Ильин А.А., Евсюков В.В., Ильин Р.А. Информатика

Подождите немного. Документ загружается.

–

чтения/записи данных и т.п. При такой организации ввода-вывода

высокопроизводительный процессор фактически работает вхолостую, что

снижает общую производительность системы.

Альтернативный метод прямого доступа к памяти (КПДП) при вводе-

выводе блоков данных обеспечивает разгрузку процессора и осуществляет

независимо от него установление связи и быструю передачу данных между

ОЗУ и ВУ

. При этом скорость передачи данных ограничивается только

быстродействием памяти или ВУ. Прямым доступом к памяти управляет

контроллер ПДП, выполняющий ряд функций: управление инициируемой

процессором или внешним устройством передачей данных между ОЗУ и

внешним устройством; задание размера блока данных, который подлежит

передаче, и области памяти, используемой при передаче; формирование

адресов ячеек

ОЗУ, участвующих в передаче; подсчет передаваемых данных и

определение момента завершения заданной операции ввода-вывода. По

завершению передачи данных контроллер ПДП формирует запрос прерывания,

информируя процессор о завершении операции. Высокая скорость передачи в

режиме ПДП объясняется его реализацией быстродействующими аппаратными

средствами. Механизм ПДП является основным способом осуществления

операций ввода-вывода для

ЭВМ с различной архитектурой.

Использование буферизации данных также является одним из важных

направлений повышения производительности системы в целом. Оно

применяется при организации взаимодействия различных устройств, как на

уровне процессора, так и в контроллерах ВУ. Логически находясь между двумя

устройствами (двумя шинами) буферная память обеспечивает их

согласованную совместную работу по обмену

данными при любых различиях в

быстродействии этих устройств. Одним из путей организации буферной памяти

является использование кэш-памяти (cache - кошелек). В общем случае кэш-

память представляет собой быстродействующее запоминающее устройство

небольшого объема, взаимодействующее с процессором через индивидуальную

шину на максимально возможной частоте. При обращении к дисковой памяти

контроллер кэш-памяти копирует затребованные

данные в свою память, кроме

этих данных в соответствии с заложенным алгоритмом управления копируются

и ближайшие или связанные данные. Поэтому при следующем запросе к

дисковой памяти процессор вначале ищет необходимые данные в кэш-памяти.

При обмене через кэш передаваемый блок данных сохраняется в нем

необходимое время, что позволяет менее быстродействующему

устройству

выбирать данные без участия другого устройства. При необходимости

повторного получения данных они считываются из кэш (при условии их

сохранения к текущему моменту времени). Основными техническими

характеристиками кэш являются объем и быстродействие. В отличие от ОЗУ

кэш организован более сложным образом и помимо области с собственно

–

данными (строки данных) имеет область тегов (служебные данные), в которых

записывается информация о состоянии строк (адрес, состояние занятости и др.).

Связь устройств ЭВМ с процессором осуществляется посредством

специализированных контроллеров, интегрированных в системную плату или

устанавливаемых в слот на плате. Следует отметить, что при работе с

различными ВУ используются одни и те

же команды ввода/вывода процессора

(в них изменяется имя/адрес устройства ввода/вывода) и именно контроллеры

интерпретируют эти команды на аппаратном уровне в специфические для

каждого типа устройств последовательности сигналов. На программном уровне

поддержка контроллеров осуществляется специализированными

программами – драйверами, обеспечивающими управление работой устройств

и организующими обмен данными. Непосредственное взаимодействие

процессора

с конкретным устройством осуществляется через порт ввода-

вывода, представляющий собой электронную схему, получающую данные от

процессора или передающую их ему, и обеспечивающую сопряжение с ним

другого устройства ЭВМ. Каждый порт имеет индивидуальный адрес,

соответствующий конкретной ячейке выделенной области ОЗУ, используемой

только для поддержки работы порта. Максимально возможное количество

портов ввода

-вывода достигает 65536. Через порты ввода-вывода передаются

данные и команды управления работой подключенных устройств.

BIOS является аппаратно реализованной библиотекой программных

функций низкого уровня для работы со стандартным оборудованием ЭВМ.

