Внутренняя структура ЭВМ

 

2.7.1. Центральный процессор.Центральный процессор (CPU, Central Processing Unit) – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. Центральный процессор в общем случае содержит:

§ арифметико-логическое устройство;

§ шины данных и шины адресов;

§ регистры;

§ счетчики команд;

§ кэш – очень быструю память малого объёма;

§ математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Первый микропроцессор Intel 4004 был создан фирмой Intel в ноябре 1971 г. Он состоял из 2250 транзисторов, размещенных на кристалле размером не более шляпки гвоздя. В апреле 1974 г. компания Intel совершила новый качественный скачок: был создан первый универсальный восьмиразрядный микропроцессор 8080 с 4500 транзисторами. С тех пор развитие микропроцессорной техники происходило поистине с фантастической скоростью: современный микропроцессор Pentium 4 содержит около 30 млн. транзисторов, т. е. является очень сложным техническим устройством.

С точки зрения потребителей, процессоры характеризуются двумя основными параметрами: разрядностью и быстродействием. Разрядность определяет, прежде всего, количество разрядов обрабатываемых процессором данных. Быстродействие процессора зависит от ряда факторов, среди которых основными являются тактовая частота – величина, обратная количеству элементарных действий процессора за одну секунду, и количество тактов, затрачиваемых на выполнение одной команды.

В современных персональных компьютерах различных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

§ полная система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC);

§ сокращенный набор команд фиксированной длины – Reduced Instruction Set Computer (RISC).

Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. CISC – процессоры имеют обширный набор команд, что позволяет программисту выбрать наиболее подходящую в данном случае. Недостатком этой архитектуры является сложное внутреннее устройство процессоров и увеличенное время выполнения микрокоманды на микропрограммном уровне. Команды имеют разную длину и время исполнения.

Процессор RISC – архитектуры работает необычайно быстро и способен выполнить любую из своих немногочисленных команд за один машинный такт, в то время как обычно на выполнение простой операции требуется 4-5 тактов. Так как RISC – архитектура оперирует очень ограниченным набором команд, то если нужной команды не оказывается, её приходиться реализовывать с помощью нескольких команд из имеющегося набора, что увеличивает размер командного кода.

Микропроцессор осуществляет следующие основные функции:

§ выборку команд из ОЗУ;

§ декодирование команд, т. е. определение их назначения;

§ выполнение операций, закодированных в командах;

§ управление пересылкой информации между своими внутренними регистрами, оперативной памятью и внешними устройствами;

§ обработку внутри процессорных и программных прерываний;

§ обработку сигналов от внешних устройств и реализацию соответствующих прерываний;

§ управление различными устройствами, входящими в состав компьютера.

Что же представляет собой микропроцессор с точки зрения программиста? Для программиста любой процессор состоит из набора регистров памяти различного назначения, которые определённым образом связаны между собой и обрабатываются в соответствии с некоторой системой правил. Наиболее важными регистрами микропроцессора являются счетчик адреса команд, указатель стека и регистр состояния.

Роль счетчика команд состоит в сохранении адреса очередной команды программы и автоматическом вычислении адреса следующей. В указателе стека хранится адрес начала специальным образом организуемого участка памяти. Наконец, в регистре состояния хранятся сведения о текущих режимах работы процессора и информация о результатах выполнения команд. Например, равен ли результат нулю, отрицателен ли он, не возникли ли ошибки в ходе операции и т. п. Помимо рассмотренных, каждый микропроцессор имеет набор рабочих регистров, в которых хранятся текущие обрабатываемые данные или их адреса в ОЗУ. У некоторых процессоров рабочие регистры функционально равнозначны, в других назначение регистров достаточно жёстко оговаривается.

Всё адресное пространство микропроцессора состоит из множества адресов памяти ОЗУ, из которых он может брать информацию или засылать её. При обмене информацией с памятью процессор обращается к ячейкам ОЗУ по их номерам. Способы задания требуемых адресов в командах ЭВМ называются методами адресации. Если адрес находится в самой команде, то адресация называется прямой. В этом случае сильно возрастает длина команды и, чтобы избежать этого, используют метод косвенной адресации. Он состоит в том, что адрес памяти предварительно заносится в один из регистров микропроцессора, а в команде содержится лишь ссылка на этот регистр.

