Курс лекций по дисциплине ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ имени К.Г.Разумовского Кафедра Информационных технологий Курс лекций по дисциплине ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ,СИСТЕМЫ И СЕТИ профиль: "Автоматизированные систему обработки информации и управления" Форма обучения:длявсех форм обучения Сроки обучения:полная сокращенная Авторы доцент кафедры информационных технологий к.т.н.В.Ю.Яньков доцент кафедры информационных технологий к.т.н.Г.А.Бобырь Москва – 2011

 

 

СОДЕРЖАНИЕ	Стр.
ЛЕКЦИЯ 1.История создания и развития ЭВМ
ЛЕКЦИЯ 2. Системы счисления
ЛЕКЦИЯ 3. Способы представления чисел в ЭВМ
ЛЕКЦИЯ 4. Основы схемотехники
ЛЕКЦИЯ 5. Комбинационные схемы ЭВМ
ЛЕКЦИЯ 6.Последовательские узлы
ЛЕКЦИЯ 7.Арифметико - логическое устройство
ЛЕКЦИЯ 8.Устройство управления
ЛЕКЦИЯ 9. Память
ЛЕКЦИЯ 10. Система кодирования команд в ЭВМ
ЛЕКЦИЯ 11. Выполнение одной команды
ЛЕКЦИЯ 12. Вычислительные системы
ЛЕКЦИЯ 13. Компьютерные сети

ЛЕКЦИЯ 1.ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭВМ.

Этапы развития ЭВМ.

Первая аналоговая ЭВМ появилась в 1939г. в приборе ПУАЗО Первой цифровой универсальной автоматически управляемой ВМ считается… Проект первой ЭВМ ЭНИАК был разработан (США, 1942г.); в 1946г машина вступила в строй. В этой машине 18.000…

Принципы работы ЭВМ

Для дискретного сообщения характерно наличие фиксированного набора элементов, из которых в определенные моменты времени формируются различные…   Рис. 1.1. Классическая структурная схема ЭВМ

Шина питания(Power Bus).

Шинная структура связей

При шинной структуре связей все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей).

Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине

 

Лекция2. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ.

Система счисления.

В повседневной практике мы пользуемся, как правило, десятичной системой счисления. На практике мы сталкиваемся и с более сложными, в частности, со смешанными… Или интересная - римская система счета, которая использует символы: I - 1, V - 5, X - 10, L - 50, C - 100, D - 500, M…

Позиционные системы счисления.

Позиция - некоторое место, в котором может быть представлен лишь один символ. Примером позиционной системы счисления является десятичная система. В этой системе число представляется в виде полинома "n" степени, а изображается совокупностью некоторых…

Выбор системы счисления.

Прямой и однозначный ответ на этот вопрос невозможен. Можно дать много различных ответов и все они будут справедливы лишь для каких-то определенных… Например, для экономической информации характерно то, что очень несложные… Однако ЭВМ предназначены не только для выполнения экономических расчетов. В большинстве случаев неэкономических…

Перевод чисел из одной системы счисления в другую.

Этот перевод может быть выполнен: 1. вручную, 2. на ЭВМ (с помощью специальных программ).

Перевод чисел из одной системы счисления в другую, когда одно основание является целой степенью другого.

Пусть каким-либо образом мы получили запись этого числа в виде двоичного, т.е.: N2 = b1*2k-1 + b2*2k-2 + ... + bk-2*22 + bk-1*21 + bk*20. Разделим эти выражения на 23 = 8: a1*8n-2 + a2*8n-3 + a3*8n-4 + ... +… Так как числа были равны, то получается одинаковые частные и одинаковые остатки:

Арифметические операции в двоичной системе счисления.

Арифметические действия над двоичными числами выполняются по тем же правилам, что и над десятичными.

В двоичной системе счисления, так же как и в десятичной, могут быть записаны дробные и смешанные числа. Целая и дробная части числа отделяются друг от друга точкой.

На выполнении двух элементарных таблиц сложения и умноже­ния основано построение арифметических операций в машинах с двоичными числами.

Пример 4.14. Выполнить арифметические операции в двоичной и десятич­ной системах счисления над одними и теми же дробными числами.

Операция сложения соответственно в двоичной и десятичной системе счис­ления:

. 0.000111 ,0.109375

+ 0.110110 +0.843750

__________ _________

0.111101 0.953125

 

Операции вычитания:

0.110011 0.796875

-0.101110 -0.718750

________ ________

0.000101 0.078125

 

Операция умножения:

0111 0.875

х х

0.101 0.625

______ ________ .

111 4375

+ 1750

111 5250

______ _______

0.100011 0.546875

 

ЛЕКЦИЯ 3. СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЧИСЕЛ В ЭВМ.

Применяются два основных способа представления чисел - с фиксированной и плавающей запятой. Большинство универсальных ЭВМ работает с числами, представленными с плавающей запятой, а большинство специализированных - с фиксированной запятой.

Однако целый ряд машин работает с числами в этих двух форматах.

В общем виде способ представления чисел сильно влияет на характер программирования. Так, программирование для ЭВМ, работающих в системе с фиксированной запятой, значительно усложняется, поскольку помимо алгоритмических трудностей этот процесс требует ещё отслеживания положения запятой.

Фиксированная запятая

При представлении чисел с фиксированной запятой считают, что запятая всегда находится перед старшим разрядом, а все числа, которые участвуют в… |X| < 1 Введём две характеристики чисел: диапазон изменения и точность представления.

Плавающая запятая

X = ± Mx * q±p, где: Mx - мантисса числа; q - основание системы счисления;

Дополнительный код

    Если некоторое X = -0,x1x2...xn нужно представить в дополнительном коде, то

Обратный код

  Определим диапазоны чисел: X+ min = 0,00...0 - положительный нуль.

ЛЕКЦИЯ 4. ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ

Логические функции и их свойства

Студентам кафедры информационных технологий МГУТУ читают курс дискретной математики, куда, в частности, входит алгебра логики. Но, так как автору часто приходится читать курс моделирования систем ДО курса… Особенностью Булевой алгебры является применимость для описания работы так называемых дискретных устройств, к числу…

Сложение по mod 2

Правило де Моргана x1 x2 ... xn = x1 & x2& ... & xn x1 x2 ... xn = x1 & x2 & ... & xn

Основные обозначения на схемах

Для изображения электронных устройств и их узлов применяется три

основных типа схем:

· принципиальная схема;

· структурная схема;

· функциональная схема.

Различаются они своим назначением и, самое главное, степенью детализации изображения устройств.

Принципиальная схема — наиболее подробная. Она обязательно показывает все использованные в устройстве элементы и все связи между ними. Если схема строится на основе микросхем, то должны быть показаны номера выводов всех входов и выходов этих микросхем. Принципиальная схема должна позволять полностью воспроизвести устройство. Обозначения принципиальной схемы наиболее жестко стандартизованы, отклонения от стандартов не рекомендуются.

Структурная схема — наименее подробная. Она предназначена для отображения общей структуры устройства, то есть его основных блоков, узлов, частей и главных связей между ними. Из структурной схемы должно быть понятно, зачем нужно данное устройство и что оно делает в основных режимах работы, как взаимодействуют его части. Обозначения структурной схемы могут быть довольно произвольными, хотя некоторые общепринятые правила все-таки лучше выполнять.

Функциональная схема представляет собой гибрид структурной и принципиальной. Некоторые наиболее простые блоки, узлы, части устройства отображаются на ней, как на структурной схеме, а остальные — как на принципиальной схеме. Функциональная схема дает возможность понять всю логику работы устройства, все его отличия от других подобных устройств, но не позволяет без дополнительной самостоятельной работы воспроизвести это устройство. Что касается обозначений, используемых на функциональных схемах, то в части, показанной как структура, они не стандартизованы, а в части, показанной как принципиальная схема, — стандартизованы.

В технической документации обязательно приводятся структурная или функциональная схема, а также обязательно принципиальная схема. В научных статьях и книгах чаще всего ограничиваются структурной или функциональной схемой, приводя принципиальные схемы только некоторых узлов.

А теперь рассмотрим основные обозначения, используемые на схемах.

