Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии 


Общие принципы построения современных ЭВМ. Процессоры, их развитие и сравнительная характеристика. Шины. Последовательная и параллельная передача данных.




Осн. принципы – принципы фон Неймана: наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства передачи информации и память, двоичная система исчисления, линейная структура адресации памяти, состоящая из слов фиксированной длины, централизованное последовательное управление, хранимая программа, низкий уровень машинного языка, наличие команд условной и безусловной передачи управления, арифметико-логическое устройство с представлением чисел в форме с плавающей запятой.

Главной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время является

1-дальнейшее расширение сфер применения ЭВМ и, как следствие, переход от отдельных машин к их системам — вычислительным системам и комплексам разнообразных конфигу­раций с широким диапазоном функциональных возможностей и характеристик.

2-Ведутся поисковые работы по созданию ЭВМ 6-го поколения, базирующихся на распределенной нейронной архитектуре, — нейрокомпьютеров. В частности, в нейрокомпьютерах могут использоваться уже имеющиеся специализированные сетевые МП — транспьютеры. Транспьютер— микропроцессор сети со встроенными средствами связи.

3-Широкое внедрение средств мультимедиа,в первую очередь аудио- и видео средств ввода и вывода информации, позволит общаться с компьютером на естественном языке.

4- Совершенствование внешних устройств

5- появление многопроцессор. вычислительных машин – параллельная обработка инф-ии

6- увел-ие роли межкомп-ых коммуникаций

7- появление быстродейственных машин для логического анализа инф-ии, а след переход от фон-неймановской архитектуры.

Первый процессор был выпущен за 10 лет до появления первого компьютера IBM (International Business Machine) PC (Personal Computer). Он был разработан фирмой Intel, назван Intel 4004, а его выпуск состоялся 15 ноября 1971 года. Рабочая частота этого процессора составляла всего 108 кГц (0,108 МГц). Этот процессор содержал 2 300 транзисторов и производился по 10-микронной технологии. Шина данных имела ширину 4 разряда, что позволяло адресовать 640 байт памяти. Этот процессор предназначался для использования в программируемых калькуляторах.

В апреле 1972 года Intel выпустила процессор 8008, который работал на частоте 200 кГц. Он содержал 3 500 транзисторов и производился все по той же 10-микронной технологии. Шина данных была 8-разрядной, что позволяло адресовать 16 Кбайт памяти. Этот процессор предназначался для использования в терминалах и программируемых калькуляторах.

Следующая модель процессора, 8080, была анонсирована фирмой Intel в апреле 1974 года.Этот процессор содержал 6 000 транзисторов и мог адресовать уже 64 Кбайт памяти. На нем был собран первый персональный компьютер (не PC) Altair 8800. В этом компьютере использовалась операционная система СР/М, а фирма Microsoft разработала для него интерпретатор языка BASIC. Это была первая массовая модель компьютера, для которого были написаны тысячи программ.

Благодаря популярности процессора Intel 8080 некоторые фирмы начали выпуск его клонов. Так, в июле 1976 года появился процессор Z-80 (фирма Zilog), который работал на частоте 2,5 МГц (более поздние модели уже работали на частоте 10 МГц). Процессор Z-80 был несовместим с 8080, но мог выполнять все написанные для него программы. Он стал использоваться в компьютерах TRS-80 Model 1, выпущенных фирмой Radio Snack. Этот же процессор устанавливался в компьютеры Osborne и Каурго.

Intel не остановилась на достигнутом и в марте 1976 года выпустила процессор 8085, который содержал 6 500 транзисторов, работал на частоте 5 МГц и производился по 3-микронной технологии.

В этом же году фирма MOS Technologies выпустила процессор 6502, который был абсолютно непохож на процессоры фирмы Intel. Он был разработан группой инженеров фирмы Motorola. Эта же группа работала над созданием процессора 6800, который в будущем трансформировался в семейство процессоров 68000. Отличительной чертой процессора 6502 была его цена — 25 долларов, в отличие от процессора 8080, который стоил около 300 долларов. Именно на этом процессоре были созданы первые модели компьютеров Apple I и Apple II, а также игровые приставки Nintendo. Процессоры серии 68000, которые теперь называются PowerPC, в настоящее время используются в компьютерах Apple Macintosh.