Именно BIOS содержит команды, доступные процессору в начальной фазе

работы ЭВМ, когда еще ни одно из внешних устройств, включая винчестер с

находящейся

на нем операционной системой (ОС), не способно оказывать

влияние на её работу.

2.2. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ

Любая информация (данные, команды) хранится в ЭВМ в двоичных

кодах, отдельные разряды которых принимают значения 0 или 1.

Системой счисления называют способ представления чисел с помощью

символов, имеющих определенное количественное значение.

Различают позиционные и непозиционные системы счисления.

Первые системы счисления не были позиционными, однако в настоящее время

все наиболее распространенные системы относятся

к разряду позиционных.

При записи в конкретной системе счисления используется конечный алфавит,

состоящий из символов

аааа ,...,,,

321

, каждому из которых соответствует

определенный вес. В позиционной системе счисления (в отличие от

непозиционной) количественное значение каждого символа (цифры) зависит от

его места в коде числа. При основании системы счисления равным р, алфавит

–

системы формируется набором символов, старший из которых р – 1 (например,

в десятичной системе старшая цифра 9). В общем случае любое число N в

системе счисления с основанием р может быть представлено в виде

papapapapapapaN

−

++++++++= ......

где индексы при коэффициентах а указывают только на положение

конкретного слагаемого в пределах кода числа, причем положительные

значения (0,1,…, т – 1) соответствуют целой части числа N , а отрицательные

(-1, -2,…) –его дробной части. Обязательно должно выполняться условие а

< p.

Так для наиболее широко распространенной десятичной системы конкретное

число, например 286304.5, можно представить в виде

286304.5=2*10

()

+8*10

(

)

+6*10

(

)

+3*10

(

)

+0*10

(

)

+4*10

()

+5*10

(

)

1−

Использование в ЭВМ в качестве базовой двоичной системы счисления

обусловлено простотой технической реализации элементов с двумя

устойчивыми состояниями (например, электромагнитное реле замкнуто –

разомкнуто, транзистор открыт – закрыт), одно из которых соответствует 0,

другое 1.

Бит это наименьшая порция памяти, а следовательно и информации, в

двоичной системе счисления Бит обозначает количество информации,

необходимое для

различения двух равновероятных событий.

В двоичной системе счисления любое действительное число

представляется в виде суммы целых степеней основания р = 2, умноженных на

соответствующие коэффициенты (0 или 1). Например, двоичное число 10011,01

эквивалентно десятичному числу 19.25

10011,01=

2101234

25,1925,0121621202121202021 =+++=⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅

−−

В ЭВМ используют две формы представления двоичных чисел: с

фиксированной запятой и с плавающей запятой.

Приведенный выше пример соответствует записи числа в форме с

фиксированной запятой, где для кодирования целого числа используются

пять разрядов, а дробного – два разряда. Характерной особенностью числа в

форме с фиксированной запятой является её постоянная позиция

в пределах

кода. Во многих случаях запятую фиксируют справа от последней цифры кода.

Такая форма представления используется для отображения только целых чисел,

при этом в разложении числа N отсутствуют составляющие с коэффициентами

ааа

−−−

,...,,

. Эта форма проста, но имеет небольшой диапазон представления

чисел, так как при использовании т разрядов в коде максимально возможно

представить число

max

−=

pN . Для определения знака числа, как правило,

используют левый разряд кода (у отрицательного числа в левом разряде

записана 1). В случае превышения в процессе вычисления результата операции

над

max

N возникает так называемое переполнение разрядной сетки и,

соответственно, полученный результат аннулируется. В современных

–

процессорах присутствует быстродействующий блок для обработки

целочисленных данных (операндов).

Для снятия ограничений на диапазон представления чисел в ЭВМ

используют форму представления чисел с плавающей запятой. При этом

число представляется в виде двух сомножителей

MPN

±=

, где М – мантисса

числа, причем М<1; Р – основание системы счисления (обычно р=10); r –

целочисленный порядок. С изменением порядка в ту или иную сторону запятая

как бы плавает в изображении числа. Знак числа совпадает со знаком мантиссы.

Например, число 19,25 в форме с плавающей запятой имеет вид 0,1925*10

После завершения операции над операндами результат приводят к

нормализованной форме, при которой старший разряд мантиссы не может быть

нулем (например, число 0,001925*10

представляет ненормализованную форму

записи). Диапазон представления чисел при использовании мантиссы с т

разрядами, порядка с r разрядами и основанием системы счисления р будет

равен

()

(

)

1)1(

−−−−−

−<=<=

pmpm

ppNpp .

Так, при представлении чисел в двоичной системе счисления в форме с

плавающей запятой при использовании двух байт, в которых десять разрядов

отводятся под мантиссу (т = 10) и шесть под порядок (s = 6), диапазон чисел

будет ограничен значениями от 10

-19

до 10

. Естественно, что для увеличения

точности представления чисел необходимо увеличивать разрядность т и r.

Операции над числами с плавающей запятой требуют значительно большего

времени, поэтому в процессорах имеется встроенный блок для обработки

данных, представленных в форме с плавающей запятой.

Помимо двоичной системы, являющейся основой организации

функциональных устройств ЭВМ, для представления данных используются

также десятичная, двоично–десятичная и шестнадцатеричная системы

счисления (табл. 2.1)

Коды чисел в различных системах счисления. Таблица 2.1

Число 0 1 2 3 4 5 6 7 8

2 00000 00001 00010 00011 00100 00101 00110 00111 01000

2-10 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000

16 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Продолжение таблицы 2.1

Число 9 10 11 12 13 14 15 16 17

2 01001 01010 01011 01100 01101 01110 01111 10000 10001

2-10 1001

16 9 А В С D E F 10 11

–

В двоично-десятичной системе счисления каждая десятичная цифра числа

кодируется отдельно четырьмя двоичными цифрами, при этом наибольшей

цифре 9 будет соответствовать код 1001 (все более «весомые» комбинации типа

1010, 1011,… не используются), например число 17 представляется в виде

00010111.

Использование в шестнадцатеричной системе счисления букв A, B, C, D,

E, F вместо цифр обусловлено необходимостью представления чисел в

диапазоне от 10 до

15 посредством только одного знака.

Одно и то же число допускает эквивалентное представление в системах

счисления с разными основаниями. Процесс преобразований из одной системы

счисления в другую иллюстрируют примеры:

101,01

= ;25,525,001042120212021

21012

=++++=⋅+⋅+⋅+⋅+⋅

−−

1F,A=

101

625,31625,0151616101615161 =++=⋅+⋅+⋅

−

Минимальной индивидуально адресуемой в ЭВМ единицей информации

является байт, формируемый восемью битами. Каждый байт, находящийся в

основной памяти ЭВМ, имеет индивидуальный адрес, определяющий его

местонахождение. Применительно к ЭВМ используется понятие машинное

слово, размер которого определяется шириной шины данных или разрядностью

процессора. В настоящее время наиболее распространены 32–разрядные

процессоры, соответственно и

современное ПО ориентировано на

представлении машинного слова 4 байтами. Для задания более крупных

совокупностей байт используют ряд дополнительных единиц:

Килобайт(Кбайт)=1024байт, Мегабайт(Мбайт)=1024

, Гигабайт(Гбайт)=1024

Терабайт(Тбайт)=1024

байт и др.

Для унификации обмена данными и обеспечения универсального

характера использования программного обеспечения используются

стандартные системы кодирования символьной информации. Одной из широко

используемых систем кодирования является код ASCII (American Standard

Code for Information Interchange – Американский стандартный код для обмена

информацией), имеющий основной стандарт и множество расширений (в

расширениях дополнительно используют символы национального алфавита

конкретной страны

и символы псевдографики). Основной стандарт является

международным и использует шестнадцатеричные коды 00 – 7F для

обозначения управляющих символов, цифр, знаков препинания, строчных и

прописных букв латинского алфавита. Символы расширений задаются кодами в

диапазоне 80 – FF. Так, цифры от 0 до 9 представляются соответственно кодами

от 30 до 39, буквы кириллицы кодируются как А – 80, Б – 81, В – 82,…, Э – 9D,

Ю – 9E, Я – 9F и т

.д.

В основе цифровой обработки данных на ЭВМ лежат сформулированные

фон Нейманом (американским специалистом в области вычислительной

–

техники) принципы, определяющие базовую (классическую) структуру ЭВМ. В

соответствии с ними процесс решения задачи в ЭВМ реализуется путем

выполнения последовательно во времени отдельных операций над данными в

соответствии с заданным алгоритмом.

Алгоритм представляет собой точно определенную последовательность

действий, которую необходимо выполнить над исходными данными для

достижения решения задачи.

Предполагается, что, в

общем случае, для решения задачи имеется

вычислительное устройство, состоящее из арифметико-логического устройства

(АЛУ), памяти и управляющего устройства. АЛУ осуществляет

арифметические и логические преобразования над поступающими в него

данными.

Описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ, называется

машинной программой. Она состоит из отдельных команд. Машинная

команда представляет собой элементарную инструкцию вычислительной

машине, выполняемую автоматически без дополнительных указаний. Для того,

чтобы управляющее устройство воспринимало команды, они должны быть

закодированы в цифровой форме. Управляющее устройство автоматически

организует вычислительный процесс, посылая другим устройствам сигналы,

предписывающие им выполнение тех или иных действий.

Согласно американскому ученому фон Нейману программа,

закодированная в цифровой форме, хранится в памяти

наравне с данными. В

команде указываются адреса ячеек памяти, в которых находятся данные, и

адрес ячейки для записи результата. Команды могут нужное число раз

извлекаться из памяти и выполняться заново. При необходимости над

командами, как и над данными, могут производиться операции (так

называемая модификация команд). Перед решением задачи программа и

исходные данные должны быть помещены в основную память (ОЗУ). Обычно

команды выполняются в порядке, соответствующем их расположению в

последовательных ячейках памяти; изменение порядка следования

осуществляется командами безусловного и условного (проверяется

выполнение некоторого условия) переходов. Именно эти команды позволяют

автоматически изменять ход вычислительного процесса и решать сложные

логические задачи. Любая необходимая точность

вычислений может быть

достигнута увеличением разрядности АЛУ.

По характеру выполняемых операций различают несколько основных

групп команд: арифметические операции для чисел с фиксированной и

плавающей запятой; логические (поразрядные) операций над данными;

операции пересылки данных как между процессором и основной памятью, так

и при взаимодействии с ВУ; операции управления порядком исполнения

–

команд (команды передачи управления); операции по заданию режима работы

ЭВМ; операции по обработке видео- и аудиоданных и др.

В современных процессорах общее число команд (набор команд)

достигает нескольких сотен. Команда в общем случае состоит из операционной

и адресной частей. Операционная часть содержит код конкретной операции

(КОП). Адресная часть содержит информацию

об адресах операндов

(обрабатываемых данных) и адресе размещения результата выполнения

операции, а в некоторых случаях – информацию об адресе следующей

выполняемой команды (команды передачи управления). По количеству

находящихся в команде адресов команды подразделяют на одноадресные,

двухадресные, трехадресные и безадресные. Безадресная команда содержит

только код операции, например, команда останова. Для ряда безадресных

команд местонахождение операнда определено по умолчанию. Следует

отметить, что в ЭВМ используется ряд схем адресации. При выполнении

различных команд в них может задаваться конкретный адрес с указанием

номера ячейки памяти или регистра; в команде может быть указан параметр, с

помощью которого адрес вычисляется при выполнении команды; возможен

вариант задания значения операнда

непосредственно в команде.

До начала выполнения конкретной программы операционной системе

известны конкретные адреса области основной памяти, в которой размещается

эта программа. Поэтому, несмотря на внешнее сходство машинных команд и

обрабатываемых данных (они все состоят из наборов 0 и 1), не возникает

путаницы при выборе очередной выполняемой команды.

Современные процессоры в целом сохраняют

последовательный характер

выполнения команд программы. Однако внутри самого процессора в один и тот

же момент времени выполняются сразу несколько команд благодаря наличию у

него целого ряда функциональных устройств (например, внутри процессора

Pentium 4 имеется несколько независимых АЛУ), что указывает на отклонение

от сформулированных фон Нейманом принципов. При этом результаты

выполняемых ранее своей

очередности относительно их порядка расположения

в программе команд некоторое время хранятся непосредственно в процессоре и

используются в нужный момент времени. Такой подход к организации

вычислений позволяет значительно повысить производительность ЭВМ в

целом.

–

2.3. НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ УСТРОЙСТВ ЭВМ:

ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА, ВНУТРЕННЕЙ ПАМЯТИ,

ВНЕШНИХ УСТРОЙСТВ

2.3.1. СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ

Системная (материнская) плата (System board или Mother board) является

одной из основных составляющих любого компьютера, оказывающей

существенное влияние на производительность и надежность системы в целом.

На ней находятся процессор, чипсет, основная память, вспомогательные

микросхемы, слоты (разъемы) для подключения дополнительных устройств,

шины и др.

Чипсет (chip set) представляет собой одну или несколько микросхем

базового

комплекта, определяющих основные функциональные возможности

системной платы и управляющих коммуникациями между процессором,

памятью и устройствами ввода-вывода. В своем составе чипсет объединяет,

главным образом, различные контроллеры (прерываний, системной шины,

прямого доступа к памяти, AGP-шины, ввода-вывода и др.). Именно чипсет

определяет типы и количество поддерживаемых процессоров, максимальную

частоту системной шины, тип

используемой основной памяти и ее

максимальный объем, тип интерфейса для организации внешней памяти и

подключения других внешних устройств, поддержку скоростной графической

AGP-шины (см. ниже) для подключения дисплея, максимальное количество

слотов шины PCI, особенности использования кэш-памяти и др.

Основу системной платы образует многослойная пластина с

множеством систем электрических проводников (шин), расположенных

различных слоях платы с обеспечением изоляции друг от друга и реализующих

необходимые соединения между микросхемами, слотами и другими

размещенными на плате компонентами. Находящаяся на плате системная

шина образуется из нескольких функциональных групп проводников: шины

данных для параллельной передачи данных (ее разрядность оказывает большое

влияние на общую производительность системы); шины

адреса для передачи

адресов ячеек основной памяти или портов ввода/вывода внешних устройств;

шины управляющих сигналов для синхронизации процессов передачи данных.

Разрядность шины адреса определяет максимально доступный объем основной

памяти как N=2

, где n – разрядность. Как правило, разрядность шины данных

соответствует разрядности слова процессора. Основными характеристиками

шины являются: рабочая частота, разрядность, скорость передачи.

К наиболее популярным чипсетам относятся i815, i820, i845, i850, i865

(Intel), SiS645 (SiS), VIA Apollo P4X266 (VIA) и др. Чипсет i850

(“производительный”) ориентирован для поддержки процессора Pentium 4 с

–

достижением высокой производительности при использовании

быстродействующей памяти RDRAM PC800. Для самых производительных

компьютеров предназначен чипсет i850E, рассчитанный на двухканальную

память RDRAM PC1066, по пропускной способности полностью

соответствующую процессорной шине (4,2 Гбайт/с). Чипсет i845D

(“экономный”) для процессора Pentium 4 с частотой FSB 400 МГц

поддерживает возможности использования более дешевой памяти типа SDRAM

и DDR (чипсет i845 поддерживает только память SDRAM). Чипсет i845E с

частотой FSB 533 МГц предназначен

для основной массы производительных

компьютеров с поддержкой 64-разрядной памяти DDR266 (2,1 ГГц). Для

Celeron на базе Pentium 4 разработан чипсет i845GL со встроенной графикой.

Эти и другие наборы для работы с Pentium 4 позволяют увеличить

производительность процессора на потоковых операциях, когда небольшим

количеством одинаковых команд обрабатываются большие объемы данных

(особенно трехмерная графика, видео и др.). Наиболее современным и

соответственно более производительным чипсетом, ориентированным на

использование новых моделей процессора Pentium 4, на текущий момент

времени является чипсет i865.

Конфигурация системной платы для процессора Pentium 4 модели GA-

8IP900 с форм-фактором ATX производства фирмы Gigabyte включает чипсет

Intel 865P, поддерживающий частоту FSB 533 и 400 МГц, максимальный

адресуемый объем ОЗУ – 4 Гбайт (память типа PC2700 DDR SDRAM со

слотами DIMM, реализован механизм параллельного доступа к памяти по

двум

каналам), 5 слотов PCI, кодек AC”97, интерфейсы Serial ATA (со скоростью

передачи 150 МБ/с) и ATA 33/66/100 (шина IDE), набор различных портов для

подключения внешних устройств: AGP 8x/4x, USB, LPT, PS/2, COM, Floppy,

Game. В состав чипсета Intel 865P входят микросхемы: Intel 865P HOST,

контроллер графического порта AGP 8x/4x, контроллер ICH5 (так называемый

южный мост для управления взаимодействием с внешними устройствами),

контроллер ввода/вывода ITE8712 (Super I/O).

Системная плата поддерживает

все современные интерфейсы и позволяет подключить практически любые

внешние устройства.

Для работы с процессорами Pentium III и Celeron наиболее широко

применяются чипсеты i815 (тип памяти PC133), VIA Apollo Pro266T и SiS635T

(тип памяти PC133 и DDR266). Эти чипсеты поддерживают частоту FSB 66-133

МГц.

Основными производителями чипсетов являются фирмы VIA, Intel, SiS,

Nvidia, ATI и другие.

Системные платы для процессоров Pentium III и Celeron отличаются от

системных плат для

Pentium 4 в основном типом чипсета и памяти. Так,

типовая конфигурация системной платы (например, модель GA-6IEM или GA-

–

6VTX с форм-фактором MicroATX или ATX производства фирмы Gigabyte)

имеет чипсет i815 или VIA Apollo Pro 133T, максимальный объем ОЗУ – 0,5-1,5

Гбайт с типом памяти PC133 SDRAM и слотами DIMM. Помимо слотов под

шину PCI и порт AGP, на платах имеется слот CNR (Communication and

Networking Riser), предназначенный для подключения дополнительных

модулей, в том числе, Ethernet, реализации многоканального звука, аналогового

модема и др.

Режимы работы отдельных компонент (процессора, памяти и

др.) могут

быть оптимизированы как аппаратным путем (переустановкой перемычек на

плате), так и через настройку параметров микросхемы памяти КМОП

(CMOS-память). Ее настройка позволяет выполнить значительное число

поддерживаемых ОС операций - от простейших - установки времени и даты, до

ответственных - присвоения номера прерывания IRQ порту ввода-вывода.

Выбор типа системной платы при покупке компьютера

имеет важное значение

для возможной последующей модернизации (upgrade) компьютера,

включающей в себя замену процессора на более производительный, увеличение

объема ОЗУ, подключение дополнительных устройств и др.

Важной характеристикой системной платы является ее форм-фактор,

который определяет не только конструктивные особенности, но и организацию

питания устройств, условия их охлаждения, доступ к процессору и

основной

памяти, расположение разъемов для подключения ВУ и др. Применяемые в ПК

системные платы, в основном, соответствуют форм-фактору ATX (в более

старых моделях реализован форм-фактор AT с меньшим размером плат). Ряд

моделей плат имеет встроенные дополнительные компоненты, в том числе

SCSI-контроллер, графическую и звуковую карты. Такое решение удешевляет

компьютер,

однако в ряде случаев оно затрудняет последующую модернизацию

(по линии встроенных в системную плату компонент). В последние годы

увеличивается выпуск плат с форм-фактором Micro ATX, имеющих

уменьшенные размеры и полный комплект интегрированных устройств (за

исключением графического контроллера). Наметилась тенденция выпуска

системных плат еще меньшего размера (фирмы ASUS, Gigabyte).

Основными производителями системных плат являются

фирмы ASUS,

Gigabyte, Intel, MSI, ECS, Tekram, Lucky Star, Acorp, Chaintech, Abit, FIC, Soltek

и другие.

2.3.2. ПРОЦЕССОРЫ

По реализуемому набору команд процессоры делятся на две группы: с

полным (CISC - Complex Instruction Set Computing) и сокращенным (RISC –

Reduced Instruction Set Computing) наборами команд. CISC-процессоры имеют

несколько сотен команд, для которых характерны неодинаковая длина и