Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Архитектура процессора

Читайте также:
  1. Cостав и архитектура компьютеров
  2. Hub-архитектура
  3. Архитектура
  4. АРХИТЕКТУРА
  5. Архитектура
  6. Архитектура
  7. Архитектура
  8. АРХИТЕКТУРА
  9. Архитектура
  10. Архитектура IA32. Регистры общего назначения.

Обобщенная структурная схема компьютера может быть представлена рис. II.1.

Рис. II.1. Обобщенная структурная схема современных компьютеров.

 

Здесь: HDD (Hard Disk Drive) – НЖМД (накопитель на жестких магнитных дисках);

FDD (Floppy Disk Drive) – НГМД (накопитель на гибких магнитных дисках);

CD (Compact Disc) – компакт-диск;

DVD (Digital Versatile Disc) – цифровой универсальный диск;

ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input/Output System) – постоянное запоминающее устройство, хранящее базовую систему ввода/вывода и программы, инициализирующие процессорную систему;

DMA (Direct Memory Access) – устройство прямого доступа к памяти;

Streamer - накопитель на магнитной ленте;

УВВ – устройства ввода/вывода;

ВЗУ – внешние запоминающие устройства;

КУ – коммуникационные устройства;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь (ADC – Analog-to- Digital Converter);

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь (DAC – Digital-to-Analog Converter).

В общем случае компьютер состоит из трех основных частей:

· Процессор (центральный процессор или процессоры).

· Электронная память.

· Периферийные устройства.

Между собой эти основные блоки соединяются специальными интерфейсными устройствами, которые представляют собой совокупность программных и аппаратных средств, служащих для согласования обменом информации между блоками системы.

Основная функция процессора заключается в реализации заданного алгоритма обработки информации, подаваемой на вход компьютера, а также управлении процессом, как собственно обработки информации в процессоре, так и функционированием всех устройств компьютера в целом. Поэтому в процессоре обычно выделяют два основных блока: блок обработки информации, в котором производится собственно обработка информации по заданным алгоритмам, и блок управления, как для управления непосредственно обработкой информации в процессоре, так и общим функционированием компьютера в целом.

В современных компьютерах широко используется принцип децентрализации управления, при котором достаточно сложные функциональные узлы компьютера управляются отдельными локальными управляющими устройствами – контроллерами, которые в ряде особо сложных случаях носят название локальных процессоров или сопроцессоров. Поэтому процессор, осуществляющий функцию основной обработки и общего управления, принято называть центральным процессором – ЦП или CPU (Central Processing Unit).

Основной функцией электронной памяти является хранение важнейшей части программного обеспечения компьютера, которая необходима для решения поставленных задач. Процедуры программного обеспечения, требующиеся для начальной настройки и контроля работоспособности компьютера, процедуры загрузки операционной системы, а также процедуры, разгружающие операционную систему от непосредственного управления периферийными устройствами, хранятся в ROM BIOS. Однако надо отметить, что в современных компьютерах эти процедуры предпочитают хранить не в постоянной памяти типа ROM, а в репрограммируемой памяти типа EPROM (Erasable Programmable ROM), представителем которой является хорошо известная вам Flash-память.

Однако основные процедуры операционных систем и пользовательских прикладных программ требуют оперативного (то есть быстрого и произвольного) обращения к ним не только при операции считывания, но и при перезаписи информации. Поэтому они располагаются в так называемой оперативной (основной) памяти типа RAM (Random Access Memory).

Важную часть электронной памяти составляет видеопамять, которая хранит информацию о состоянии экрана дисплея в данный момент времени.

Наконец, к электронной памяти компьютера относится и та память, куда передаются из оперативной памяти те команды и данные, которые необходимы в первую очередь для решения текущей задачи. Эта часть электронной памяти имеет повышенное быстродействие и носит название КЭШ-памяти. Она служит как бы буфером для согласования работы быстродействующего процессора и сравнительно медленнодействующей оперативной памяти. Совокупность процессора и электронной памяти иногда называют ядром компьютера.

Функцией периферийных устройств компьютера является ввод и вывод информации в ядро компьютера и из него либо той информации, которая подвергается обработке, либо той, которая определяет алгоритм обработки этой информации. Периферийные устройства принято различать трех видов.

- Внешние запоминающие устройства (ВЗУ), которые служат для хранения архивной информации, полной версии используемой операционной системы, а также исходных пользовательских прикладных программ. К этим устройствам относятся накопители на магнитных, оптических и магнитооптических дисках, накопители на магнитных лентах, Flash-память и пр.