Все узлы, блоки, части, элементы, микросхемы показываются в виде прямоугольников с соответствующими надписями. Все связи между ними, все передаваемые сигналы изображаются в виде линий

Передаваемые сигналы изображаются в виде линий, соединяющих эти прямоугольники. Входы и входы/выходы должны быть расположены на левой стороне прямоугольника, выходы — на правой стороне, хотя это правило часто нарушают, когда необходимо упростить рисунок схемы. Выводы и связи питания, как правило, не прорисовывают, если, конечно, не используются нестандартные включения элементов схемы. Это самые общие правила, касающиеся любых схем.

Прежде чем перейти к более частным правилам, дадим несколько определений.

Положительный сигнал (сигнал положительной полярности) — это сигнал, активный уровень которого — логическая единица. То есть нуль — это отсутствие сигнала, единица — сигнал пришел (рис. 4.1).

 

 

Рис. 4.1. Элементы цифрового сигнала

Отрицательный сигнал (сигнал отрицательной полярности) — это сигнал, активный уровень которого — логический нуль. То есть единица — это отсутствие сигнала, нуль — сигнал пришел (рис. 4.1).

Активный уровень сигнала — это уровень, соответствующий приходу сигнала, то есть выполнению этим сигналом соответствующей ему функции.

Пассивный уровень сигнала — это уровень, в котором сигнал не выполняет никакой функции.

Инвертирование или инверсия сигнала — это изменение его полярности.

Инверсный выход — это выход, выдающий сигнал инверсной полярности по сравнению с входным сигналом.

Прямой выход — это выход, выдающий сигнал такой же полярности, какую имеет входной сигнал.

Положительный фронт сигнала — это переход сигнала из нуля в единицу

Отрицательный фронт сигнала (спад) — это переход сигнала из единицы в нуль.

Передний фронт сигнала — это переход сигнала из пассивного уровня в активный.

Задний фронт сигнала — это переход сигнала из активного уровня в пассивный.

Тактовый сигнал (или строб) — управляющий сигнал, который определяет момент выполнения элементом или узлом его функции.

Шина — группа сигналов, объединенных по какому-то принципу,

 

Условно-графические обозначения микросхем должны соответствовать стандарту ОСТ 2.743-91 ЕСКД. «Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники»

 

 

 

Рис. 4.2. Обозначение входов и выходов

 

Для обозначения полярности сигнала на схемах используется простое правило: если сигнал отрицательный, то перед его названием ставится знак минус, например, -WR или -OE, или же (реже) над названием сигнала ставится черта. Если таких знаков нет, то сигнал считается положительным. Для названий сигналов обычно используются латинские буквы, представляющие собой сокращения английских слов, например, WR — сигнал записи (от "write" — "писать").

Инверсия сигнала обозначается кружочком на месте входа или выхода. Существуют инверсные входы и инверсные выходы (рис. 4.2).

Если какая-то микросхема выполняет функцию по фронту входного сигнала, то на месте входа ставится косая черта (под углом 45°), причем наклон вправо или влево определяется тем, положительный или отрицательный фронт используется в данном случае (рис. 4.2).

Тип выхода микросхемы помечается специальным значком: выход 3С — перечеркнутым ромбом, а выход ОК — подчеркнутым ромбом (рис. 4.2).ОК- это Выход открытый L-типа (например открытый коллектор n-р-n транзистора Стандартный выход (2С) никак не помечается.

Наконец, если у микросхемы необходимо показать неинформационные выводы, то есть выводы, не являющиеся ни логическими входами, ни логическими выходами, то такой вывод помечается косым крестом (две перпендикулярные линии под углом 45°). Это могут быть, например, выводы для подключения внешних элементов (резисторов, конденсаторов) или выводы питания (рис. 4.3).

 

Рис. 4.3. Обозначение неинформационных выводов

В схемах также предусматриваются специальные обозначения для шин (рис. 4.4). На структурных и функциональных схемах шины обозначаются толстыми линиями или двойными стрелками, причем количество сигналов, входящих в шину, указывается рядом с косой чертой, пересекающей шину. На принципиальных схемах шина тоже обозначается толстой линией, а входящие в шину и выходящие из шины сигналы изображаются в виде перпендикулярных к шине тонких линий с указанием их номера или названия (рис. 4.4). При передаче по шине двоичного кода нумерация начинается с младшего разряда кода.

