Архітектура комп'ютерів

 

Дополнительные интегральные микросхемы

К системной шине и  к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные интегральные микросхемы, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора:

□   математический сопроцессор;

□   контроллер прямого  доступа к памяти;

□   сопроцессор  ввода-вывода;

□   контроллер прерываний и т. д.

Математический сопроцессор используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с фиксированной и плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно во времени с основным МП, под его непосредственным управлением. Ускорение операций происходит в десятки раз. Современные модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти (DMA — Direct Memory Access) обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и оперативной памятью без участия микропроцессора, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Иными словами, режим DMA позволяет освободить процессор от рутинной пересылки данных между внешними устройствами и ОП, отдав эту работу контроллеру DMA; процессор в это время может обрабатывать другие данные или другую задачу в многозадачной системе.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП существенно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплея, принтера, НЖМД, НГМД и т. д.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания. Прерывание — временная приостановка выполнения одной программы с  целью оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы. Контроллер принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. Микропроцессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым. Прерывания возникают при работе компьютера постоянно, достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям. Например, в компьютерах IBM PC прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (длятся эти прерывания тысячные доли секунды, и поэтому пользователь их не замечает).

 

Лекция2

Элементы конструкции ПК

 

Конструктивно ПК выполнены  в виде центрального системного блока, к которому через разъемы-стыки  подключаются внешние устройства: дополнительные блоки памяти, клавиатура, дисплей, принтер и т. д.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для  дополнительных устройств и платы  расширения с контроллерами —  адаптерами внешних устройств.

На системной плате (часто ее называют материнской платой — motherboard), в свою очередь, размещаются:

□  микропроцессор;

□   системные микросхемы (чипсеты);

□  генератор тактовых импульсов;

□   модули (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;

□   микросхема CMOS-памяти;

□   адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД;

□   контроллер прерываний;

□  таймер и т. д.

Многие из них подсоединяются к материнской плате с помощью  разъемов.

 

Функциональные  характеристики ЭВМ

Основными функциональными  характеристиками ЭВМ являются:

1.   Производительность, быстродействие, тактовая частота.

2.   Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса.

3.   Типы системного, локальных и внешних интерфейсов.

4.  Тип и емкость  оперативной памяти.

5.   Наличие, виды  и емкость кэш-памяти.

6.  Тип и емкость  накопителей на жестких магнитных  дисках.

7.   Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.

8.   Вид и емкость  накопителей CD и DVD.

9.   Наличие и  емкость накопителей на магнитной  ленте.

10.   Тип видеомонитора  (дисплея) и видеоадаптера.

11.   Наличие и  тип принтера.

12.   Наличие и  тип модема.

13.   Наличие и виды мультимедийных аудио- и видеосредств.

14.   Имеющееся программное  обеспечение и вид операционной  системы.

15.   Аппаратная и  программная совместимость с  другими типами компьютеров.

16.   Возможность  работы в вычислительной сети.

17.   Возможность работы в многозадачном режиме.

18.   Надежность.

19.   Стоимость.

20.   Габариты и  вес.

Некоторые из приведенных  функциональных характеристик нуждаются  в пояснении, поэтому остановимся  на них подробнее.

 

Производительность, быстродействие, тактовая частота

Производительность современных  компьютеров измеряют обычно в миллионах  операций в секунду. Единицами измерения  служат:

□   МИПС (MIPS — Millions Instruction Per Second) — для операций над  числами, представленными в форме  с фиксированной запятой (точкой);

□   Мфлопс (MFLOPS — Millions of FLoating point Operation Per Second) — для операций над числами, представленными в  форме с плавающей запятой (точкой).

Реже производительность компьютеров определяют с использованием следующих единиц измерения:

□   Кфлопс (kFLOPS — KiloFLOPS) — для низкопроизводительных компьютеров — тысяча неких усредненных операций над числами;

□   Гфлопс (GFLOPS — GigaFLOPS) — миллиард операций в секунду  над числами с плавающей запятой.

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо ориентируется на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. В 70-е годы были разработаны усредненные наборы операций (смеси Гибсона) для разных типов задач: экономических, технических, математических и т. д., в которые разные команды входили в определенном процентном отношении. По смесям Гибсона можно определять среднее быстродействие ЭВМ для этих типов задач. Существуют и более новые тесты — тестовые наборы фирм-изготовителей для определения быстродействия своих изделий: показатель iCOMP — Intel Comparative Microprocessor Performance (1992 год) для микропроцессоров фирмы Intel; (iCOMP2.0 — тест 1996 года), ориентированный на 32-битовые ОС и мультимедийные технологии); специализированные тесты для конкретных областей применения компьютеров — Winstone97-Business для офисной группы задач, варианты тестов WinBench 97 для других видов задач.

Для универсальных ЭВМ, выполняющих самые разные задания, эти оценки будут весьма неточными. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно довольно точно определить время выполнения любой машинной операции.

Например, при отсутствии конвейерного выполнения команд и увеличения внутренней частоты у микропроцессора  тактовый генератор с частотой 100 МГц обеспечивает выполнение 20 млн коротких машинных операций (простые сложение и вычитание, пересылка информации и т. д.) в секунду; с частотой 1000 МГц — 200 млн коротких операций в секунду.

 

Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса

Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем при прочих равных условиях будет больше и производительность ПК.

Разрядность МП определяется иногда по разрядности его регистров и кодовой шины данных, а иногда по разрядности кодовых шин адреса. Одинаковая разрядность этих шин только у МП типа VLIW (64-битовая Intel-архитектура — IA).

 

Типы системного и локальных и внешних интерфейсов

Разные типы интерфейсов  обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют  подключать разное количество внешних  устройств и различные их виды, используют беспроводные каналы связи.

 

Тип и емкость оперативной памяти

Емкость (объем) оперативной памяти измеряется обычно в мегабайтах. Напоминаем, что 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 1024² байт.

Многие современные  прикладные программы с оперативной  памятью, имеющей емкость меньше 16 Мбайт, либо просто не работают, либо работают, но очень медленно.

Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, увеличивает эффективную производительность компьютера при решении сложных  задач (когда ощущается дефицит  памяти) примерно в 1,41 раза (закон корня квадратного).

Разные типы оперативной  памяти: SDRAM, DDR DRAM, DR DRAM и др. имеют  разные функциональные возможности.

 

Виды и емкость накопителей на жестких магнитных дисках

Емкость НЖМД измеряется обычно в гигабайтах, 1 Гбайт = 1024 Мбайт.

Объем винчестерной памяти 20 Гбайт сегодня еще приемлем, но, по прогнозам специалистов, новые программные продукты будут требовать многие гигабайты внешней памяти.

 

Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках

Сейчас применяются  накопители на гибких магнитных дисках диаметром 3,5 дюйма, имеющие стандартную емкость 1,44 Мбайт (накопители для гибких дисков 5,25 дюйма в современные ЭВМ уже не устанавливаются).

 

Наличие, виды и емкость кэш-памяти

Кэш-память — это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая кэш-память внутри микропроцессора (кэш-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (кэш-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется кэш-память на ячейках электронной памяти.

Следует иметь в виду, что наличие кэш-памяти увеличивает производительность ПК примерно на 20 %.

Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров

Аппаратная и программная  совместимость с другими типами компьютеров означает возможность  использования на компьютере, соответственно, тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.

 

Возможность работы

в многозадачном режиме

Многозадачный режим  позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для  нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет существенно увеличить эффективное быстродействие компьютера.

 

Надежность

Надежность — это  способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции (см. часть 6).

 

Вопросы для самопроверки

1.   Нарисуйте блок-схему  персонального компьютера.

2.  Дайте характеристику  основных блоков компьютера.

3.  Дайте краткую  характеристику устройств, входящих  в состав микропроцессора.

4.   Что такое  системная шина?

5.   Какова основная  характеристика системной шины?

6.   Приведите иерархию  запоминающих устройств ПК.

7.   Поясните назначение  запоминающих устройств ПК.

8.  Дайте классификацию  внешних устройств ПК.

9.   Назовите состав устройств каждой группы внешних устройств ПК.

10.   Что такое  математический сопроцессор, каково  его назначение?

11.   Что такое  контроллер прямого доступа к  памяти (DMA), каково его назначение?

12.   Что такое  контроллер прерываний и каково его назначение?

13.   Назовите основные  конструктивные компоненты ПК  и дайте им краткую характеристику.

14.   Назовите и  поясните основные функциональные  характеристики ПК.

15.   Чем определяется  производительность компьютера?

 

 

 

 

Лекция 3

Микропроцессоры

 

Наиболее важными компонентами любого компьютера, обусловливающими его основные характеристики, являются микропроцессоры, системные платы  и интерфейсы.

Микропроцессор (МП), или Central Processing Unit (CPU) — функционально  законченное программно управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.