супер­скалярная машина.

Pentium II имеет двухуровневую кэш-память. Кэш-память первого уровня со­держит 16 Кбайт для команд и 16 Кбайт для данных, а смежная кэш-память второ­го уровня - еще 512 Кбайт. Строка кэш-памяти состоит из 32 байт. Тактовая час­тота кэш-памяти второго уровня в два раза меньше тактовой частоты центрального процессора. Тактовая частота центрального процессора - от 233 МГц и выше (до 450 МГц).

В системах с процессором Pentium II используются две внешние шины, обе они синхронные. Шина памяти используется для доступа к главному ОЗУ; шина PCI используется для сообщения с устройствами ввода-вывода.

Компьютер на базе Pentium II может содержать один или два центральных процессора, которые разделяют общую память. Для предотвращения конфликтов существуют специальные системы поддержки.

Одна из главных проблем процессора Pentium II - управление режимом электропитания. Имея высокую тактовую частоту, он выделяет большое количество тепла (от 30 до 50 Вт). По этой причине SEC снабжен радиатором, рассеивающим накопившееся тепло. Компания Intel нашла также способ вводить центральный процессор в режим пониженного энергоснабжения (состояние “сна”), если он не выполняет никаких действий, и вообще выключать его (вводить в состояние “глубокого сна”), если есть вероятность, что он не будет выполнять никаких действий некоторое время. В последнем случае значения кэш-памяти и регистров сохраняются, а тактовый генератор и все внутренние блоки отключаются.

Шина памяти процессора Pentium II работает в конвейерном режиме, при этом в ней может происхо­дить одновременно 8 операций. Обращения процессора к памяти, которые называются транзакциями, имеют 6 стадий:

  1. арбитраж шины;

  2. запрос;

  3. сообщение об ошибке;

  4. проверка на наличие нужного слова в другом процессоре;

  5. ответ;

передача данных. (на обороте…)


Обычно работа видеотерминала относится к одному из следующих режимов: символьному, графическому и RS-232-C. Они отличаются друг от друга тем, каким образом компьютер обменивается с терминалом информацией.
^ Символьные терминалы

На видеоплате персонального компьютера находится специальная область памяти - видеопамять, а также имеется несколько электронных устройств для получения доступа к шине и генерирования видеосигналов. Чтобы отобразить на экране символы, центральный процессор посылает их в видеопамять в виде байтов. С каждым байтом-символом связывается байт-атрибут, который описывает, как именно символ должен быть изображен на экране.
^ Графические терминалы

При этом способе вывода на экран видеопамять рассматривается не как массив символов, а как массив точек изображения, которые на­зываются пикселами. Каждый пиксел может быть включен или выключен.

Графические терминалы обычно используются для поддержки изображений, содержащих несколько окон. Окном называется область экрана, используемая некоторой программой для вывода информации.
RS-232-C

В целях всеобщей совместимости терминалов и компьютеров ^ Ассоциация стандартов в электронной промышленности разработала интерфейс под названием RS-232-C, который используется для побитной передачи символов.

Чтобы обмениваться информацией, компьютер и терминал должны содер­жать микросхемы ^ UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter - универ­сальный асинхронный приемопередатчик), а также логическую схему для доступа к шине. Чтобы отобразить на экране символ, компьютер выбирает его из основной памяти и передает своему UART, который затем отправляет его бит за битом по кабелю RS-232-C. UART также добавляет к каждому символу начальный и ко­нечный биты, чтобы отделить один символ от другого.





1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

Похожие:

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconПараллельная обработка данных
Машины (эвм) разделяются на аналоговые(непрерывные) и дискретные машины, реализующие цифровые вычисления. Так как для обозначения...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconФизические основы элементной базы современных ЭВМ
Поколения ЭВМ и их элементная база. Роль полупроводниковых материалов в современных ЭВМ. Преимущества интегральных схем перед дискретными...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconАрхитектура ЭВМ связана с качествами машины, к-е влияют на ее взаимодействие...
Это обусловлено развитием техники. Зу ЭВМ имеет несколько уровней: 1 внутреннее зу – содержит информацию, обрабатываемую в нем в...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconМетодические указания по прохождению преддипломной практики и дипломному...
Методические указания к дипломному проектированию составлены и доц каф ЭВМ лебеденко Ю. И. и обсуждены на заседании кафедры ЭВМ факультета...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconКафедра «Электронных вычислительных машин» методические указания...
Методические указания к дипломному проектированию составлены и доц каф ЭВМ лебеденко Ю. И. и обсуждены на заседании кафедры ЭВМ факультета...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconПлан лекции: Виды и операции технического обслуживания Организация эксплуатации ЭВМ
Эвм силами и средствами персонала ЭВМ. При этом виде обслуживания предполагается проведение регламентных работ, контроль технического...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconПлан лекции: Задачи, решаемые вычислительными центрами Структура...
Создание вычислительных центров является способом повышения эффективности работы ЭВМ. Вычислительный центр объединяет технику различных...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconЛабораторная работа №1 по дисциплине «эксплуатацияэвми систем»
...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconКонтроль работы ЭВМ
Процесс определения технического состояния и поддержания работы ЭВМ включает 4 этапа

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconУрокам тема №1: этапы решения задач на ЭВМ. Алгоритмизация. Основные понятия. Блок-схемы
Программно дидактическое обеспечение: ЭВМ типа ibm. Turbo-Pascal Обучающие программы. Тесты

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
vbibl.ru
Главная страница