В июне 1978 года Intel выпустила процессор 8086, который содержал набор команд под кодовым названием х86. Этот же набор команд до сих пор поддерживается в самых современных процессорах Pentium III. Процессор 8086 был полностью 16-разрядным — внутренние регистры и шина данных. Он содержал 29 000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Благодаря 20-разрядной шине адреса он мог адресовать 1 Мбайт памяти.



Процессор 8086 стоил довольно дорого, и в 1979 году Intel выпустила "дешевую" версию этого процессора под кодовым названием 8088. Этот процессор отличался от предыдущего 8-разрядной шиной данных. Именно его стали устанавливать в первые компьютеры IBM PC. Оригинальный процессор 8088 содержал 30 000 транзисторов и работал на частоте 5 МГц. Последние процессоры фирмы Intel (например Pentium III Xeon) содержат 140 млн транзисторов и работают на частоте 1 ГГц (уже даже есть опытные образцы процессоров, работающих на частоте 2 ГГц). Вряд ли можно найти наилучшее практическое подтверждение закону Мура, который гласит, что каждые два года количество транзисторов в процессоре будет удваиваться!

Все микропроцессоры (МП) можно разделить на три группы:

  • МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд: МП 4004, 8088, 8086, 8088, 80186, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro;
  • МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд: ARM, МП 80860, 80960, 80870, Power PC;
  • МП типа MISC (Minimum Instruction Set Computing) с минимальным набором команд и весьма высоким быстродействием (в настоящее время эти модели находятся в стадии разработки).

Под магистралью или шиной понимается совокупность электрических связей и обслуживающих электронных приборов, обеспечивающих обмен инфор­мацией между двумя или более устройствами. В состав магистрали входит множество электрических связей — линий магистрали, — по каждой из которых может передаваться двоич­ный сигнал, т.е. сигнал, имеющий два четко различимых уровня — "лог. 0" и "лог. 1". Часто сигналы передаются по нескольким линиям одновременно и воспринимаются в совокупности. В таком случае говорят о параллельной передаче двоичных сигналов. Магистраль, связывающая процессор, память, модули ввода-вывода, называется системной магистралью. Она включает от 50 до 100 отдельных ли­ний, по каждой из которых передаются сигналы определенного функционально­го назначения. Линии любой магистрали можно разделить на три больших группы: линии данных, адреса и управляющих сигналов.

По линиям данных передаются сигналы, соответствующие информации, передаваемой одним из подключенных модулей. В совокупности линии данных называются магистралью данных. Как правило, количество линий магистра данных кратно 8 — 8, 16 или 32. Этот параметр принято называть разрядностью или шириной магистрали. По линиям адреса передаются сигналы, которые в совокупности определяют источник или приемник данных, выставленных на линии данных. Разрядность магистрали адреса опре­деляет максимальный объем памяти, адресуемой по такой магистрали.

Физически системная магистраль представляет собой мно­жество проводников, подключенных к одноименным контактам всех разъемов, в которые вставляются платы модулей. Как правило, проводники вы­полняются на многослойной печатной плате (ее иногда называют генпанелъю), в которую впаиваются разъемы для модулей. Вся конструкция (генпанель и вставленные в нее платы модулей) закрывается общим кожухом.

В ПК используется несколько шин, организованных по иерархическому уровню. Используется структура, которая включает:

1) локальную шину, пересекающую процессор, кэш-память, одно или несколько переферийных устройств;

2) контроллер кэш-памяти связывает кэш не только с локальной шиной, но и системной магистралью, к которой подключены все модули памяти.

Такая стр-ра позволяет переключить ОП с локальной магистрали

В компьютере реализовано несколько типов шин.

- Шина процессора - это высокоскоростная шина, кот. используется в основном процессором для передачи данных между процессором и сист. шиной или между процессором и кэш-памятью. Эта шина работает на частоте 66, 100, 133 или 200 МГц и имеет ширину 64 разряд

- Шина ввода-вывода позволяет процессору взаимодействовать с периферийными устрой­ствами.

Они различаются архитектурой и способом подключения. Осн. являются:

ISA, АGР, PCI, USB.