- Устройства ввода/вывода (УВВ), представляют собой устройства, через которые компьютер связывается с окружающей его внешней средой, получая от нее алгоритмы обработки информации, данные, которые требуется обработать, и выдавая ей результаты обработки для последующего использования. Эти устройства включают в себя весьма широкую номенклатуру изделий. Наиболее известные из них: клавиатура, дисплей, принтер, манипуляторы различных видов (мышь, джойстик, трекбол и др.), устройства речевого ввода, устройства графического ввода, синтезаторы звука, АЦП, ЦАП и пр.

- Коммуникационные устройства (КУ), которые позволяют подключить отдельный компьютер к вычислительной сети того или иного вида (локальной, региональной или глобальной). Таким образом, КУ позволяют совместно с УВВ превратить, например, персональный компьютер в факс-машину, аппарат IP – телефонии (голосовой) или аппарат видеоконференцсвязи.

Архитектура процессора

Процессор состоит из ячеек. В ячейках процессора данные не хранятся, а обрабатываются. Во время обработки они могут изменяться самыми разными способами. Ячейки процессора называются регистрами.

Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд).

Существует много разнообразных процессоров, и у каждой модели свои регистры. У одних процессоров регистров больше, у других - меньше. Бывают регистры восьмиразрядные – в такой регистр помещаются 8 битов, то есть один байт. Если регистр шестнадцатиразрядный, то в нем могут поместиться два байта. Пару взаимосвязанных байтов называют словом. В 32-разрядный регистр помещаются 4 байта (двойное слово).

У компьютеров четвертого поколения функции центрального: процессора выполняет микропроцессор (МП) - сверхбольшая интегральная схема (СБИС), реализованная в едином полупроводниковом кристалле (кремния или германия) площадью меньше 0,1 см.кв. Степень интеграции определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Так, центральный процессор содержит 1,2 млн. транзисторов, а Pentium - 5,5 млн. транзисторов.

Знание модели МП, установленного на системной плате компьютера, позволяет судить, к какому классу оборудования прилежит компьютер. Микропроцессоры различаются рядом важных характеристик:

тактовой частотой обработки информации;

разрядностью;

интерфейсом с системной шиной;

адресным пространством (адресацией памяти)

Тактовая частота обработки информации. Тактом называют интервал времени менаду началом подачи двух последовательных импульсов электрического тока, синхронизирующих работу, различных устройств компьютера. Специальные импульсы для отсчета времени для всех электронных устройств вырабатывает тактовый генератор частоты, расположенный на СИСТЕМНОЙ плате Его главный элемент представляет собой кристалл кварца, обладающий стабильностью резонансной частоты. Тактовая частота определяется как количество тактов в секунду и измеряется в мегагерцах (1МГц = 1 млн тактов/с). Тактовая частота влияет на скорость работы, быстродействие МП. Переход к микропроцессору с большей тактовой частотой означает повышение скорое обработки информации. Говоря о быстродействии процессор имеют в виду количество операций, выполняемых им в секунду

Один из способов повышения быстродействия МП -- использование кэш-памяти. Это позволяет избежать циклов ожидания в работе МП, пока информация из соответствующих схем памяти установится на системной шине данных компьютера. Таким образом кэш-память функционально предназначена для согласования скорости-работы сравнительно медленных устройств с относительно быстрым МП. Благодаря преимуществам в архитектуре процессоры с меньшей тактовой частотой могут иметь большее быстродействие.

Для определения производительности МП в настоящее время рассматривают четыре аспекта – целочисленные вычисления, вычисления с плавающей запятой, графика, видео, сравнивая их с производительностью процессора i486 SX-25 МГц, чьи показатели в 1992 г. были приняты за 100. Подчеркнем, что речь идет о производительности лишь самих процессоров, а не всей компьютерной системы в целом, которая зависит, помимо центрального процессора, от множества других факторов.

Для улучшения показателей при выполнении операций с плавающей запятой, на которые даже самые мощные универсальные микропроцессоры тратят достаточно много времени, создано и пользуется специальное устройство – математический сопроцессор. Это интегральная схема, работающая во взаимодействии центральным МП. Она предназначена только для выполнения математических операций. В них нет нужды, если работа на компьютере выполняется с базами данных или с обычными текстовыми редакторами, но если работают с электронными таблицами, с трехмерной графикой, издательскими пакетами, пакетами САПР, специальными программами по математическому моделированию, то отсутствие математического сопроцессора нежелательно. Поэтому все МП фирмы, начиная с i486, имеют встроенные сопроцессоры, что заметно повышает их производительность.

Разрядность процессора. Это число одновременно обрабатываемых процессором битов, то есть количество внутренних битовых (двоичных) разрядов -- важнейший фактор производительности МП. Процессор может быть 8-,16-, 32- и 64-разрядным. Вместе с быстродействием разрядность характеризует объем информации, перерабатываемый процессором компьютера за единицу времени.

Интерфейс с системной шиной. Разрядность внутренней шины данных ПМ может не совпадать с количеством внешних выводов для линии данных. Например, МП с 32-разрядной внутренней шиной данных может иметь только 16 внешних линий данных. Это означает, что разрядность интерфейса с внешней шиной данных равна 16. Аналогичная ситуация может наблюдаться с другой частью системной шины -- адресной шиной. Как уже отмечалось выполнение процессором команды предусматривает наряду с арифметическими действиями и логическими операциями передачу управления и перемещение данных из одного места памяти в другое. Поэтому важна не только разрядность внутренних шин процессора, но и его интерфейс с системной шиной.

Адресное пространство (адресация памяти). Одна из функций процессора состоит в перемещении данных, в организации их обмена с внешними устройствами и оперативной памятью. При этом процессор формирует код устройства а, а для ОЗУ – адрес ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине. Объем физически адресуемой микропроцессором оперативной памяти называется его адресным пространством. Он определяется разрядностью внешней шины адреса. Действительно, пусть разрядность адресной шины, тогда количество различных двоичных чисел, которые можно по ней передать, равно 2N. Известно, что число, передаваемое по адресной шине при обращении процессора к оперативной памяти, есть адрес ячейки ОЗУ (ее порядковый номер). Значит, 2N -- это количество ячеек оперативной памяти которым, используя адресную шину, может обратиться (адресоваться) процессор, то есть 2N -- объем адресного пространства процессора.

 

Вопрос 5. Обработка информации центральным процессором

Процессор - это центральное устройство компьютера. Он выполняет находящиеся в оперативной памяти команды программы и "общается" с внешними устройствами благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенными на специальные контакты корпуса микросхемы.

К обязательным компонентам процессора относятся арифметико-логическое (исполнительное) устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Выполнение процессором команды предусматривает: арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную), перемещение данных из одного места памяти в другое и координацию взаимодействия различных устройств ЭВМ. Выделяют четыре этапа обработки команды процессором: выборка, декодирование, выполнение и запись результата. В ряде случаев, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья выбираться.

Функции процессора:

1.обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

2.программное управление работой устройств компьютера.

Вопрос 6. Базовые логические элементы. Высказывания.

Высказывание на любые утверждения, которое может быть либо ложным, либо истинным, но не может быть истинным и ложным одновременно.

В цифровых устройствах широко применяются элементы, которые выполняют определенные логические операции. Такие элементы называются логическими (ЛЭ).

Для описания логических операций используется математический аппарат, получивший название алгебры логики или булевой алгебры (в честь ее разработчика — ирландского математика Джорджа Буля). Алгебра логики изучает взаимосвязь между простыми высказываниями, образующими сложные высказывания. С точки зрения алгебры логики простое высказывание может иметь только два значения — истинное или ложное. Одно из этих значений принимается за 1, второе — за 0. Следовательно, простое высказывание является двоичной переменной.

Логические операции имеют свой приоритет: действия в скобках, инверсия, конъюнкция, дизъюнкция, импликация, эквивалентность.

 

Вопрос 7. Логические операции: конъюнкция.

Конъюнкция - это логическое умножение. Конъюнкция 2-х высказываний А и В представляет собой сложное высказывание, которое истинно тогда и только тогда, когда истины оба высказывания.

А В А^B 2n , n- количество переменных
0 0 0 А и В- операнды
0 1 0 &, And, ^ - обозначения
1 0 0
1 1 1

Вопрос 8. Логические операции: дизъюнкция

Дизъюнкция - логическое сложение. Дизъюнкция 2-ч простых высказываний А и В представляет собой сложное высказывание, которое ложно тогда и только тогда, когда оба высказывания А и В ложны.

А В АorB or, «или»,V-обозначения
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Вопрос 9. Логические операции: эквивалентность.

Эквивалентность – равнозначность. Эквивалентностью 2-х высказываний А и В является сложное высказывание, которое истинно, когда высказывания А и В принимают одинаковые значения.
А В А<=>В <->, <=>, = - обозначения
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1

Вопрос 10. Логические операции: импликация.

Импликация – следствие. Импликацией 2-х высказываний А и В является сложное высказывание, которое ложно если А-истина, а В-ложь.

А В А->B

0 0 1
0 1 1
1 0 0
1 1 1
Инверсия – это сл.высказывание, которое ложно, если А-истина и наоборот.
А А-
0 1
1 0

Вопрос13. Системы программирования.