 

 

Рис. 4.4. Обозначение шин

При изображении микросхем используются сокращенные названия входных и выходных сигналов, отражающие их функцию. Эти названия располагаются на рисунке рядом с соответствующим выводом. Также на изображении микросхем указывается выполняемая ими функция (обычно в центре вверху). Изображение микросхемы иногда делят на три вертикальные поля. Левое поле относится к входным сигналам, правое — к выходным сигналам. В центральном поле помещается название микросхемы и символы ее особенностей. Неинформационные выводы могут указываться как на левом, так и на правом поле; иногда их показывают на верхней или нижней стороне прямоугольника, изображающего микросхему.

Микросхема в целом обозначается на схемах буквами DD (от английского "digital" — "цифровой") с соответствующим номером, например, DD1, DD20.1, DD38.2 (после точки указывается номер элемента или узла внутри микросхемы).

Базовые элементы цифровой электротехники

Логические элементы (или, как их еще называют, вентили, "gates") — это наиболее простые цифровые микросхемы. Именно в этой простоте и… Обычно каждый логический элемент имеет несколько входов (от одного до…

Инверторы

  Рис. 4.5. Условные обозначения инверторов: зарубежные (слева) и отечественные… В одном корпусе микросхемы обычно бывает шесть инверторов. Отечественное обозначение микросхем инверторов —…

Элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ

Самые распространенные логические функции — это И (в отечественной системе обозначений — ЛИ), И-НЕ (обозначается ЛА), ИЛИ (обозначается ЛЛ) и ИЛИ-НЕ… Название самих функций И и ИЛИ говорит о том, при каком условии на входах… Элемент И формирует на выходе единицу тогда и только тогда, если на всех его входах (и на первом, и на втором, и на…

ЛЕКЦИЯ 5. КОМБИНАЦИОННЫЕ СХЕМЫ ЭВМ.

Комбинационные микросхемы выполняют более сложные функции, чем простые логические элементы. Их входы объединены в функциональные группы и не являются полностью взаимозаменяемыми. Объединяет комбинационные микросхемы с логическими элементами то, что они не имеют внутренней памяти. То есть уровни их выходных сигналов всегда однозначно определяются текущими уровнями входных сигналов и никак не связаны с предыдущими значениями входных сигналов. Любое изменение входных сигналов обязательно изменяет состояние выходных сигналов. Именно поэтому логические элементы иногда также называют комбинационными микросхемами, в отличие от последовательных (или последовательностных) микросхем, которые имеют внутреннюю память и управляются не уровнями входных сигналов, а их последовательностями.

Дешифраторы

Микросхемы дешифраторов обозначаются на схемах буквами DC (от английского Decoder), а микросхемы шифраторов — CD (от английского Coder Таблица 5.1. истинности дешифратора на три входа входы … По таблице истинности можно составить логическую формулу для дешифратора

Шифратор

  Таблица 5.2. истинности шифратора на три входа. Входы выход … Синтезированная на основании приведенных логических уравнений структурная схема шифратора представлена на рис.5.5 а, а…

Сумматоры

   

ЛЕКЦИЯ 6.ПОСЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ УЗЛЫ ЭВМ.

Триггеры и регистры сохраняют свою память только до тех пор, пока на них подается напряжение питания. Иначе говоря, их память относится к типу… Большим преимуществом триггеров и регистров перед другими типами микросхем с… Триггер можно рассматривать как одноразрядную, а регистр — как многоразрядную ячейку памяти, которая состоит из…

Триггеры

     

RS триггеры.

  Таблица 6.1.Таблица состояний асинхронного RS триггера Входы …  

D-триггеры

D-триггеры могут быть однотактными, или двухтактными. Функциональная схе­ма синхронизируемого однотактного D-триггера и его условное обозначение…    

Т-триггеры

   

Регистры

Регистр – внутреннее запоминающее устройство процессора или внешнего устройства, предназначенное для временного хранения обрабатываемой или управляющей информации. Регистры представляют собой совокупность триггеров, количество которых равняется разрядности регистра, и вспомогательных схем, обеспечивающих выполнение некоторых элементарных операций.

Набор этих операций, в зависимости от функционального назначения регистра, может включать в себя одновременную установку всех разрядов регистра в "0", параллельную или последовательную загрузку регистра, сдвиг содержимого регистра влево или вправо на требуемое число разрядов, управляемую выдачу информации из регистра (обычно используется при работе нескольких схем на общую шину данных) и т.д.

Регистры хранения.

Регистры хранения используются для приема, хранения и выдачи многоразрядного кода. Они представляют собой совокупность одноступенчатых триггеров (как правило, D-типа) с общим входом синхронизации. Иногда в регистре имеется также и общий вход асинхронной установки всех триггеров в "0". Схема четырехразрядного регистра хранения приведена на рис. 6.16, а его условно-графическое обозначение – на рис. 6.17.

 

 

.

 

 

 

Рис. 6.16. Структура четырехразрядного регистра хранения с асинхронным входом установки в "0"

 

 

Рис. 6.17. Условно-графическое обозначение четырехразрядного регистра хранения с асинхронным входом установки в "0"

Регистр сдвига

Регистры сдвига строятся на двухступенчатых триггерах. Схема четырехразрядного регистра, выполняющего сдвиг на один разряд от разряда 0 к разряду 3,…   Рис. 6.18. Структура регистра сдвига

Счетчики

Суть работы счетчика заключается в изменении на единицу зафиксированного в нем значения с приходом каждого счетного сигнала. Счетчики принято… Пример асинхронного трехразрядного двоичного суммирующего счетчика приведен на…  

ЛЕКЦИЯ 7.АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

Описание АЛУ

Арифметико-логическое устройство в зависимости от выполнения функций можно разделить на две части: 1. микропрограммное устройство (устройство управления), задающее… 2. операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд .

Работа АЛУ.

1. По управляющему сигналу Y1 первое слагаемое (или уменьшаемое при вычитании)поступает из оперативной памяти по BDI (шине входа) в регистр RGB. … 2. При сложении второе слагаемое из оперативной памяти по BDI (шине входа) по… При вычитании операнд поступает в RG↨, инвертируется там, и затем в инверсном коде поступает в регистр RGA.

ЛЕКЦИЯ 8.УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ.

Любое действие, выполняемое в операционном блоке, описывается некоторой микропрограммой и реализуется за один или несколько тактов. Элементарная… Совокупность микроопераций, выполняемых в одном такте, называется… Устройство управления предназначено для выработки управляющих сигналов, под воздействием которых происходит…

Схемное устройство управления

· датчика сигналов, вырабатывающего последовательность импульсов, равномерно распределенную во времени по своим шинам (рис. 8.2) (n - общее… · блока управления операциями, осуществляющего выработку управляющих… · дешифратора кода операций, который дешифрирует код операции команды, присутствующей в данный момент в регистре…

Датчик сигналов на основе счетчика с дешифратором

Реализация датчика сигналов на основе счетчика с дешифратором представлена на рис. 8.3. По заднему фронту каждого тактового импульса, поступающего на устройство управления с системного генератора импульсов, счетчик увеличивает свое состояние; выходы счетчика соединены со входами дешифратора, выходы которого и являются выходами датчика сигналов (рис. 8.4).

 

 

 

 

Рис. 8.3. Схема датчика сигналов на основе счетчика с дешифратором

 

 

 

Рис. 8.4. Временная диаграмма работы датчика сигналов на основе счетчика с дешифратором

Датчик сигналов на сдвиговом регистре

     

Структурная схема микропрограммного устройства управления

Микропрограммное устройство управления представлено на рис. 8.7. Преобразователь адреса микрокоманды преобразует код операции команды, присутствующей в данный момент в регистре команд, в начальный адрес микропрограммы, реализующей данную операцию, а также определяет адрес следующей микрокоманды выполняемой микропрограммы по значению адресной части текущей микрокоманды.

 

 

Рис. 8.7. Функциональная схема микропрограммного устройства управления (УСi - управляющие сигналы, вырабатываемые устройством управления)

 

В последней микрокоманде в регистр команд загрузится очередная команда, код операции которой определит начальный адрес очередной микропрограммы. В реальных микропрограммных устройствах управления формирование адреса следующей микрокоманды проводится более сложным образом, учитывающим возможности ветвлений и циклического повторения отдельных фрагментов микропрограмм.

Из анализа структуры и принципов работы схемного и микропрограммного устройств управления видно, что УУ первого типа имеют сложную нерегулярную структуру, которая требует специальной разработки для каждой системы команд и должна практически полностью перерабатываться при любых модификациях системы команд. В то же время оно имеет достаточно высокое быстродействие, определяемое быстродействием используемого элементного базиса.

Устройство управления, реализованное по микропрограммному принципу, может легко настраиваться на возможные изменения в операционной части ЭВМ. При этом настройка во многом сводится лишь к замене микропрограммной памяти. Однако УУ этого типа обладают худшими временными показателями по сравнению с устройствами управления на жесткой логике.

ЛЕКЦИЯ 9. ПАМЯТЬ.

Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими устройствами (ЗУ) того или иного типа. Запоминающие устройства играют важную роль в общей структуре ЭВМ. По некоторым… К основным параметрам, характеризующим запоминающие устройства, относятся емкость и быстродействие.

Классификация запоминающих устройств

Запоминающие устройства можно классифицировать по целому ряду параметров и признаков. На рис.9.1 представлена классификация по типу обращения и организации доступа к ячейкам ЗУ.

 

Рис. 9.1. Классификация запоминающих устройств

По типу обращения ЗУ делятся на устройства, допускающие как чтение, так и запись информации, и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), предназначенные только для чтения записанных в них данных (ROM - read only memory). ЗУ первого типа используются в процессе работы процессора для хранения выполняемых программ, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. В ПЗУ, как правило, хранятся системные программы, необходимые для запуска компьютера в работу, а также константы. В некоторых ЭВМ, предназначенных, например, для работы в системах управления по одним и тем же неизменяемым алгоритмам, все программное обеспечение может храниться в ПЗУ.

По организации доступа ЗУ делятся на три класса.

В ЗУ с произвольным доступом (RAM - random access memory) время доступа не зависит от места расположения участка памяти (например, ОЗУ).

В ЗУ с прямым (циклическим) доступом благодаря непрерывному вращению носителя информации (например, магнитный диск - МД) возможность обращения к некоторому участку носителя циклически повторяется. Время доступа здесь зависит от взаимного расположения этого участка и головок чтения/записи и во многом определяется скоростью вращения носителя.

В ЗУ с последовательным доступом производится последовательный просмотр участков носителя информации, пока нужный участок не займет некоторое нужное положение напротив головок чтения/записи (например, магнитные ленты - МЛ).

Как отмечалось выше, основные характеристики запоминающих устройств - это емкость и быстродействие. Идеальное запоминающее устройство должно обладать бесконечно большой емкостью и иметь бесконечно малое время обращения. На практике эти параметры находятся в противоречии друг другу: в рамках одного типа ЗУ улучшение одного из них ведет к ухудшению значения другого. К тому же следует иметь в виду и экономическую целесообразность построения запоминающего устройства с теми или иными характеристиками при данном уровне развития технологии. Поэтому в настоящее время запоминающие устройства компьютера строятся по иерархическому принципу (рис. 9.2).

 

 

 

Рис. 9.2. Иерархическая организация памяти в современных ЭВМ

Иерархическая структура памяти позволяет экономически эффективно сочетать хранение больших объемов информации с быстрым доступом к информации в процессе ее обработки.

На нижнем уровне иерархии находится регистровая память - набор регистров, входящих непосредственно в состав микропроцессора (центрального процессора - CPU). Регистры CPU программно доступны и хранят информацию, наиболее часто используемую при выполнении программы: промежуточные результаты, составные части адресов, счетчики циклов и т.д. Регистровая память имеет относительно небольшой объем (до нескольких десятков машинных слов). РП работает на частоте процессора, поэтому время доступа к ней минимально. Например, при частоте работы процессора 2 ГГц время обращения к его регистрам составит всего 0,5 нс.

Оперативная память - устройство, которое служит для хранения информации (программ, исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки), непосредственно используемой в ходе выполнения программы в процессоре. В настоящее время объем ОП персональных компьютеров составляет гигабайты. Оперативная память работает на частоте системной шины и требует 6-8 циклов синхронизации шины для обращения к ней. Так, при частоте работы системной шины 100 МГц (при этом период равен 10 нс) время обращения к оперативной памяти составит несколько десятков наносекунд.

Для заполнения пробела между РП и ОП по объему и времени обращения в настоящее время используется кэш-память, которая организована как более быстродействующая (и, следовательно, более дорогая) статическая оперативная память со специальным механизмом записи и считывания информации и предназначена для хранения информации, наиболее часто используемой при работе программы. Как правило, часть кэш-памяти располагается непосредственно на кристалле микропроцессора (внутренний кэш), а часть - вне его (внешняя кэш-память). Кэш-память программно недоступна. Для обращения к ней используются аппаратные средства процессора и компьютера.

Внешняя память организуется, как правило, на магнитных и оптических дисках, магнитных лентах. Емкость дисковой памяти достигает сотен гигабайт при времени обращения менее 1 мкс. Магнитные ленты вследствие своего малого быстродействия и большой емкости используются в настоящее время в основном только как устройства резервного копирования данных, обращение к которым происходит редко, а может быть и никогда. Время обращения для них может достигать нескольких десятков секунд.

Следует отметить, что электронная вычислительная техника развивается чрезвычайно быстрыми темпами. Так, согласно эмпирическому "закону Мура", производительность компьютера удваивается приблизительно каждые 18 месяцев. Поэтому все приводимые в данном пособии количественные характеристики служат по большей части только для отражения основных соотношений и тенденций в развитии тех или иных компонентов и устройств компьютеров.

Оперативная память

Сегодня оперативная память является полупроводниковой. В отличие от памяти на ферритовых сердечниках полупроводниковая память энергозависимая. Это… Преимуществами же полупроводниковой памяти перед ее заменителями являются: … Эти преимущества намного перекрывают недостатки полупроводниковой памяти, что делают ее незаменимой в ОЗУ современных…

ЛЕКЦИЯ 10. СИСТЕМА КОДИРОВАНИЯ КОМАНД В ЭВМ.

Форматы команд

Формат команды – это структура команды, позволяющая распознать назначение отдельных ее полей. Исходя из определения, команда должна содержать информацию о выполняемой… Схема выполнения трехадресной команды имеет вид:

Способы адресации

Различные способы адресации базируются на разных механизмах определения физического адреса операнда, то есть адреса фактического обращения к памяти… К основным способам адресации относятся следующие: прямая, непосредственная,…

Прямая адресация.

Операндi = (Аi), где Аi – код, содержащийся в i-м адресном поле команды.  

Косвенная адресация

  Операндi = ((Аi)). Рис. 10.6. Косвенная адресация

Относительная адресация.

Операндi = (базаi + смещениеi). Для задания базового адреса и смещения могут применяться ранее рассмотренные… Рассмотрим два примера.

ЛЕКЦИЯ 11. ВЫПОЛНЕНИЕ ОДНОЙ КОМАНДЫ ЭВМ.

  Рис. 11.1. Структурная схема трехадресной ЭВМ Обработку команды можно разбить на ряд функционально завершенных действий (этапов), составляющих ее цикл (рис.…

ЛЕКЦИЯ 12. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Вычислительная система (ВС) - это взаимосвязанная совокупность аппаратных средств вычислительной техники и программного обеспечения, предназначенная для обработки информации.

Разные типы вычислительных систем могут содержать несколько центральных процессоров, несколько ОЗУ и т.п.

Назначение, область применения многопроцессорных вычислительных систем

· системы высокой надежности ; · системы для высокопроизводительных вычислений ; · многопоточные системы.

Архитектура высокопроизводительных систем.

SMP-архитектура

  Рис. 12.1. Схематический вид SMP-архитектуры Память служит, в частности, для передачи сообщений между процессорами, при этом все вычислительные устройства при…

MPP-архитектура

  Рис.12.2. Схематический вид архитектуры с раздельной памятью Главным преимуществом систем с раздельной памятью является хорошая масштабируемость: в отличие от SMP-систем, в…

Гибридная архитектура NUMA

Гибридная архитектура совмещает достоинства систем с общей памятью и относительную дешевизну систем с раздельной памятью. Суть этой архитектуры – в…    

Архитектура Многопоточных систем

Основой системы является кластер из процессоров. Проект стал основой общего подхода к построению параллельных кластерных… Архитектура кластерной системы (способ соединения процессоров друг с другом) в большей степени определяет ее…

Типы высокопроизводительных процессоров.

Существующие в настоящее время алгоритмы прикладных задач, системное программное обеспечение и аппаратные средства преимущественно ориентированы на традиционную адресную обработку данных. Данные должны быть представлены в виде ограниченного количества форматов (например, массивы, списки, записи), должна быть явно создана структура связей между элементами данных посредством указателей на адреса элементов памяти, при обработке этих данных должна быть выполнена совокупность операций, обеспечивающих доступ к данным по указателям. Такой подход обуславливает громоздкость операционных систем и систем программирования, а также служит препятствием к созданию вычислительных средств с архитектурой, ориентированной на более эффективное использование параллелизма обработки данных.

Ассоциативные процессоры

Ассоциативный способ обработки данных позволяет преодолеть многие ограничения, присущие адресному доступу к памяти, за счет задания некоторого критерия отбора и проведения необходимых преобразований, только над теми данными, которые удовлетворяют этому критерию. Критерием отбора может быть совпадение с любым элементом данных, достаточным для выделения искомых данных из всех имеющихся. Поиск данных может происходить по фрагменту, имеющему большую или меньшую корреляцию с заданным элементом данных.

Конвейерные процессоры

Обработка команды может быть разделена на несколько основных этапов, назовем их микрокомандами . Выделим основные пять микрокоманд: · выборка команды; · расшифровка команды;

Матричные процессоры

    Рис. 12.4. Структура матричной вычислительной системы.

Прерывания

Прерывания делятся на внутренние и внешние. Внешние прерывания поступают от периферийных устройств, периферийных процессоров, таймера и пультовой… Собственно обработка прерывания заключается в прерывании выполнения текущей…  

ЛЕКЦИЯ 13. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ.

Компьютерные сети делятся на персональные сети(Personal Area Network) , предназначенная для взаимодействия… локальные сети (Local Area Network),. Термин «LAN» может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого…

Основные понятия локальной сети.

.Абонент (узел, хост, станция) — это устройство, подключенное к сети и активно участвующее в информационном обмене.

Чаще всего абонентом (узлом) сети является компьютер, но абонентом также может быть, например, сетевой принтер или другое периферийное устройство, имеющее возможность напрямую подключаться к сети.

Сервером называется абонент (узел) сети, который предоставляет свои ресурсы другим абонентам, но сам не использует их ресурсы. Таким образом, он обслуживает сеть. Серверов в сети может быть несколько, и совсем не обязательно, что сервер — самый мощный компьютер.

Выделенный (dedicated) сервер — это сервер, занимающийся только сетевыми задачами.

Невыделенный сервер может помимо обслуживания сети выполнять и другие задачи.

Клиентом называется абонент сети, который только использует сетевые ресурсы, но сам свои ресурсы в сеть не отдает, то есть сеть его обслуживает, а он ей только пользуется. Компьютер-клиент также часто называют рабочей станцией. В принципе каждый компьютер может быть одновременно как клиентом, так и сервером.

Под сервером и клиентом часто понимают также не сами компьютеры, а работающие на них программные приложения. В этом случае то приложение, которое только отдает ресурс в сеть, является сервером, а то приложение, которое только пользуется сетевыми ресурсами — клиентом.

Топология локальных сетей

Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, допустимые и наиболее удобные методы управления обменом, надежность… Важнейшие факторы, влияющие на физическую работоспособность сети и… · Исправность компьютеров (абонентов), подключенных к сети. В некоторых случаях поломка абонента может заблокировать…

Топология шина

    Рис. 13.1. Сетевая топология шина

Топология звезда

· Звезда (star) — к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует отдельную… Рис. 13.2. Сетевая топология звезда  

Топология кольцо

· Кольцо — это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи с двумя другими: от одного он получает информацию, а другому передает.…    

Другие топологии

  Рис. 13.5. Топология активное дерево