Шина АGРЭта 32-разрядная шина работает на частоте 66 (AGP 1х), 133 (AGP2x) или 266 МГц (AGP 4х) и предназначена для подключения видеоадаптера.

Шина PCIявл-ся локальной, обладает высокой пропускной способностью и пересекает периферийные устройства. Удобна в том сл., если исп-ся несколько переф-ых устройств.

 

Представление информации в ЭВМ: системы счисления; формы представления чисел в ЭВМ; представление целых чисел в прямом и дополнительном кодах; кодирование символьной информации; кодирование десятичных чисел.

Система счисления— это способ наименования и изображения чисел с помощью символов, имеющих определенные количественные значения. В зависимости от способа изображения чисел системы счисления делятся на позици­онные и непозиционные.

В позиционной системе счисления количественное значение каждой цифры зави­сит от ее места (позиции) в числе. В непозиционной системе счисления цифры не ме­няют своего количественного значения при изменении их расположения в числе. Количество (Р) различных цифр, используемых для изображения числа в позиционной сис­теме счисления, называется основанием системы счисления. Значения цифр лежат в пределах от 0 до Р-1. В общем случае запись любого смешанного числа в системе счисления с основанием Р будет представлять собой ряд вида:

am-1Pm-1+am-2Pm-2 + ... + a1P1+a0P° + a-1P-1 + a-2P-2 + ... + a-sp-s, (1)

где нижние индексы определяют местоположение цифры в числе (разряд):

• положительные значения индексов — для целой части числа разрядов);

• отрицательные значения — для дробной (s разрядов).

Хотя внутри компьютера можно выполнять операции только над двоич­ными кодами, пользователю в конечном счете нужны числовые данные в де­сятичной системе счисления. Следовательно, при выполнении большинства операций ввода-вывода, связанных с приемом данных от пользователя или представлением ему результатов, необходимо выполнять преобразование из одной системы счисления в другую. Приложения, в которых поток данных между пользователем и компьютером очень интенсивный, а вычисления не слишком сложны, целесообразно строить таким образом, чтобы данные хра­нились в десятичной форме, т.е. чтобы преобразование в десятичную систему счисления не требовало никаких вычислений и, следовательно, не отнимало много времени. Наиболее распространенным способом представления деся­тичных чисел в компьютерах, который используется буквально с первых ме­сяцев компьютерной эры, является двоично-десятичный. Каждая десятичная цифра заменяется 4-разрядным двоичным кодом, кото­рый формируется по обычному способу представления чисел в двоичной системе счисления. Для представления многоразрядного десятич­ного числа 4-разрядные коды цифр объединяются, причем длина последователь­ности обычно выбирается кратной 8 бит. Для представления отрицательных чисел в двоично-десятичный код слева или справа включается дополнительный 4-разрядный двоичный код с комбинацией, не соответствующей ни одной из десятичных цифр. Обычно для представления знака «минус» выбирается код 1111.

В вычислительных машинах применяются две формы представления двоичных чисел:

• естественная форма или форма с фиксированной запятой (точкой);

• нормальная форма или форма с плавающей запятой (точкой).

С фиксированной запятойвсе числа изображаются в виде последователь­ности цифр с постоянным для всех чисел положением запятой,отделяющей целую часть от дробной.

Числа с плавающей запятой можно представить в виде ±S x B±E.

Компоненты такого представления можно сохранить в двоичном слове, состоящем из трех полей:• поле знака числа (плюс или минус); • поле мантиссы S;• поле порядка Е. Основание характеристики В во всех существующих стандартах такой формы представления подразумевается неявно и не сохраняется, поскольку оно одинаково для всех чисел.

. На рис схематически показан 32-разрядный формат с плавающей точкой. В крайнем левом бите слова хранится знак числа (как обычно, положительному числу соответствует значение 0, а отрицательному — значение 1). В следующих восьми битах хранится значение порядка. Для представления порядка используется так называемый смещенный формат. Для получения действительного двоичного кода порядка из значения, сохраняемого в этом поле, нужно вычесть фиксированное смещение. Как правило, смещение равно (2k-1-1), где k — разрядность поля порядка. В данном случае k = 8, и в поле порядка можно представить коды в диапазоне от 0 до 255. Если принять значение смещения 127, то действительное значение порядка чисел, представленных в таком формате, может находиться в интервале от -127 до +128. В данном примере считается, что основание характеристики совпадает с основанием системы счисления и равно 2. Последнее поле в слове (23 бит) отводится для хранения значения мантиссы S. Любое число можно представить в форме с плавающей точкой множеством способов. Для упрощения алгоритмов выполнения арифметических операций обычно принято нормализовать мантиссу. Нормализованная мантисса числа, отличного от нуля, имеет вид 0.1 bbb...b x 2±E, где b представляет произвольную двоичную цифру (0 или 1). Это означает, что старший (левый) значащий разряд кода мантиссы всегда равен 1. Но если он всегда равен 1, его нет смысла хранить в составе числа, а можно просто учиты­вать этот факт при выполнении операций. Таким образом, в 23-битовом поле фактически хранится 24-разрядный код мантиссы, значение которой может быть в диапазоне от 0.510 до 1.0.

При этом:• знак сохраняется в старшем бите слова;• первый разряд мантиссы всегда равен 1, и в поле мантиссы не хранится;• к действительному значению порядка прибавляется смещение 127, и в поле порядка хранится эта сумма;• основание характеристики равно 2.

При выполнении арифметических действий в машинах применяют следующие коды чисел: прямой и дополнительный. Прямой код применяют при умножении и делении, а дополнительный - для замены операции вычитания сложением.

Старший бит слова является битом хранения знака или знаковым разрядом. Все последующие биты слова представляют значащие разряды числа, которые в каждом формате интерпретируются как представление всем словом отрицательного числа. Простейшим форматом, который использует знаковый разряд, является прямой код. В n-разрядном двоичном слове п-1 значащих разрядов представля­ют абсолютную величину числа. Например:

00010010 = +18

10010010 = -18

Общее правило математически формулируется следующим образом:

Прямой код.Прямой код м. б. получен след. образом: число переводится в двоичную систему счисления, а затем его двоичную запись слева дополняют таким количеством незначащих нулей, сколько требует тип данных, к которому принадлежит число.

Формат представления чисел в прямом коде неудобен для использования в вычислениях, т. к. сложение и вычитание положительных и отрицатель­ных чисел выполняется по-разному, а потому требуется анализировать знаковые разряды операндов. Во-вторых, в прямом коде числу 0 соот­ветствуют две кодовых комбинации: 00000000 = +010 10000000 = -010

Это также неудобно, поскольку усложняется анализ результата на равенство ну­лю, а такая операция в программах встречается очень часто. Из-за этих недостатков прямой код практически не применяется при реали­зации в АЛУ арифметических операций над целыми числами. Вместо этого наи­более широкое применение находит другой формат, получивший наименование дополнительного кода.

Дополнительный код положительного числа совпадает с его прямым кодом.

Дополнительный код целого отрицательного числа м. б. получен по след. алгоритму:

записать прямой код модуля числа;

инвертировать его(заменить единицы нулями, нули - единицами);

прибавить к инверсному коду единицу.

Как и любая другая информация, символьные данные должны храниться в па­мяти ЭВМ в двоичном виде. Для этого каждому символу ставится в соответствие некоторое неотрицательное число, называемое кодом символа, и это число запи­сывается в память ЭВМ в двоичном виде. Конкретное соответствие между симво­лами и их кодами называется системой кодировки. В ЭВМ, как правило, используются 8-разрядные коды символов. Это позволяет закодировать 256 различных символов, чего вполне достаточно для представления многих символов, используемых на практике. Поэтому для кода символа доста­точно выделить в памяти один байт. Так и делают: каждый символ представляет­ся своим кодом, который записывают в один бант памяти.

В ПК обычно используется система кодировки ASCII. Код EBCDIC (расширенный бинарно-кодированный десятичный код), дополненный большими и малыми русскими буквами, отличными по написанию от латинских, известен в нашей стране под названием ДКОИ-8 (двоичный код обмена информацией - 8 битовый).





Рекомендуемые страницы:


Читайте также:



Последнее изменение этой страницы: 2016-04-10; Просмотров: 582; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2022 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.042 с.) Главная | Обратная связь