В пятидесятые годы двадцатого века с появлением компьютеров на электронных лампах началось бурное развитие систем программирования. К сегодняшнему дню насчитывают несколько поколений систем программирования. Каждое из последующих поколений по своей функциональной мощности качественно отличается от предыдущего. С появлением персональных компьютеров системы стали составными частями интегрированных сред разработки. Появились системы, применяемые в различных офисных программах. В настоящее время системы программирования применяются в самых различных областях человеческой деятельности, таких как научные вычисления, системное программирование, обработка информации, искусственный интеллект, издательская деятельность, удаленная обработка информации, описание документов.

С течением времени одни системы развивались, приобретали новые черты и остались востребованы, другие утратили свою актуальность и сегодня представляют в лучшем случае чисто теоретический интерес.

Неотъемлемая часть современных ЭВМ - системы программного обеспечения, являющиеся логическим продолжением логических средств ЭВМ, расширяющим возможности аппаратуры и сферу их использования. Система программного обеспечения, являясь посредником между человеком и техническими устройствами машины, автоматизирует выполнение тех или иных функций в зависимости от профиля специалистов и режимов их взаимодействия с ЭВМ. Основное назначение программного обеспечения - повышение эффективности труда пользователя, а также увеличение пропускной способности ЭВМ посредством сокращения времени и затрат на подготовку и выполнение программ. Программное обеспечение ЭВМ можно подразделить на общее и специальное программное обеспечение.

Общее программное обеспечение реализует функции, связанные с работой ЭВМ, и включает в себя системы программирования, операционные системы, комплекс программ технического обслуживания. Специальное программное обеспечение включает в себя пакеты прикладных программ, которые проблемно ориентированы на решение вполне определенного класса задач.

Системой программирования называется комплекс программ, предназначенный для автоматизации программирования задач на ЭВМ (2, 569). Система программирования освобождает проблемного пользователя или прикладного программиста от необходимости написания программ решения своих задач на неудобном для него языке машинных команд, и предоставляют им возможность использовать специальные языки более высокого уровня. Для каждого из таких языков, называемых входными или исходными, система программирования имеет программу, осуществляющую автоматический перевод (трансляцию) текстов программы с входного языка на язык машины. Обычно система программирования содержит описания применяемых языков программирования, программы-трансляторы с этих языков, а также развитую библиотеку стандартных подпрограмм. Важно различать язык программирования и реализацию языка.

Язык программирования - это набор правил, определяющих систему записей, составляющих программу, синтаксис и семантику используемых грамматических конструкций. Реализация языка - это системная программа, которая переводит (преобразует) записи на языке высокого уровня в последовательность машинных команд.

Классификация систем программирования

По набору входных языков различают системы программирования одно- и многоязыковые. Отличительная черта многоязыковых систем состоит в том, что отдельные части программы можно составлять на разных языках и с помощью специальных обрабатывающих программ объединять их в готовую для исполнения на ЭВМ программу.

По структуре, уровню формализации входного языка и целевому назначению различают системы программирования машинно-ориентированные и машинно-независимые.

Машинно-ориентированные системы программирования имеют входной язык, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.). Машинно-ориентированные системы позволяют использовать все возможности и особенности машинно-зависимых языков:

высокое качество создаваемых программ;

возможность использования конкретных аппаратных ресурсов;

предсказуемость объектного кода и заказов памяти;

для составления эффективных программ необходимо знать систему команд и особенности функционирования данной ЭВМ;

трудоемкость процесса составления программ (особенно на машинных языках и ЯСК), плохо защищенного от появления ошибок;

низкая скорость программирования;

невозможность непосредственного использования программ, составленных на этих языках, на ЭВМ других типов.

Машинно-независимые системы программирования - это средство описания алгоритмов решения задач и информации, подлежащей обработке. Они удобны в использовании для широкого круга пользователей и не требуют от них знания особенностей организации функционирования ЭВМ. В таких системах программы, составляемые языках, имеющих название высокоуровневых языков программирования, представляют собой последовательности операторов, структурированные согласно правилам рассматривания языка (задачи, сегменты, блоки и т.д.). Операторы языка описывают действия, которые должна выполнять система после трансляции программы на машинном языке. Таким образом, командные последовательности (процедуры, подпрограммы), часто используемые в машинных программах, представлены в высокоуровневых языках отдельными операторами. Программист получил возможность не расписывать в деталях вычислительный процесс на уровне машинных команд, а сосредоточиться на основных особенностях алгоритма.

Средства создания программ

В самом общем случае для создания программы на выбранном языке программирования нужно иметь следующие компоненты.

1. Текстовый редактор. Так как текст программы записывается с помощью ключевых слов, обычно происходящих от слов английского языка, и набора стандартных символов для записи всевозможных операций, то формировать этот текст можно в любом редакторе, получая в итоге текстовый файл с исходным текстом программы. Лучше использовать специализированные редакторы, которые ориентированы на конкретный язык программирования и позволяют в процессе ввода текста выделять ключевые слова и идентификаторы разными цветами и шрифтами. Подобные редакторы созданы для всех популярных языков и дополнительно могут автоматически проверять правильность синтаксиса программы непосредственно во время ее ввода.

2. Исходный текст с помощью программы-компилятора переводится в машинный код. Исходный текст программы состоит, как правило, из нескольких модулей (файлов с исходными текстами). Каждый модуль компилируется в отдельный файл с объектным кодом, которые затем требуется объединить в одно целое. Кроме того, системы программирования, как правило, включают в себя библиотеки стандартных подпрограмм (имеют расширение.LIB). Стандартные подпрограммы имеют единую форму обращения, что создает возможности автоматического включения таких подпрограмм в вызывающую программу и настройки их параметров.

3. Объектный код модулей и подключенные к нему стандартные функции обрабатывает специальная программа - редактор связей. Данная программа объединяет объектные коды с учетом требований операционной системы и формирует на выходе работоспособное приложение - исполнимый код для конкретной платформы. Исполнимый код это законченная программа, которую можно запустить на любом компьютер, где установлена операционная система, для которой эта программа создавалась. Как правило, итоговый файл имеет расширение.exe или.com.

4. В современных системах программирования имеется еще один компонент - отладчик, который позволяет анализировать работу программы во время ее исполнения. С его помощью можно последовательно выполнять отдельные операторы исходного текста последовательно, наблюдая при этом, как меняются значения различных переменных.

5. В последние несколько лет в программировании (особенно для операционной среды Windows) наметился так называемый визуальный подход. Этот процесс автоматизирован в средах быстрого проектирования. При этом используются готовые визуальные компоненты, свойства и поведение которых настраиваются с помощью специальных редакторов. Таким образом, происходит переход от языков программирования системного уровня к языкам сценариев.

Вопрос 15.Назначение и состав операционной системы.

Операционные системы разные, но их назначение и функции одинаковые. Операционная система является базовой и необходимой составляющей ПО компьютера, без нее компьютер не может работать в принципе.

Операционная система – комплекс программ, обеспечивающих взаимодействие всех аппаратных и программных частей компьютера между собой и взаимодействие пользователя и компьютера.

Операционная система обеспечивает связь между пользователем, программами и аппаратными устройствами.

Структура операционной системы:

  1. Ядро – переводит команды с языка программ на язык «машинных кодов», понятный компьютеру.
  2. Драйверы – программы, управляющие устройствами.
  3. Интерфейс – оболочка, с помощью которой пользователь общается с компьютером.

Операционная система обеспечивает совместное функционирование всех устройств компьютера и предоставляет пользователю доступ к его ресурсам.

Процесс работы компьютера в определенном смысле сводится к обмену файлами между устройствами. В операционной системе имеются программные модули, управляющие файловой системой.

В состав операционной системы входит специальная программа — командный процессор, которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их. Пользователь может дать, например, команду выполнения какой-либо операции над файлами (копирование, удаление, переименование), команду вывода документа на печать и т. д. Операционная система должна эти команды выполнить.

К магистрали компьютера подключаются различные устройства (дисководы, монитор, клавиатура, мышь, принтер и др.). В состав операционной системы входят драйверы устройств — специальные программы, которые обеспечивают управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами. Любому устройству соответствует свой драйвер.

Для упрощения работы пользователя в состав современных операционных систем, и в частности в состав Windows, входят программные модули, создающие графический пользовательский интерфейс. В операционных системах с графическим интерфейсом пользователь может вводить команды посредством мыши, тогда как в режиме командной строки необходимо вводить команды с помощью клавиатуры.

Операционная система содержит также сервисные программы, или утилиты. Такие программы позволяют обслуживать диски (проверять, сжимать, дефрагментировать и т. д.), выполнять операции с файлами (архивировать и т. д.), работать в компьютерных сетях и т. д.

Для удобства пользователя в операционной системе обычно имеется и справочная система. Она предназначена для оперативного получения необходимой информации о функционировании как операционной системы в целом, так и о работе ее отдельных модулей.




Дата добавления: 2014-12-19; просмотров: 48 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав




lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2024 год. (0.017 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав