Что осуществляет считывание команды из оперативной памяти
Обновлено: 05.07.2024
Процессор ЭВМ
Процессор – это блок ЭВМ, предназначенный для автоматического считывания команд программы, их расшифровки и выполнения. Будучи центральным устройством ЭВМ, процессор во многом определяет её возможности и производительность.
В компьютерах третьего поколения процессор изготавливался из отдельных деталей и микросхем невысокого уровня интеграции. Прогресс в области микроэлектроники привел к тому, процессор удалось разместить внутри одного кристалла. Таким образом, он стал отдельной самостоятельной микросхемой и получил название – микропроцессор .
АЛУ – компонента процессора, выполняющая арифметические и логические операции над данными.
Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление). Логической операцией называют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ, …).
АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и блока управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему кодами операций, которые при пересылке данных нужно выполнить над переменными, помещаемыми в регистры.
Регистр – это типовой узел ЭВМ, предназначенный для временного хранения данных или выполнения над ними некоторых действий. Регистр состоит из разрядов, в которые можно быстро записывать, запоминать и считывать слово, команду, двоичное число. Обычно регистр имеет ту же разрядность, что и машинное слово.
Регистр, накапливающий данные, называется аккумулятором .
Регистр, обладающий способностью перемещать содержимое своих разрядов, называют сдвиговым регистром . В этих регистрах за один такт хранимое слово поразрядно сдвигается на одну позицию.
Некоторые регистры служат счетчиками . Счетчик является устройством, которое выдает в двоичной форме число импульсов, поступивших на его единственный вход. Максимальное число импульсов, которое счетчик может подсчитать, называется его емкостью .
Регистры общего назначения (РОН) – общее название для регистров, которые временно содержат данные, передаваемые или принимаемые из памяти. РОН являются программно-доступными регистрами.
Сумматор – это устройство, осуществляющее операции сложения (логического и арифметического) чисел или битовых строк, представленных в прямом или обратном коде.
Важной функцией АЛУ является анализ полученного после выполнения команды результата. Обычно проверяется два свойства: равенство или неравенство нулю и отрицательность или неотрицательность ответа. Результаты анализа сохраняются в виде отдельных битов в регистре состояния . Данные этого регистра используются УУ для исполнения команд условных переходов.
Чтобы обеспечить автоматические вычисления по программе, процессор должен уметь выполнять еще ряд дополнительных действий:
u извлекать из памяти очередную команду;
u расшифровывать ее и преобразовывать в последовательность стандартных элементарных действий;
u заносить в АЛУ исходные данные;
u сохранять полученный в АЛУ результат;
u обеспечивать синхронную работу всех узлов машины.
Для выполнения этих функций служит устройство управления (УУ).
УУ содержит несколько важных регистров для хранения информации, необходимой в ходе выполнения текущей команды.
Регистр команды – служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора.
Кроме этого, имеются регистры, содержащие адрес команды, счетчик адреса команды, адреса операндов, операнды и результаты выполнения команды.
Под разрядностью процессора понимают число одновременно обрабатываемых им битов. Формально эта величина есть количество двоичных разрядов в регистрах процессора.
Помимо внутренней разрядности процессора существует еще разрядность шины данных, которой он управляет, и разрядность шины адреса. Разрядность регистров и разрядность шины данных влияют на длину обрабатываемых данных, а разрядность шины адреса R определяет максимальный объем памяти, который способен поддерживать процессор. Эту характеристику называют величиной адресного пространства, и она может быть вычислена по формуле 2 R .
Как правило, в современных процессорах разрядности регистров, шины данных и шины адреса различны. Например,
Основной алгоритм работы процессора
Важной составной частью фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд. Он постоянно указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. Считав очередную команду из памяти, процессор сразу же увеличивает значение счетчика так, чтобы он показывал на следующую команду. Затем считанная команда расшифровывается и выполняется.
При выполнении каждой команды вычислительная машина проделывает определенные стандартные действия:
1. Согласно содержимому счетчика адреса команды считывается очередная команда программы. Её код заносится на хранение в регистр команд. Счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды. В простейшем случае для этой цели достаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, определяющуюся длиной команды.
2. Считанная в регистр команд операция расшифровывается.
3. Извлекаются необходимые данные.
4. Над ними в АЛУ выполняются требуемые действия.
5. Результат записывается в ОЗУ.
Затем во всех случаях, за исключением останова, описанные действия циклически повторяются.
В приведенном алгоритме ничего не говорится о первоначальном значении счетчика адреса команд. Эта неопределенность решается следующим образом. При включении питания компьютера или при нажатии на кнопку сброса в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в ПЗУ программы инициализации всех устройств и начальной загрузки ЭВМ.
считывание очередной команды в регистр команд
формирование адреса
следующей команды
Рис 3.1 Основной алгоритм работы процессора.
Основной алгоритм работы ЭВМ позволяет шаг за шагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. Но для решения практических задач требуется организация разветвлений и повторений. Для изменения порядка вычислений в системе команд любой ЭВМ существуют специальные инструкции переходов, с помощью которых в счетчик команд заносится необходимый адрес. Как известно, переходы бывают безусловные , выполняемые всегда, и условные , которые совершаются только в случае истинности определенного условия. Анализ условий осуществляется в арифметико-логическом устройстве.
По способу задания адреса, на который необходимо перейти, инструкции делятся на абсолютные и относительные . В абсолютных переходах адрес задается явно, а в относительных – указывается так называемое смещение, которое прибавляется к текущему содержимому программного счетчика.
Важную роль в программном обеспечении играют переходы с возвратом , когда процессор запоминает адрес, где произошел переход, и по специальной команде способен возвратиться для продолжения вычислений.
Оптимизация выполнения команд
Конвейеризация. Как следует из приведенной схемы (рис.3.1), обработка команды в процессоре может быть разделена на несколько основных этапов, которые можно назвать микрокомандами . Известно пять основных типов микрокоманд. Каждая операция требует для своего выполнения времени, равному такту генератора процессора.
Все этапы задействуются только один раз и всегда в одном и том же порядке: одна за другой. Это означает, что если первая микрокоманда выполнила свою работу и передала результаты второй, то для выполнения текущей команды она больше не понадобится, и, следовательно, может приступать к выполнению следующей команды. Проще говоря, пока происходит расшифровка и выполнение первой команды, можно извлечь из памяти одну или даже несколько следующих команд. Такой способ похож на заводской конвейер и получил название конвейеризация .
При использовании конвейеризации осуществляется параллельная обработка команд, в каждый момент одна команда считывается, другая декодируется и т.д. Всего в обработке одновременно находится пять команд. Таким образом, на выходе конвейера на каждом такте процессора появляется результат обработки одной команды. Первая инструкция может считаться выполненной, когда завершат работу все пять микрокоманд.
Рассмотренная технология обработки команд носит название конвейерной обработки . Каждая часть устройства называется ступенью конвейера , а общее число ступеней – длиной линии конвейера .
Суперскалярность. Суть этого метода заключается в дублировании устройств. Процессоры с несколькими линиями конвейера получили название суперскалярных . Процессор Pentium имеет два конвейера выполнения команд, благодаря чему он может выполнять одновременно две инструкции. Встретив команду перехода, процессор на первом конвейере продолжает работы на случай, если переход не произойдет, а второй конвейер запускает с адреса, на который переход может произойти. Следует учесть, что при всей кажущейся простоте описанной процедуры, синхронизация работы двух конвейеров – достаточно сложная задача.
Во многих вычислительных системах наряду с конвейером команд используются конвейеры данных. Это позволяет достичь очень высокой производительности работы процессора.
Любая операция процессора (машинная команда) состоит из отдельных элементарных действий – тактов . В зависимости от сложности, команда может быть реализована за разное количество тактов.
Для организации последовательного выполнения требуемых тактов в компьютере имеется специальный генератор импульсов , каждый из импульсов инициирует очередной такт машинной команды. Очевидно, чем чаще следуют импульсы от генератора, тем быстрее будет выполнена команда, состоящая из фиксированного числа тактов, тем выше производительность процессора. Разумеется, частоту генератора импульсов нельзя установить произвольно высокой, т.к. процессор может просто не успеть выполнить действие очередного такта до прихода следующего импульса.
Предельная тактовая частота во многом определяется технологией производства микросхем, в частности наименьшими достижимыми размерами элементов, которые определяют минимальное время передачи сигналов.
Система команд процессора.
Основные группы команд. Не смотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком уровне системы их команд имеют много общего. Любая ЭВМ содержит следующие группы команд :
1. Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.
2. Арифметические операции, которым обязана своим рождением вычислительная техника.
3. Логические операции, позволяющие компьютеру производить анализ получаемой информации. Примерами могут служить сравнение, логические операции И, ИЛИ, НЕ, а так же анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.
4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Операции сдвига используются, например, при выполнении умножения и деления чисел.
5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами.
6. Команды управления, к которым следует отнести все виды переходов. Сюда же включают операции по управлению процессором.
Процессоры RISC- и CISC- архитектуры
По способу представления команд все микропроцессоры можно разделить на две группы:
u процессоры типа CISC ( Complex Instruction Set Computing ) с полным набором команд;
u процессоры типа RISC ( Reduced ) с сокращенным набором команд. Эти процессоры нацелены на быстрое выполнение небольшого набора простых команд. При выполнении сложных команд RISC – процессоры работают медленнее, чем CISC – процессоры.
Первоначально микропроцессоры имели CISC- архитектуру, для которой характерен набор сложных команд неодинаковой длины с большим количеством методов адресации к памяти.
Появившийся позднее RISC – подход предлагал менее сложные команды одинаковой длины с отказом от некоторых сложных методов адресации. В процессорах с такой организацией обращение к ячейкам памяти производится только двумя специальными командами чтения и записи, а все остальные операции работают с регистрами. Такого рода упрощения позволяют оптимизировать выполнение команд и существенно ускорить работу процессора.
Сформулированы четыре основных принципа RISC – архитектуры:
u каждая команда независимо от её типа выполняется за один машинный цикл, длительность которого должна быть максимально короткой;
u все команды должны иметь одинаковую длину и использовать минимум адресных форматов, что резко упрощает логику управления процессором;
u обращение к памяти происходит только при выполнении операций записи и чтения, вся обработка данных осуществляется исключительно в регистровой структуре процессора;
u система команд должна обеспечивать поддержку языков высокого уровня (имеется виду подбор системы команд, наиболее эффективной для различных языков программирования).
Процессоры фирмы Intel относятся к CISC- группе, однако для увеличения быстродействия фирма использует достижения RISC – архитектуры, так модели 486 и выше имеют внутреннее RISC – ядро, способное эмулировать сложную CISC- систему команд.
Тест по информатике для 7 класса может быть использован для проверки знаний, контроля на уроке или тренировки навыков учащихся. Тест состоит из 3 вариантов по 10 вопросов.
Вопросы к тесту по информатике
Тест по информатике 7 класс
1 Вариант
2. Paint. С помощью Палитры выбираются:
а) Основной цвет - левой кнопкой мыши. Дополнительный цвет - правой кнопкой мыши.
б) Дополнительный цвет - левой кнопкой мыши. Основной цвет - правой кнопкой мыши.
3. В графическом редакторе Paint можно отменить:
а) Три последних действия.
б) Одно последнее действие.
в) Любое действие.
г) сколько угодно действий.
д) Пять последних действий.
4. Какая клавиша включает числовую клавиатуру?
а) NumLock.
б) CapsLock.
в) Enter.
г) Insert.
д) Shift.
5. Электронное устройство для сопряжения различных компонентов компьютера:
а) Шина
б) Модем
в) Драйвер.
г) Системный блок.
д) ОЗУ.
7. При работе в среде Microsoft Windows команда СОХРАНИТЬ применяется:
а) Для сохранения файла в оперативной памяти.
б) Для удаления файлов из оперативной памяти.
в) Всегда, когда надо сохранить файл на Дискете.
г) Для записи файла после его изменения с Существующим именем.
д) Для сохранения файла под новым именем или на другом носителе.
8. При работе в среде Microsoft Windows команда СОХРАНИТЬ КАК применяется:
а) Для сохранения файла в оперативной памяти.
б) Для удаления файлов из оперативной памяти.
в) Всегда, когда надо сохранить файл на дискете.
г) Для записи файла после его изменения с существующим именем.
д) Для сохранения файла под новым именем или на другом носителе.
9. При работе в среде Microsoft Windows команда КОПИРОВАТЬ из меню ПРАВКА:
а) Копирует выделенный фрагмент в буфер.
б) Копирует выделенный фрагмент в буфер и стирает его с экрана.
в) Копирует содержимое буфера на экран туда, где стоит курсор.
г) Записывает выделенный фрагмент в новый файл.
д) Создает вторую копию этого фрагмента на экране.
10. Hardware принято называть:
а) Программное обеспечение персонального компьютера.
б) Базовую конфигурацию вычислительной системы
в) Аппаратное обеспечение персонального компьютера.
г) Внешнюю архитектуру персонального компьютера.
д) Периферийные устройства персонального компьютера
2 Вариант
1. При работе в среде Microsoft Windows команда ВСТАВИТЬ из меню ПРАВКА:
а) Копирует выделенный фрагмент в буфер.
б) Копирует выделенный фрагмент в буфер и стирает его с экрана.
в) Копирует содержимое буфера на экран туда, где стоит курсор.
г) Записывает выделенный фрагмент в новый файл.
д) Создает вторую копию этого фрагмента на экране.
3. Наименьшая единица информации:
а) Байт
б) Кбайт
в) Бит
г) Код
д) Мбайт
4. Байт – это:
а) Единица количества информации, изображаемая 1 или 0.
б) Средство изменить код буквы в ОЗУ.
в) Последовательность из 8 бит.
г) Комбинация из четырех шестнадцатеричных цифр.
д) Максимальная единица измерения количества информации.
5. В одном килобайте содержится:
а) 1000 байт
б) 1024 бита
в) 8 байт
г) 1000 бит
д) 1024 байта
6. Представление информации посредством, какого – либо алфавита называется:
а) Кодирование
б) Обработка
в) Передача
г) Азбука
д) ASCII
7. Слово ЗИМА, закодированное командами таблицы ASCII:
а) 7888С808
б) 87888С80
в) 08С88878
г) 808С8887
д) 87808788
8. К основным узлам компьютера, входящим в состав системного блока, не относятся:
а) Трекбол
б) Материнская плата
в) Блок питания
г) Адаптеры
д) Дисковод для флоппи – дисков, винчестер, модем.
9. Минимально необходимый набор устройств для работы компьютера содержит:
а) Принтер, системный блок, клавиатуру.
б) Системный блок, монитор, клавиатуру.
в) Системный блок, дисководы, мышь.
г) Процессор, мышь, монитор.
д) Принтер, винчестер, монитор, мышь.
10. Об оперативной памяти ПК можно сказать:
а) Сохраняется при включении ПК.
б) Очищается при выключении ПК.
в) Это память, которая используется для ускорения работы ПК.
г) Участок памяти, где находятся операционная система.
д) Служит для запоминания файлов после их изменения.
3 Вариант
1. К внешней памяти компьютера можно отнести:
а) ПЗУ, видеопамять.
б) Печатное руководство пользователя ЭВМ.
в) ОЗУ, винчестер.
г) RAM, ROM.
д) CD-ROM диски, флоппи – диски, винчестер.
2. Верное высказывание:
а) Клавиатура – устройство ввода.
б) Принтер – устройство кодирования.
в) Сканер – устройство вывода
г) Монитор – устройство ввода.
д) CD-ROM – устройство кодирования информации.
3. Средство донесения информации до пользователя, при котором используется компьютерная графика, звук, фотография, видео, текст и др.:
а) CD-ROM.
б) Модем.
в) Мультимедиа.
г) Компьютерная сеть.
д) Лазерный проигрыватель.
4. Мультимедиа - средство, динамически сочетающее в себе:
а) Образы и данные.
б) Комбинацию звука и графики.
в) Комбинацию видеофрагментов и текста.
г) Анимацию.
д) Все вышеперечисленное.
5. С помощью программ Мультимедиа можно (укажите неверный ответ):
а) Создавать звуковые файлах.
б) Включать звуковые файлы в документы.
в) Сопровождать звуковыми файлами события ОС Windows.
г) Проигрывать мультимедиа компакт-диски.
д) Воспроизводить звуки, записанные на аудиокассетах.
6. Выбрать действие, относящее к форматированию текста:
а) Копирование фрагментов текста.
б) Исправление опечаток.
в) Проверка орфографии
г) Изменение Размера шрифта.
д) Перемещение фрагментов текста.
7. Указать Команды, при выполнении которых выделенный фрагментов текста попадает в буфер обмена:
а) Вставить.
б) Заменить
в) Проверить орфографию
г) Выровнять по центру.
д) Вырезать и копировать
9. В графическом редакторе основное окно не содержит:
а) Зону заголовка.
б) Горизонтальное меню.
в) Панель инструментов палитру цветов и поле выбора ширины линии.
г) Рабочее поле.
д) Мастера подсказок.
10. Чтобы в графический редакторе геометрические фигуры получались правильными, надо при рисовании фигуры удерживать клавишу:
а) Ctrl
б) Alt
в) Shift
г) Tab
д) Ins
ОЗУ – это наибольшая часть основной памяти. ОЗУ предназначено для хранения переменной (текущей, быстро изменяющейся) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислений. Это означает, что процессор может выбрать (режим считывания) из ОЗУ команду или данные и после обработки поместить полученный результат (режим записи) в ОЗУ. Размещение новых данных возможно на тех же местах, где ранее находились исходные данные. Понятно, что прежние данные будут стерты. ОЗУ позволяет кратковременно (до выключения питания) хранить записанную информацию. Данные, адреса и команды, которыми процессор обменивается с памятью, часто называют операндами.
Выполняемая в данный момент компьютером программа (активная) чаще всего располагается в ОЗУ (и лишь иногда в ПЗУ).
Основная составная часть ОЗУ – массив элементов памяти, объединенных в матрицу накопителя (рис. 9.1). Элемент памяти (ЭП) может хранить 1 бит информации (запоминать два состояния 0 или 1).
Рис. 9.1. Устройство ОЗУ
Микросхемы памяти бывают одноразрядные и многоразрядные.
В одноразрядных микросхемах памяти код адреса (иногда говорят просто — адрес) выбирает один элемент памяти из множества элементов, расположенных в матрице накопителя. После выбора элемента в него можно записать информацию или, наоборот, считать из него 1 бит информации. Специальный управляющий сигнал Зп/сч (Write/Read) указывает микросхеме, что она должна делать: записывать или считывать информацию. Управляющие сигналы на этот вход поступают от процессора. В одноразрядных микросхемах памяти имеются один вход для записи информации и один выход для ее считывания.
Разрядность кода адреса m в одноразрядных микросхемах памяти определяет информационную емкость, т. е. число ЭП в матрице накопителя. Емкость такой микросхемы рассчитывается по формуле 2m. Например, если у одноразрядной микросхемы памяти имеется 10 адресных входов, то информационная емкость составит N = 210 = 1024 бита.
Некоторые микросхемы памяти имеют многоразрядную структуру, называемую также словарной. У таких микросхем памяти имеется несколько информационных входов и столько же выходов. Поэтому они допускают одновременную запись (или считывание) многоразрядного кода, который принято называть словом. Один адрес позволяет считать информацию сразу из нескольких ЭП. Группа элементов памяти, из которых одновременно считывается информация, называется ячейкой памяти. Таким образом, ячейка памяти — это несколько ЭП, имеющих общий адрес.
Используется два основных типа оперативной памяти: статическая (SRAM — Static RAM) и динамическая (DRAM — Dynamic RAM).
Эти две разновидности памяти различаются быстродействием и удельной плотностью (емкостью) хранимой информации. Быстродействие памяти характеризуется двумя параметрами: временем доступа (access time) и длительностью (cycle time).
Эти величины, как правило, измеряются в наносекундах. Чем меньше эти величины, тем выше быстродействие памяти.
Время доступа представляет собой промежуток времени между формированием запроса на чтение информации из памяти и моментом поступления из памяти запрошенного машинного слова (операнда).
Длительность цикла определяется минимальным допустимым временем между двумя последовательными обращениями к памяти.
В статической памяти элементы построены на триггерах – схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для построения одного триггера требуется 4 – 6 транзисторов. После записи информации в статический элемент памяти он может хранить информацию сколь угодно долго (пока подается электрическое питание).
Конструктивно микросхема памяти выполняется в виде прямоугольной матрицы, причем ЭП располагаются на пересечении строк и столбцов. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который разбивается на две части. Одна часть адреса используется для выбора строк матрицы накопителя, а другая – для выбора столбцов.
На рис. 9.2. приведена структурная схема микросхемы памяти К561РУ2, у которой 8 адресных входов: a7a6, …, a0. Это позволяет разместить в матрице 2 8 = 256 элементов памяти. Адресные входы разделены на две равные части (матрица квадратная). Младшая часть адреса a3a2a1a0позволяет выбрать одну из 16 строк x0, x1, x2, …, x15. При помощи старшей части адреса a7a6a5a4 происходит выбор одного из 16 столбцовy0, y1, …, y15.
Рис. 9.2. Структурная схема микросхемы памяти К561РУ2
Чтобы выбрать какой-либо ЭП, нужно активизировать строку и столбец, на пересечении которых располагается нужный ЭП.
Например, чтобы выбрать ЭП 0, нужно на все адресные входы микросхемы подать нули, тогда дешифратор строк DCR (Decoder Row) и дешифратор столбцов DCC (Decoder Column) активизируют соответственно строку x0 и столбец y0. На их пересечении располагается ЭП 0, в который, после его выбора, можно записать (или считать) информацию.
Аналогично выбираются другие ЭП. Так, для выбора ЭП 241 нужно активизировать строку x1 и столбец y15. Для этого на младшую группу адресов (a3, …, a0) нужно подать двоичный код 0001, а на старшую группу адресов (a7, …, a4) – все единицы.
Статическая память имеет высокое быстродействие и низкую удельную плотность размещения хранящихся данных. В динамической памяти ЭП построены на основе полупроводниковых конденсаторов, занимающих гораздо меньшую площадь, чем триггеры в статических ЭП. Для построения динамического элемента памяти требуется всего 1–2 транзистора.
Подключение и отключение конденсаторов в динамических ЭП осуществляется с помощью полупроводниковых транзисторов (ключей), которые в закрытом состоянии имеют сопротивление порядка 10 10 Ом. Несмотря на то, что сопротивление закрытого транзистора велико, оно все же конечно, и по этой причине через закрытый транзистор происходит разряд конденсатора. Самопроизвольный разряд конденсатора не позволяет без специальных мер долгое время хранить записанную информацию. Для устранения влияния нежелательного разряда конденсатора через так называемые паразитные цепи утечки приходится периодически подзаряжать конденсаторы. Этот процесс называется регенерацией заряда.
Регенерация заряда должна происходить достаточно часто. Подтверждением этого являются следующие рассуждения. Так как необходимо получить высокую удельную плотность хранения информации, емкость конденсатора не может быть большой (практически величина емкости запоминающих конденсаторов составляет порядка 0,1 пФ). Постоянная времени разряда определяется как произведение емкости конденсатора на сопротивление закрытого транзистора. Это произведение составляет величину порядка
τ = RC = 10 10 · 0,1 · 10 -12 = 10 -3 c.
Таким образом, постоянная времени разряда составляет 1 мс и, значит, регенерация заряда должна происходить примерно 1000 раз в 1 с.
Необходимость частой подзарядки запоминающих конденсаторов в матрице накопителя приводит к снижению быстродействия динамической памяти. Однако благодаря малым размерам конденсатора и малому числу дополнительных элементов удельная плотность хранения информации динамической памяти выше, чем у статической памяти.
Емкость микросхем динамической памяти составляет десятки мегабит на один корпус. Возможность размещения на одном кристалле большого числа ЭП вызывает другую конструкторскую проблему: необходимо использовать большое число адресных входов. Для снижения остроты этой проблемы используют мультиплексирование.
Мультиплексирование — это технический прием временного уплотнения информации, благодаря которому удается по одним и тем же электрическим цепям передать разную информацию для различных приемников (потребителей) информации. Так, конструкторы вдвое уменьшают число адресных входов у микросхем памяти. Адрес делят на две равные части и вводят его в микросхему поочередно: сначала младшую часть, а затем старшую часть адреса. При этом первая часть осуществляет выбор нужной строки в матрице накопителя, а вторая часть активизирует соответствующий столбец.
Так, синхронно с вводом младшей части адреса на микросхему подается сигнал RAS (Row Address Strobe) – сигнал стробирования (сопровождения) адреса строки. Практически одновременно с вводом старшей части адреса на микросхему памяти подается сигнал CAS (Column Address Strobe) – стробирование адреса столбца.
После завершения выбора какого-либо ЭП требуется время, в течение которого происходит восстановление микросхемы в исходное состояние. Данная задержка связана с необходимостью перезарядки внутренних цепей микросхемы. Длительность этой задержки существенна и составляет до 90% от времени цикла.
Обходят это нежелательное явление различными конструктивными ухищрениями. Например, при записи нескольких следующих друг за другом операндов их располагают на одной строке матрицы, но в разных столбцах. Экономия времени достигается тем, что не нужно ожидать завершения переходных процессов при смене адреса строк.
Другой способ повышения быстродействия заключается в том, что память разбивают на блоки (банки), из которых процессор считывает данные попеременно. Таким образом, пока считываются данные из одной области памяти, другая получает время на завершение переходных процессов.
Разработаны различные модификации статической и динамической памяти.
FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) – динамическая память с быстрым странич-ным доступом. Память со страничным доступом отличается от обычной динамической памяти тем, что после выбора одной строки матрицы удерживается сигнал выбора строки RAS и производится многократное изменение адресов столбцов (с помощью сигнала CAS). В этом случае не тратится время на завершение переходных процессов при изменении адреса строки. Другими словами, адрес строки остается некоторое время постоянным, а изменяются адреса столбцов. В этом случае страницей называют элементы памяти, расположенные на одной строке матрицы.
EDO (Extended Data Out) – эти микросхемы характеризуются увеличенным временем удержания данных на выходе. Фактически представляют собой обычную память FPM DRAM, на выходе которой установлены регистры – защелки данных. Регистры – это цифровые устройства, построенные на триггерах и позволяющие хранить сразу несколько бит информации (слово). При страничном обмене такие микросхемы удерживают на выходах микросхемы содержимое последней выбранной ячейки памяти, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки памяти. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FРM ускорить процесс считывания последовательно расположенных массивов данных.
SDRAM (Synchronous DRAM – синхронная динамическая память) – память с синхронным доступом, работающая быстрее обычной асинхронной памяти. Основу этого типа памяти составляет традиционная схема DRAM. Однако SDRAM отличается тем, что использует тактовый генератор для синхронизации всех сигналов, применяемых в микросхеме памяти. Помимо синхронного метода доступа, SDRAM использует внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать по времени выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке.
----->
Регистровая память (сверх оперативная). Она представляет собой несколько регистров общего назначения — РОН, которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет и т.д.
КЭШ-память, по сравнению с регистровой памятью, имеет больший объем, но меньшее быстродействие. В компьютере число запоминающих устройств с этим видом памяти может быть различным. В современных компьютерах имеется три запоминающих устройства этого вида. КЭШ-память первого уровня располагается внутри процессора, а КЭШ-память второго уровня — вне процессора. КЭШ-память используется для ускорения выполнения операций засчет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессоров в ближайшее время. Введение в компьютер КЭШ-памяти позволяет сэкономить время, которое тратилось бы на пересылку данных и команд, из процессора в оперативную память и обратно. Работа КЭШ-памяти строится так, чтобы до минимума свести время непроизвольного простоя процессора (время ожидания данных и команд). Этот вид памяти уменьшает противоречия между быстрым процессором и относительно медленной оперативной памятью. КЭШ-память первого уровня, которая размещается на одном кристалле с процессором и обозначается L1.
Энергозависимая память (CMOS) служит для запоминания конфигурации данного компьютера (текущее время, дата выбранного системного диска и т.д.). Для непрерывной работы этого вида памяти на материнской плате устанавливают отдельный аккумулятор (батарею питания).
ОЗУ используется для кратковременного хранения текущей информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. Это значит, что процессор может выбрать из ОЗУ команды или обрабатываемые данные (режим считывания) и после арифметической или логической обработки данных поместить полученный результат в ОЗУ (режим записи). Размещение новых данных в ОЗУ возможно в тех же ячейках, где находились исходные данные. Понятно, что прежние команды будут стерты. ОЗУ используется для хранения программ, а также исходных конечных и промежуточных данных, полученных в ходе работы процессора. В качестве запоминающих элементов в ОЗУ используются либо триггеры (статическое ОЗУ), либо конденсаторы (динамическое ОЗУ). ОЗУ — это энергозависимая память, поэтому при выключении питания информация , хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно. По быстродействию ОЗУ уступает КЭШ-памяти и тем более сверх оперативной памяти РОН., но стоимость ОЗУ значительно ниже стоимости упомянутых видов памяти.
В ПЗУ хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют программы (проверяющие работоспособность компьютера в момент включения) драйверы, программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ.
В качестве ПЗУ может использоваться Flash-память.
ВЗУ предназначены для долговременного хранения информации (жесткие диски, DVD-приводы, дискеты и т.д.).
К устройствам ввода информации относятся: клавиатура, Web-камера, микрофон, сканер и т.д.
К устройствам вывода информации относятся: колонки, монитор, принтер, наушники и т.д.
Модем выполняет функции и устройств ввода и устройств вывода информации. Он позволяет соединяться с другими удаленными компьютерами и обмениваться информацией. Одной из основ ПК является открытость архитектуры. Согласно этой концепции, каждый пользователь может самостоятельно формировать конфигурацию своего компьютера по усмотрению, т.е. к системной шине можно подключить дополнительные устройства. Открытость архитектуры позволяет легко модернизировать имеющиеся компьютеры.
Общий принцип работы ЭВМ.
Заключается в следующем: из процессора на шину адреса выдается адрес очередной команды. Считанная по этому адресу команда (например из ПЗУ) поступает по шине данных. В процессор, где она выполняется с помощью АЛУ, устройство выполнения процессора определяет адрес следующей выполняемой команды (фактически номер очередной ячейки памяти, где находится очередная команда). После исполнения процессором текущей команды, на шину адреса выводится адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда и т.д. Сигналы, передаваемые по управляющей шине, синхронизируют работу процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации. Порядок выбора адресов из памяти (и очередности выполнения команд) определяет программа, которая может находиться в ПЗУ, но чаще выполняемая в данный момент времени программа находится в ОЗУ. В линейных программах команды последовательно выбираются из очередных ячеек памяти. В разветвляющихся программах естественный порядок выбора адресов ячеек памяти может нарушаться, в результате может происходить переход (резкий скачок) к ячейке памяти, расположенной в любом месте ОЗУ. При одном наборе исходных данных переход будет происходить, а при другом наборе перехода не будет. По этой причине такие команды называют командами условной передачи управления.
Нередко при работе компьютера программа вводится с клавиатуры в АЗУ, а затем процессор под управлением этой программы выполняет необходимые действия. Чаще управляющую программу загружают в АЗУ с внешнего запоминающего устройства или по вычислительной сети. При выполнении загруженной программы, ЭВМ запрашивает у пользователя необходимы данные, и процессор, после выполнения указанных в программе команд, отправляет результат по системной шине на одно из устройств вывода информации. Выполнение основной программы иногда может приостанавливаться с целью какого-то другого срочного задания. Например: передача на принтер. Такой режим работы, когда временно приостанавливается выполнение основной программы и происходит обслуживание запросом, называется прерыванием. По завершению обслуживания прерывания, процессор возвращается к выполнению временно отложенной программы.
Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре, переполнения разрядной сетки, деления на ноль, требования внешним устройством выполнений ввода информации и т.д. Обслуживание прерываний осуществляется с помощью специальных программ обработки прерывания.
Принцип действия процессора.
Процессор является главным элементом компьютера. Он управляет всеми устройствами и процессами, происходящими в ЭВМ. В конструкциях современного процессора четко просматривается тенденция увеличения тактовой частоты. Это естественно, чем больше операций выполняет процессор, тем выше его производительность. Предельная тактовая частота определяется существующей технологией производства микросхем (наименьшими достижимыми размерами элементов, которые определяют минимальное время передачи сигналов).
Кроме повышения тактовой частоты, увеличение производительности процессоров достигается другими приемами, связанными с изобретением новых архитектур и алгоритмов обработки информации.
Рассмотрим не примере Pentium:
1) конвеерная обработка информации;
2) суперскалярная архитектура;
3) наличие раздельных КЭШ-памятей для команд и данных;
4) наличие блока предсказания адреса перехода;
5) наличие блока вычислений с плавающей точкой;
6) поддержка многопроцессорного режима работы;
7) наличие средства задания размера страницы памяти;
8) наличие средства обнаружения ошибок.
Термин суперскалярная архитектура означает, что процессор содержит более одного вычислительного блока. Эти вычислительные блоки чаще называют конвеерами. Наличие в процессоре двух конвееров позволяет ему одновременно выполнять две команды. Каждый конвеер разделяет процесс выполнения команды на пять этапов:
1) выборка (считывание) команды из ОЗУ или КЭШ-памяти;
2) декодирование команды, т.е. определение кода выполняемой операции;
3) выполнение команды;
4) обращение к памяти;
5) запоминание полученных результатов.
Процессор Pentium имеет две КЭШ-памяти первого уровня (они располагаются внутри процессора). Как известно кэширование увеличивает производительность процессора засчет уменьшения числа случаев ожидания поступления информации из медленной оперативной памяти. Нужные данные и команды берутся процессором из быстрой КЭШ-памяти, куда они заносятся заранее. Наличие одной КЭШ-памяти, в предыдущих конструкциях процессоров, приводило к возникновению структурных конфликтов. Выполнение раздельного кэширования исключают такие конфликты, давая возможность обеим командам выполняться одновременно.----->
Читайте также: