Базарова И.А. Организация ЭВМ и систем

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ УПРАВЛЕНИЯ,

ИНФОРМАЦИИ

И БИЗНЕСА

КАФЕДРА АИС

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ

СБОРНИК ЛЕКЦИЙ

Ухта 2003

УДК – 658.012

ББК – 32.973

Б 21

Базарова И.А. Организация ЭВМ и систем. Сборник лекций. –

Ухта: Институт управления, информации и бизнеса, 2003. – 97 с.

Сборник лекций предназначен для студентов специальности

220200 «Автоматизированные системы обработки информации и

управления» и преподавателей, обеспечивающих занятия по

данной дисциплине.

Сборник лекций представляет собой руководство к изучению

курса «Организация ЭВМ и систем». Материал разбит на главы,

в которых рассмотрены основы аппаратной и логической орга-

низации процессорных систем и многие другие вопросы (сис-

темные ресурсы и т.п.).

Рецензент: к. т. н. Назаров А.В.

План 2003 г., позиция 45.

Подписано в печать 03.04.2003 г. Компьютерный набор.

Объем 97 с. Тираж 50 экз. Заказ 54.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Сенюкова, 15.

Содержание.

Глава I. Основы аппаратной и логической организации

процессорных систем_______________________________ 5

§1.1. Основные понятия и определения. Классификация ______________ 5

§1.2. Основные характеристики МПС_______________________________ 7

§ 1.3. Компьютерная система с точки зрения цифровой схемотехники _ 10

§ 1.4. Кабели и разъемы __________________________________________ 12

§ 1.5. Показатели производительности _____________________________ 12

§ 1.6. Логическая структура процессора ____________________________ 14

Глава 2. Системные ресурсы _______________________________ 21

§ 2.1. Распределение памяти_______________________________________ 21

§ 2.2. Пространство ввода-вывода _________________________________ 23

§ 2.3. Аппаратные прерывания ____________________________________ 26

§ 2.4. Режим прямого доступа к памяти_____________________________ 29

§ 2.5. Взаимодействие программ с периферийными устройствами.

Способы передачи потока данных ____________________________ 32

§ 2.6. Распределение системных ресурсов. Спецификация PnP ________ 33

Глава 3. Системная плата ________________________________ 37

§ 3.1. Конструктив системной платы _______________________________ 37

§ 3.2. Синхронизация_____________________________________________ 38

§ 3.3. Чипсет_____________________________________________________ 39

§ 3.4. Характеристики системной платы____________________________ 42

Глава 4. Процессоры ______________________________________ 43

§ 4.1. Архитектура процессора. Параллельная обработка информации_ 43

§ 4.2. 64-х разрядная архитектура__________________________________ 51

§ 4.3. Архитектура RISC процессоров. Процессор Alpha ______________ 53

§ 4.4. Архитектура PC совместимых процессоров (Intel, AMD, Cyrix) __ 54

§ 4.5. Архитектура 32-х разрядных процессоров. Основные

характеристики ____________________________________________ 60

§4.6. Защищенный режим_________________________________________ 73

Глава 5. Архитектура памяти _____________________________ 76

§ 5.1. Принципы кэширования ____________________________________ 76

§ 5.2. Кэш прямого отображения___________________________________ 82

§ 5.3. Наборно-ассоциативный кэш ________________________________ 86

§ 5.4. Ассоциативный кэш ________________________________________ 87

Глава 6. Шины расширения ________________________________ 87

Глава 7. Внешние интерфейсы _____________________________ 91

Список литературы ______________________________________ 97

Глава I. Основы аппаратной и логической организации

процессорных систем

§1.1. Основные понятия и определения. Классификация

Опр.: Архитектура – это концепция, определяющая модель, струк-

туру, выполняемые функции и взаимосвязь компонентов сложного объ-

екта.

Объектами является сеть, система, банк данных, прикладной про-

цесс или многокомпонентное образование.

Архитектура охватывает логическую, физическую, программную

структуры и принципы функционирования объекта. Архитектура компью-

терной системы характеризует общую логическую организацию про-

граммного и технического

обеспечения, а также описывает методы ко-

дирования и определяет интерфейс пользователя с системой.

Архитектура процессора отражает:

1. Структуру процессора (регистровая модель)

2. Способы представления и форматы данных

3. Способы обращения к программно доступным элементам

4. Набор операций, выполняемых МП (система команд)

5. Характеристики управляющих слов и сигналов, вырабатываемых

процессором и поступающих в

МП-систему.

6. Реакцию на внешние сигналы (например, схема обработки преры-

ваний)

Опр.: Процессор – это программно управляемое электронное уст-

ройство, предназначенное для обработки цифровой информации и по-

строенное на одной или нескольких БИС.

Опр.: МП комплект (МПК) – это совокупность БИС и других ИС, со-

вместимых друг с другом по конструкции

и техническому исполнению,

предназначенные для совместного применения.

Классификация МПС (МП средств)

1. По числу БИС в МПК

а) однокристальные

б) многокристальные

2. По функциональному назначению

а) универсальные

б) специализированные

3. По типу вводимых и выводимых данных

а) цифровая

б) аналоговая

4. По типу временной организации

а) синхронные

б) асинхронные

В синхронном процессе начало и конец выполнения операции син-

хронизируется устройством управления. В асинхронном начало выпол-

нения операции задается по сигналу фактического окончания предыду-

щей.

5. По организации структуры МП системы:

а) одномагистральные

б) многомагистральные

6. По количеству выполняемых программ

а) однопрограммные

б) многопрограммные

7. В зависимости от выполняемых программ

а) центральный процессор (CPU)

б) сопроцессор

в) матричный процессор

г) постпроцессор (н/п занимается управлением БД)

д) векторный процессор

е) процессор ввода-

вывода

ж) препроцессор (FEP – Front End Processor). Служит для осущест-

вления коммуникационной передачи данных через каналы управления

группой терминалов.

8. В зависимости от набора и порядка выполнения команд различают

3 вида архитектуры:

а) CISC

б) RISC

в) MISC

9. В зависимости от производительности

а) суперкомпьютеры

б) базовые компьютеры (MainFrame)

в) миникомпьютеры (ПЭВМ, WS)

г) домашние компьютеры

§1.2. Основные характеристики МПС

1. Тип процессора

2. Тактовая частота

3. Объем RAM

4. Ёмкость ПЗУ (ROM)

5. Тип сопроцессора

6. Ёмкости накопителей

7. Характеристики экрана

8. Тип системной магистрали

9. Типы интерфейсов периферийных устройств

10. Число разъемов

11. ОС

Рис. 1. Структурная схема организации компьютерной системы.

Процессор является основным узлом, в задачу которого входит ис-

полнение командного кода. Инструкции процессора предназначены для

пересылки, обработки и анализа данных, расположенных в пространст-

ве памяти и портов ввода-вывода, а также организации ветвлений и пе-

реходов в вычислительных процессах. Для повышения эффективности

работы

используются сопроцессоры следующих типов:

1. Графический

2. Математический

3. Сопроцессор ввода-вывода

Память относительно ПК делят на 2 типа:

1. Внутренняя память

2. Внешняя память

Периферийные устройства:

1. Устройства ввода

2. Устройства вывода

3. Коммуникационные устройства (модемы, адаптеры локальных и

глобальных сетей)

В качестве периферийных устройств можно использовать датчики

и исполнительные устройства технологического оборудования.

ПУ подключаются через внешние интерфейсы или с помощью спе-

циализированных адаптеров и контроллеров.

Программное обеспечение.

Выполнение операций и работа МПС обеспечивается за

счет ПО,

которое имеет многоуровневую организацию:

1. BIOS

2. ОС

3. Прикладные программы

Конструкция и компоновка

1. ПК состоит из отдельных функционально-законченных модулей, не

объединенных общей конструкцией.

2. Системный блок:

– процессор;

– силовой блок;

– дисководы;

– платы расширения, сопряжения, специального назначения.

3. Возможно наращивание объема памяти, расширение состава

изменения типа подключаемых ПУ.

4. Высокая плотность компоновки, короткие связи, минимум проме-

жуточных разъемов

5. Элементная

база – БИС, ИС

6. Соединители: высокая точность изготовления, качество материа-

ла, золочение контактов обеспечивают стабильное соединение со-

прягаемых узлов.

7. Меры защиты от помех – металлические поддоны, разного рода

экраны с заземляющими проводниками.

8. Силовой блок имеет металлический корпус, который является эк-

раном для электромагнитного излучения.

9. Отвод тепла: вентиляторы и удачно организованный конвективный

теплообмен.

10. Конструкция корпуса: повышенная технологичность и удобство об-

служивания.

Унификация системных плат, корпусов, плат расширения обеспе-

чиваются следующими конструктивными соглашениями:

1. Стандартизация размеров, количества контактов и электрического

интерфейса слотов шин расширения.

2. Фиксированные расстояния от слота до задней кромки платы.

3. Фиксированное расстояние между

соседними слотами.

4. Установленные размеры карт расширения.

Типы корпусов:

1. Desktop.

2. Tower (mini, midi, big).

Новый стандарт на конструктив системной платы и корпуса назы-

вается АТХ. Он оптимизировал расположение внешних разъемов, внут-

ренних соединений системного блока, имеет другой интерфейс блока

питания.

Некоторые определения:

1. Системная плата (материнская плата) – это основная печатная

плата, на которой установлен процессор, оперативная память,

ROMBIOS и некоторые другие системные компоненты.

2. Плата расширения

(карта расширения) – это печатная плата с

краевым разъемом, установленным в слот расширения. Если пла-

та расширения привносит в ПК дополнительный интерфейс, то то-

гда это интерфейсная карта или адаптер.

3. Слот – это специальный разъем, в который устанавливаются пе-

чатные платы

4. Сокет – это гнездо, в которое устанавливается микросхема.

5. ZIF-сокет – без усилия

вставки

6. Джампер – съемная перемычка

7. DIP переключатель – переключается более легким способом.

8. Плата, в которой не требуется джампер, называется Jampless Card.

§ 1.3. Компьютерная система с точки зрения цифровой схемотехники

В цифровых микросхемах, на которых строится ПК, в основном ис-

пользуется ТТЛ и КМОП логика. Внутри сложных микросхем иногда при-

меняются другие типы логики, но их внешние сигналы имеют параметры

ТТЛ или КМОП.

Внутри сложных микросхем иногда применяются другие типы логи-

ки, но

их внешние сигналы имеют параметры ТТЛ или КМОП схем.

Логические схемы питаются от постоянного напряжения +5В отно-

сительно общего провода (GND). В современных системах напряжение

составляет 3,3 В и ниже.

Таблица 1.

Интегральные микросхемы, используемые в современных ПК.

Серия Аналог Характеристики

74ххх k 155, k133

Среднее потребление, быстродействие по-

рядка 10 нс

74Lxxx k 134

Пониженное энергопотребление, быстродей-

ствие 33 нс

74Hxxx k 131

Повышенная выходная, потребляемая мощ-

ность

74Sxxx k 531

Быстродействие – 3 нс. Это серия с диодами

Шоттки. Потребляемая мощность ненамного

выше, чем у стандартных схем.

74SLxxx k 555

Быстродействие – 3нс, с диодами Шоттки,

сниженное энергопотребление.

74Fxxx kp 1531 Быстродействие – 3нс (F-fast).

74ALSxxx kp 1533

Быстродействие – 4нс,

хорошо согласуется с КМОП-логикой, по-

требляемая мощность в 2 раза меньше, чем

у 74Fxxx.

В ТТЛ логике различают входы, выходы (обычные, тристабильные,

с открытым коллектором) и двунаправленные выводы.

Вход ТТЛ имеет порог переключения примерно 1,3 – 1,4 В.

Если вход свободный, то схемой он воспринимается как высоко-

уровневый. Вход является чувствительным к помехам.