Приведём наиболее распространённые варианты адресации:

§ данные находятся в одном из регистров микропроцессора;

§ данные входят непосредственно в состав команды, т. е. размещаются после кода операции;

§ данные находятся по адресу ОЗУ, а сам этот адрес содержится в одном из регистров микропроцессора;

§ данные находятся по адресу, который вычисляется по формуле адрес = базовый адрес + смещение.

Базовый адрес хранится в одном из регистров, а смещение может быть либо некоторой константой, либо содержимом другого регистра. Часто такой способ доступа к ОЗУ называют индексным, т. к. это похоже на нахождение элемента в одномерном массиве по его индексу.

Применяются и более экзотические методы адресации, например, сегментный и стековый методы. При сегментном способе адресации адрес ОЗУ вычисляется как сумма двух чисел (сегмента и смещения), причем одно из них сдвинуто влево на четыре двоичных разряда. Таким способом удаётся адресовать память большего объёма, чем позволяет длина используемого адреса. Стек – это неявный способ адресации, при котором информация записывается и считывается только последовательным образом. Стек является простейшей динамической структурой. Добавление информации в стек и выборка из него выполняются из одного конца, называемого вершиной стека. Другие операции со стеком не определены. При выборке информация исключается из стека. Для работы со стеком используются две переменные: указатель на вершину стека и вспомогательный указатель, определяющий длину текущей информации в стеке. Таким образом, та информация, которая заносится в стек первой, извлекается последней, и наоборот. Стековый способ организации ОЗУ используется в вычислительной технике очень широко.

Важную роль в работе микропроцессора играют прерывания. События, вызывающие прерывания делятся на две группы: фатальные и нефатальные. Фатальные события влекут прекращение выполнения программы, реакция не нефатальные события может быть отложена. Например, сложение с переполнением разрядной сетки – фатальное событие, после которого остановка неизбежна; попытка вывода на принтер, не готовый к приёму информации, может быть отложена.

Основные виды прерываний – внутрипроцессорные прерывания и прерывания от внешних устройств. Первые связаны с возникновением непреодолимого препятствия при выполнении программы. Далее управление передаётся системе, обеспечивающей прохождение задач (чаще всего это операционная система). Прерывания второго вида возникают по требованиям какого-либо из внешних устройств. Это вполне нормальная ситуация при работе ЭВМ. При обработке такого прерывания микропроцессор обычно выполняет следующие действия:

§ запоминает в стеке текущее состояние счётчика команд и содержимое регистра состояния;

§ передаёт управление на программу обработки данного прерывания;

§ после её выполнения восстанавливает из стека значения своих регистров и продолжает выполнение прерванной программы.

К числу нефатальных относятся и специальные отладочные прерывания. Такие прерывания обеспечивают возможность пошагового исполнения тестируемой программы под контролем специальных программных средств. Нефатальные прерывания можно запретить. Запрет прерывания называется маскировкой и задаётся программистом или специальной программой.

Способ обмена микропроцессора с внешними устройствами может быть одним из двух следующих:

§ устройства ввода-вывода включаются в общее адресное пространство;

§ устройства ввода-вывода имеют своё собственное адресное пространство.

В первом случае при обращении к определённым адресам памяти вместо обмена с ОЗУ происходит аппаратное подключение того или иного внешнего устройства. При этом для “общения” с внешними устройствами и памятью используются одни и те же команды микропроцессора. Во втором случае внешние устройства образуют отдельное адресное пространство, обычно значительно меньшее, чем ОЗУ. Каждый адрес этого дополнительного пространства называется портом. Каждому внешнему устройству соответствует несколько портов с последовательными адресами. Различают последовательные и параллельные коммуникационные порты. Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно. Обмен процессора с организованными подобным образом устройствами осуществляется специальными командами ввода-вывода.

2.7.2. Оперативное запоминающее устройство.Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), или RAM (Random Access Memory) – памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из адреса памяти, обращаясь к нему по его номеру. Адрес памяти имеет стандартное число двоичных разрядов, обычно размер ячейки ОЗУ равен одному байту. Информация в ОЗУ сохраняется всё время, пока на схему памяти подаётся питание, т. е. она является энергозависимой.

Существуют два вида ОЗУ: динамическое ОЗУ, или DRAM (Dynamic RAM), и статическое ОЗУ, или SRAM (Static RAM). Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе и представляет информационный бит. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти. При записи или чтении из такого устройства требуется время для накопления или стекания заряда на конденсаторе. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического. Статическая (или кэш-память, cache - запас) работает практически с той же скоростью, что и процессор. Конструктивно элемент статической памяти представляет собой триггер на четырёх или шести транзисторах. Кэш-память может быть как встроенной в процессор, так и отдельной от него микросхемой, устанавливаемой на системной плате. Емкость статических ОЗУ значительно меньше, чем у динамических, кроме того, они более энергоёмки и значительно дороже. Обычно статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В современных процессорах кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет ёмкость 16-128 Кбайт и скорость, равную скорости процессора. В корпусе процессора на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня объёмом 256 Кбайт и более. Наконец, память третьего уровня расположена на системной плате, её ёмкость может достигать 1000 Мбайт.

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление внешними объектами. Эта память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory) и является энергонезависимой. Бывают два вида ПЗУ: программируемое однократно и перепрограммируемое ПЗУ. Память первого типа не позволяет изменять записанную в неё информацию, из такой памяти можно только читать. Память второго типа допускает многократную перезапись своего содержимого, стирание хранящейся информации осуществляется электрическим сигналом повышенной мощности.

2.7.3. Внутренние шины передачи данных. Шина – это устройство, обеспечивающее связь центрального процессора с периферийными устройствами компьютера. Существуют общая и периферийные шины. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шину адреса, шину данных и шину управления. Каждая шина характеризуется числом параллельных проводников для передачи информации. Эта характеристика называется шириной шины. Другой важной характеристикой является тактовая частота шины – это частота формирования циклов передачи информации. На этой частоте работает контроллер шины.

Шина адреса предназначена для передачи адреса памяти или адреса порта ввода-вывода. Если ширина шины равна , то количество адресуемой памяти равно . Шина данных передаёт команды и данные, её ширина составляет обычно 32¸64 проводников. Ширина шины управления определяется алгоритмом её работы или иначе протоколом работы шины. Примерный протокол работы шины таков. Первый такт работы инициируется процессором, который выставляет на шину адреса адрес внешнего порта или адрес памяти и управляющие сигналы, определяющие вид обмена. На втором такте процессор ждёт от устройства сигнала о готовности к приёму или передаче информации. Второй такт может повторяться до тех пор, пока не будет получен сигнал о готовности устройства. На третьем такте процессор выставляет на шину данных передаваемую информацию при записи или открывает шину данных для приёма информации. Наконец, на четвёртом такте происходит собственно обмен.

Для повышения производительности центрального процессора и всего компьютера в целом включаются дополнительные шины, связывающие напрямую процессор и отдельные наиболее быстродействующие устройства.

В персональных компьютерах фирмы IBM применяются общие шины, имеющие следующие характеристики:

§ общая шина PCI (Peripheral Component Interconnect) с тактовой частотой 66 Мгц, шириной шины адреса – 32, шины данных – 64 разряда, пропускной способностью 528 Мбайт/с;

§ общая шина PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) с параметрами, аналогичными шины PCI. Используется в переносных компьютерах класса ноутбук.

2.7.4. Внешние запоминающие устройства. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обеспечивают долговременное хранение программ и данных. Все эти устройства обладают большим объёмом сохраняемой информации и являются энергонезависимыми. Устройства внешней памяти весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу доступа и т. п. Наиболее распространены следующие типы ВЗУ: накопители на магнитных дисках (НМД); их разновидности – накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на жёстких магнитных дисках (НЖМД); накопители на магнитных лентах (НМЛ); накопители на оптических дисках (НОД).

У магнитных дисков в качестве запоминающей среды используются магнитные материалы с прямоугольной петлёй гистерезиса, позволяющие фиксировать два магнитных состояния, т. е. два (противоположных) направления намагниченности. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом. Все магнитные диски характеризуются своим диаметром. Этот параметр называется форм-фактором. Информация на диск записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси с переменной угловой скоростью (с постоянной линейной, см рис. 2.11). Информация на диске расположена на концентрических окружностях – дорожках (треках). Количество дорожек и их ёмкость зависит от типа магнитного диска, качества головок и магнитного покрытия. Каждая дорожка разбита на сектора. В одном секторе дорожки может быть помещено 128, 256, 512 или 1024 байта (обычно 512) данных. Обмен данными осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер – это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки. Поле памяти, отводимое каждому файлу, выделяется кратным определённому количеству кластеров, которые могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являться смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.

Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задаётся при форматировании диска по специальной программе. Кроме физической структуры различают ещё и логическую структуру диска. Логическая структура определяется файловой системой, реализованной на диске. Эта структура подразумевает выделение некоторого количества секторов для выполнения служебных функций размещения файлов и каталогов на диске.

Основа дисков изготавливается из алюминия и керамики, на которые наносится магнитный слой. Магнитные диски бывают гибкими и жёсткими. Гибкий диск (англ. floppy disk) или дискета – носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения. Гибкие диски имеют объём хранимой информации 1.44¸2.88 Мбайт. Наибольшее распространение получили гибкие диски с форм-фактором 3.5 дюйма, но существуют диски с форм-факторами 5.25 и 1.8 дюйма.

Накопители на жёстких дисках (англ. HDD – Hard Disk Drive) – это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины – платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используются для постоянного хранения информации – программ и данных. Такие диски получили название “винчестер”. Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жёсткого диска ёмкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром “30/30” известного охотничьего ружья фирмы “Винчестер”. В настоящее время используются диски с объёмом 120000¸160000 Мбайт, причём это значение постоянно увеличивается. Максимальная ёмкость и скорость передачи данных существенно зависят от интерфейса накопителя. Для повышения скорости обмена данными некоторые жёсткие диски имеют свою кэш-память, которая может быть встроенной в дисковод или создаваться программным путем в оперативной памяти.

Накопители на магнитных лентах исторически были первыми ВЗУ вычислительных машин. В универсальных ЭВМ используются накопители на бобинной магнитной ленте, а в персональных ЭВМ – накопители на кассетной магнитной ленте. Кассеты с магнитной лентой называются катриджами. Они отличаются шириной магнитной ленты и объёмом хранимой информации. Сейчас ёмкости катриджей достигают 16 Гбайт. Лентопротяжные механизмы для катриджей носят название стриммеров. Это инерциальные механизмы, поэтому время доступа к информации в накопителях на магнитной ленте достигает десятков секунд, что позволяет использовать катриджи лишь для резервного копирования, архивации информации с жёстких дисков и хранения пакетов программ. Скорость считывания информации в стриммерах невысока и составляет около 100 Кбайт/с.

Накопители на оптических дисках. Впервые компакт-диск (CD-ROM, Compact Disk Read Only Memory) был предложен в 1982 г. фирмами Philips и Sony для записи звуковой информации. Объём информации, записанной на компакт-диске, составляет 600¸700 Мбайт. Диск представляет собой полимерный круг диаметром 12 см и толщиной 1.2 мм, на одну сторону которого напылён светоотражающий слой алюминия, защищённый от повреждения слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра. Информация на диске представляется в виде последовательности впадин и выступов, расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска (см. рис. 2.12). На каждом дюйме по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Запись на компакт-диск при промышленном производстве наносится в несколько этапов с помощью мощного инфракрасного лазера.

CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, с них невозможно случайно стереть информацию. С середины 1990 гг. появились устройства, позволяющие производить однократную запись на компакт-диск непосредственно на компьютере (CDR, SD-Recordable). Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи (SD-RW, CD-Rewritable). Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи (DVD, Digital Versatile Disk).

Флэш-память. Все дисковые устройства памяти имеют механические детали, надёжность которых недостаточна. Это привело к созданию флэш-памяти, обладающей малой энергоёмкостью, небольшими размерами и значительным объёмом. Эта память допускает неограниченное число циклов перезаписи. В ней использован новый принцип записи и считывания информации. Кристалл схемы флэш-памяти состоит из трех слоёв. Средний слой изготовлен из ферроэлектрического материала, два крайних слоя представляют собой матрицу проводников для подачи напряжения на средний слой. При такой подаче информация записывается или считывается со среднего слоя. Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельной микросхемы с контроллером, размером 40´16´7 мм, её объём сейчас может достигать нескольких Гбайт.