рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Архитектура компьютеров

Архитектура компьютеров - раздел Компьютеры, Архитектура Компьютеров...

Архитектура компьютеров

Машинные слова и байты

Однако для представления команд программ, целых и действительных чисел, логических значений, текстовых строк, чертежей и т.д. необходимы… В компьютерах общего применения, используемых для решения научно-технических и… Компьютеры общего применения обрабатывают крайне широкую номенклатуру команд и данных: команды разной длины, целые и…

Коды с обнаружением и исправлением ошибок

Наиболее простой способ кодирования данных – присоединение к данным одного бита четности. Например, байт данных представляется двоичной… 10110011. Бит четности формируется за счет присоединения к байту одного бита, формируемого следующим образом: если число единиц…

Представление данных в компьютерах

Двоичные числа.Основной формой представления числовых значений в компьютерах являются двоичные числа. Двоичное число – это значение, представляемое… Целое двоичное число имеет следующий формат: (3.1) ± Цифровые разряды n n–1 0

Способы адресации данных

Эффективность способа адресации характеризуется двумя показателями: затратами оборудования и затратами времени на доступ к адресуемой информации.… Рассмотрим основные способы адресации информации, используемые в… Прямая адресация. Прямой адрес - это номер ячейки памяти, в которой хранится операнд. Прямой адрес представляется в…

Операции, выполняемые компьютерами

Операция – это действие, инициируемое одной командой и реализуемое аппаратурой компьютера. Разнообразие типов данных, форм их представления и действий, которые необходимы для обработки данных и управления ходом вычислений, порождает необходимость использовании различных операций F = {f1,…,fG}. С набором операций F связана система команд, инициирующих соответствующие операции и определяющих адреса операндов.

Эффективность набора операций – это степень соответствия набора назначению компьютера, т.е. классу алгоритмов, для выполнения которых предназначается компьютер, и требованиям к производительности компьютера. Эффективность набора операций принято характеризовать двумя показателями: затратами оборудования и затратами времени на реализацию алгоритмов. Затраты оборудования определяются суммарной стоимостью процессора, реализующего набор операций, и памяти, достаточной для размещения данных и программ, представляющих алгоритмы в терминах операций, реализуемых процессором. Затраты оборудования в процессоре зависят от сложности операций, составляющих набор. Чем сложнее операции и чем больше их в наборе, тем большее количество оборудования необходимо использовать в процессоре для выполнения операций. Стоимость памяти пропорциональна ее емкости. Емкость памяти зависит от количества данных, посредством которого может быть закодирован алгоритм, что определяется составом операций, реализуемых процессором. Чем более сложные операции входят в набор, тем меньшее количество операций (команд) требуется для описания алгоритма и, следовательно, тем меньше потребность в емкости памяти. Затраты времени на реализацию алгоритма, в отношении которого оценивается эффективность набора операций, принято характеризовать средним числом операций, выполняемых при одном прогоне алгоритма. Число выполняемых операций зависит от состава операций, реализуемых процессором. Введение в набор сложных операций позволяет программировать сложные действия одной командой, в результате чего уменьшается число операций при реализации алгоритма в компьютере.

Определение оптимального набора операций для компьютеров общего применения и специализированных компьютеров таким методом затруднено из-за отсутствия данных о составе и частоте операций, используемых в алгоритмах, для реализации которых предназначаются компьютеры. Поэтому набор операций определяется с учетом опыта разработки и эксплуатации компьютеров.

Классификация операций.Операции принято подразделять на следующие классы: 1) арифметические и логические операции; 2) посылочные операции; 3) переходы; 4) операции ввода-вывода; 5) системные операции.

Арифметические и логические операции служат для вычисления значений функций одногоили нескольких аргументов.К этому классу относятся следующие операции: сложение, вычитание, умножение, деление; конъюнкция, дизъюнкция и сравнение на равенство; сдвиг влево и вправо на заданное число разрядов; преобразование чисел из одной системы счисления или формы представления в другую. В зависимости от типа (формата) чисел выделяют операции двоичной арифметики,с помощью которых обрабатываются целые числа, операции арифметики с плавающей запятой и операции десятичной арифметики. В зависимости от формата слов выделяются логические операции над словами фиксированной длины и полями переменной длины. Наиболее обширный набор арифметических и логических операций используется в компьютерах общего применения.

Посылочные операции служат для передачи данных между процессором и основной памятью. Типичные посылочные операции – ЗАГРУЗИТЬ и ЗАПИСАТЬ. Операция ЗАГРУЗИТЬ обеспечивает передачу слова данных из основной памяти во внутреннюю память процессора, а операция ЗАПИСАТЬ – передачу слова из процессора в память. Для увеличения эффективного быстродействия процессора список посылочных операций расширяется операциями передачи слова с обратным знаком, модуля слова и операциями групповой передачи. Последние обеспечивают передачу заданного количества слов между группами соседних ячеек основной памяти и регистровой памяти процессора.

Переходы – это операции, используемые для выполнения команд в порядке, отличном от естественного. Операция перехода обеспечивает возможность передачи управления любой команде программы. Переход может выполняться по значению условия либо к одной, либо к другой команде. Условия, на которые реагируют операции перехода, обычно называются признаками перехода. Типичными признаками перехода являются нулевое, положительное или отрицательное значение результата операции и переполнение. Для увеличения быстродействия компьютера используются специальные операции перехода: переход по счетчику, переход по индексу, переход с возвратом. Первые две операции служат для организации циклов. Операция перехода по счетчику обеспечивает вычитание единицы из переменной и проверку результата на нуль. Если результат не нулевой, выполняется переход к команде с адресом, указанным в команде перехода по счетчику. При нулевом результате выполняется следующая по порядку команда. За счет этого обеспечивается n-кратный переход к команде, с которой начинается цикл, и выход из цикла на продолжение программы. Переход по индексу выполняется аналогично: операция перехода изменяет специальную переменную – индекс – на значение, заданное переменной, и сравнивает значение индекса с предельным значением. Если индекс меньше (больше) заданного значения, то выполняется переход по указанному адресу, в противном случае организуется выход из цикла путем перехода к команде, следующей за командой перехода по индексу. Переход с возвратом выполняется так. Формируется адрес команды, следующей за командой перехода с возвратом, – адрес возврата, который загружается в заданную ячейку памяти, после чего выполняется переход к команде с адресом, заданным в команде перехода. Поскольку адрес возврата запомнен, то имеется возможность возвратиться в основную программу и продолжить вычисления, начиная от команды, следующей за командой возврата.

Операции ввода-вывода служат для передачи данных между основной памятью и внешними устройствами компьютера – устройствами ввода-вывода и внешними запоминающими устройствами. Операция ввода-вывода инициирует работу определенного внешнего устройства с целью ввода данных в основную память или вывода данных из основной памяти на внешнее устройство. Состав операций ввода-вывода определяется в основном способом подключения внешних устройств к основной памяти и процессору, т.е. структурой компьютера.

Системные операции предназначаются для управления режимами работы компьютера. С помощью системных операций производиться инициирование и прекращение выполнения программ и организуется мультипрограммная обработка данных, а также работа компьютера в реальном масштабе времени.

Все компьютеры общего применения работают в мультипрограммном режиме, когда в памяти компьютера одновременно размещается несколько программ и программы выполняются параллельно во времени за счет чередования этапов процессорной обработки одних программ с этапами ввода-вывода для других программ. Управление всеми процессами распределения памяти между программами и всеми устройствами компьютера возлагается на операционную систему, которая должна обеспечить возможность независимого и корректного выполнения всей совокупности исполняемых совместно программ. По этой причине команды ввода-вывода и системные операции получают особый статус привилегированных операций, которые могут выполнится только в том случае, когда процессор находиться в состоянии СУПЕРВИЗОР и обеспечивает выполнение программ операционной системы. Остальные классы операций компьютера – арифметические и логические операции, посылочные операции и операции перехода, равнодоступны для прикладных программ, инструментальной системы компьютера и операционной системы. Появление команд с привилегированными операциями в прикладных программах и программах инструментальной системы недоступно, и процессор прерывает выполнение такой команды и формирует необходимые сообщения о таких событиях.

Компьютеры с полным и сокращенным набором команд. Начиная с 60-х годов XX века, проводилось большое число экспериментов по приближению системы команд компьютеров к языкам высокого уровня, используемым для программирования задач. За последние два десятилетия было создано большое число моделей компьютеров, способных обрабатывать широкую номенклатуру типов данных, имеющих обширный арсенал способов адресации и многочисленные форматы команд, что приводило к появлению обширного списка операций, реализуемых аппаратурой компьютеров. Как правило, число операций и команд в таких компьютерах достигало значений от 300 до 500 и более операций. Этот класс получил название компьютеров с полным набором команд – CISC (Complex Instruction Set Computer).

В 1980 году группа разработчиков в университете Беркли (США) во главе с Д. Паттерсоном и К. Секвином разработала компьютер с сокращенным набором команд – RISC (Reduced Instruction Set Computer). Наиболее характерная черта этих компьютеров – сокращенная система команд, насчитывающая обычно до 50 операций. В компьютерах этого класса использовались только две операции ЗАГРУЗИТЬ и ЗАПИСАТЬ для передачи данных между оперативной памятью и регистрами процессора. Все остальные операции выполнялись только с содержимым регистров процессора. Для уменьшения количества передач слов между регистрами процессора и оперативной памятью емкость регистровой памяти процессоров рассматриваемого класса составляет 32, 64 и более слов. Чем больше емкость регистровой памяти процессора, тем меньше вероятность преждевременного удаления слов из регистров в оперативную память и последующей загрузки этих слов в регистры процессора, за счет чего увеличивается производительность процессора.

С 80-х годов прошедшего века началась идеологическая борьба между сторонниками компьютеров с полным и сокращенным набором команд. Многие компании вложили миллиарды долларов в разработку программного обеспечения компьютеров на основе технологии CISC, и нужно было сохранить это программное обеспечение. Уже к 90-м годам стали понятными преимущества архитектуры RISC для компьютеров общего применения. Еще в 1951 году Уилкс предложил принцип микропрограммирования для выполнения сколь угодно сложных операций с использованием постоянных запоминающих устройств для хранения микропрограмм. При этом сложная операция описывается последовательностью микрокоманд, состоящих из совокупности кодов микроопераций, выполняемых аппаратурой процессора. Коды микроопераций декодируются дешифратором, каждый из которых формирует управляющий сигнал, воздействующий на определенную схему аппаратуры процессора, в результате чего в процессоре будет выполнен соответствующий микрокоманде набор микроопераций. Затем выполняется следующая микрокоманда и т. д. Таким образом, система операций RISC может быть сколь угодно расширена. При этом архитектура RISC позволяет наиболее часто используемые операции выполнять за минимальное время, а редко используемые операции выполнять на основе микропрограмм.

 

 

Системы команд компьютеров

Эффективность системы команд. Эффективность системы команд, используемых в компьютере, определяется двумя основными показателями: затратами… В предыдущем разделе было сказано, что к 90-м годам XX века сокращенная… Сокращенная система команд. В связи с большим различием в быстродействии процессора и быстродействия основной памяти в…

Режимы работы компьютеров

Однопрограммный режим.Решение задач может быть организовано следующим образом. Программа загружается в основную память компьютера, после чего… На рис. 3.9 приведена временная диаграмма работы устройств компьютера в… Мультипрограммный режим. Для уменьшения простоев устройств в память компьютера можно загрузить сразу несколько…

Средства мультипрограммирования

1. Емкость памяти компьютера должна быть достаточна для размещения данных, относящихся к нескольким задачам, которые должны обрабатываться в… 2. В компьютере должна быть обеспечена возможность параллельной работы… 3. Компьютер должен быть оснащен средствами, обеспечивающими управление порядком выполнения задач, принятых на…

Функции управляющих программ операционной системы

Мультипрограммная работа компьютера обеспечивается с помощью управляющих программ операционной системы, которые координируют работу устройств компьютера в процессе параллельного выполнения нескольких программ. Принцип управления мультипрограммной обработкой иллюстрируется рис. 3.14.

Основной управляющей программой является супервизор. Супервизор контролирует состояние и управляет работой всех устройств компьютера: процессора П, основной памяти ОП, внешних запоминающих устройств ВЗУ и устройств ввода-вывода УВВ. Контроль состояния устройств сводится к получению и сохранению в супервизоре следующей информации: устройство включено или выключено, исправно или неисправно, занято или свободно. Для каждого запоминающего устройства супервизор ведет таблицу, в которой отмечается местоположение (адреса) занятых и свободных участков памяти и размещение информации в пределах запоминающего устройства. Управление работой устройств сводится к закреплению устройств и освобождению устройств и областей памяти по окончании их использования программами. В момент окончания этапа процессорной обработки или операции ввода-вывода супервизор получает извещение об этом в виде сигнала прерывания, формируемого процессором или внешним устройством и после соответствующей обработки в процессоре воздействующего на супервизор. Кроме того супервизор обслуживает особые ситуации, возникающие при выполнении программ и в работе устройств: переполнение, нарушение защиты памяти, обрыв бумаги в печатающем устройстве и т. п. Информация о таких ситуациях передается в супервизор также с помощью сигналов прерывания. Через устройства ввода-вывода на супервизор воздействуют внешние сигналы: нажатие кнопки на пульте, свидетельствующее о необходимости принять информацию от оператора; нажатие кнопки о готовности устройства для дальнейшей работы и т. п.

Другой управляющей программой является планировщик, функция которого – ввод заданий и обеспечение их ресурсами с целью создания задач, подготовленных для обработки (см. рис. 3. 14). Задания J1… JР поступают в компьютер через устройства ввода-вывода и записываются в память. Планировщик, руководствуясь некоторой стратегией планирования, выбирает первоочередные задания и начинает обеспечивать их необходимыми емкостями основной и внешней памяти и устройствами ввода-вывода. Потребность в ресурсах выявляется из задания, на основе которого должно выполняться задание, и описания данных. Запросы на требуемые ресурсы посылаются в супервизор, который удовлетворяет их по мере возможности. При обеспечении задания ресурсами планировщик заполняет информационную таблицу, в которую заносится перечень конкретных ресурсов, предоставляемых для выполнения задания. Задание, обеспеченное всеми необходимыми ресурсами, становится задачей, которая включается в смесь из М задач P1… PМ, выполняемых компьютером под управлением супервизора.

Супервизор инициирует задачу путем загрузки соответствующей программы в основную память. При освобождении процессора задача переходит в состояние счета (см. рис. 3. 14) и обрабатывается процессором до тех пор, пока не появиться необходимость во вводе-выводе информации. Все запросы на ввод-вывод, формируемые программами, обрабатываются супервизором, который, реагируя на запрос, инициирует работу внешнего устройства, закрепленного за задачей. В период выполнения операции ввода-вывода задача находится в состоянии ожидания окончания ввода-вывода, а супервизор переключает процессор на обработку другой задачи, находящейся в состоянии ожидания счета. В момент окончания операции ввода-вывода внешнее устройство формирует сигнал прерывания, реагируя на который супервизор ставит задачу в очередь на процессорную обработку. Когда выполнение задачи заканчивается, супервизор инициирует планировщик, который начинает подготавливать к обработке очередное задание.

Чтобы отличать программы, обрабатываемые компьютером, от управляющих программ, первые называются прикладными программами. И прикладные программы, и управляющие программы реализуются на одних и тех же устройствах компьютера поочередно. Планировщик включается в работу супервизором и выполняется процессором в следующих случаях: 1) при поступлении из устройства ввода-вывода директивы на ввод задания, воспринимаемой и декодируемой супервизором; 2) по окончании обработки задачи для создания следующей задачи. Супервизор включается в работу: 1) сигналами прерывания; 2) командами прикладных программ и планировщика, посредством которых эти программы обращаются к супервизору для получения ресурсов, контролируемых супервизором, и выполнения операций ввода-вывода. Прикладные программы обрабатываются процессором в промежутки времени, когда процессор не занят выполнением управляющих программ – супервизора и планировщика.

 

 

Привилегированные операции и состояния процессора

Супервизор централизует в себе все функции по управлению оборудованием компьютера. Это означает, что прикладные программы могут использовать только те области памяти, которые выделены супервизором, и могут обращаться только к тем устройствам и только в такие моменты времени, которые назначены супервизором. Следовательно, ни одна прикладная программа не может содержать в своем составе системные команды, влияющие на состояние устройств и компьютера в целом, и команды ввода-вывода, поскольку появление таких команд в прикладной программе позволяло бы программе бесконтрольно использовать оборудование компьютера, являющееся общим для всех программ. Системные операции и операции ввода-вывода, которые могут изменять состояние оборудования, используемого несколькими программами, называют привилегированными операциями. Привилегированные операции (команды) могут использоваться только в программах супервизора и недопустимы в прикладных программах.

Чтобы контролировать порядок использования привилегированных операций, принято выделять два альтернативных состояния процессора: состояние супервизор, в котором процессор выполняет программы супервизора, и состояние задача, в котором процессор выполняет прикладные программы. В состоянии супервизор допускается выполнение любых операций, а в состоянии задача – только непривилегированных операций. Если процессор находится в состоянии задача, появление в программе привилегированной операции считается ошибкой и выполнение программы прекращается. Состояние супервизор-задача устанавливается командой, инициирующей программу. Эта команда относится к классу привилегированных и используется только супервизором. Если инициируется прикладная программа, то устанавливается состояние задача; если инициируется программа супервизора, процессор переключается в состояние супервизор.

Кроме состояния супервизор-задача в мультипрограммных компьютерах вводятся следующие пары альтернативных состояний процессора: счет – ожидание и работа – стоп. В состоянии счет процессор занят выполнением прикладных программ и программ супервизора. В состоянии ожидания процессор не выполняет команд, а ожидает сигнал прерывания, по поступлении которого работа будет продолжена. В состоянии работа процессор может выполнять счет по программе или находится в ожидании сигнала прерывания, будучи готовым приступить к работе. В состоянии стоп процессор прекращает выполнение команд и не реагирует на сигналы прерывания. Из состояния стоп процессор может быть выведен только с инженерного пульта управления.

 

 

Организация прерывания программ

Сигналы прерывания. Причины, приводящие к генерированию сигналов прерывания, принято подразделять в зависимости от источников прерывания на… 1. Внешние прерывания. Причинами внешних прерываний являются события,… 2. Прерывания от ввода-вывода. Прерывания от ввода-вывода возникают в средствах ввода-вывода в момент завершения…

Средства защиты памяти

Искажение информации, не принадлежащей задаче, может произойти только при записи информации по некорректному адресу. С точки зрения программиста… Для защиты памяти в мультипрограммных компьютерах используются следующие… Защита памяти по граничным адресам. Каждой программе выделяется область основной памяти, начинающаяся от ячейки с…

– Конец работы –

Используемые теги: архитектура, компьютеров0.053

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Архитектура компьютеров

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Лекция: Архитектура компьютерной системы В лекции подробно рассмотрена архитектура компьютерной системы: управление прерываниями
В лекции подробно рассмотрена архитектура компьютерной системы управление прерываниями памятью вводом выводом иерархия памяти ассоциативная... Содержание Введение Архитектура компьютерной системы... Введение...

Архитектура компьютера
По сравнению с персональными вычислительными машинами у игровых компьютеров увеличены мультимедийные возможности звук видео интерактивность но... Карманные компьютеры... Похожи на персональные компьютеры но меньше их по размеру представляют собой наладонники Обычно используются как...

Архитектура компьютера
Сюда относят неудавшийся проект Японии хорошо описан в Википедии Другие источники относят к пятому поколению вычислительных машин так называемые... Также существует мнение что к пятому поколению следует относить компьютеры с... Карманные компьютеры...

Архитектура персональных компьютеров IBM PC
Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание компьютера всего лишь как мелкий эксперимент - что-то… И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс. Прежде всего, в… В августе 1981 года новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике и вскоре после этого он…

В настоящее время существуют два типа архитектуры микропроцессорных систем – Принстонская, или архитектура фон-Неймана и Гарвардская
Введение... В настоящее время существуют два типа архитектуры микропроцессорных систем... В г американский математик Джон фон Нейман сформулировал основные принципы работы современных компьютеров Им...

Архитектура персонального компьютера
Определение Universal Serial Bus USB это стандарт для связи периферийных устройств с компьютером Все ПК выпущенных в последнее время... Universal Serial Bus USB имеет много общего с последовательным портом USB... Видеомониторы устройства предназначенные для вывода информации от ПК пользователю Мониторы...

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ МОДУЛЯ Б2.Б.7 АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРОВ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Мурманский государственный гуманитарный университет...

Архитектура и основные характеристики персонального компьютера
С начала 90-х годов ХХ века начинается бурное внедрение персональных компьютеров во все сферы функционирования общества, создаются принципиально… В сфере коммуникаций появилось и стало быстро распространятся новое средство… Вместе с тем существует минимально необходимый набор устройств, называемой базовой аппаратной конфигурацией ПК, при…

Архитектура компьютера
С другими устройствами и в первую очередь с оперативной памятью процессор связан группами проводников которые называются шинами Основных шин... шина данных... адресная шина...

АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА
ИНФОРМАЦИОННО ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ... ГЛАВА ФУНКЦИОНАЛЬНО СТРУКТУРНАЯ... МИКРОПРОЦЕССОРЫ...

0.092
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам