Программа – это последовательность команд, которые должен выполнить компьютер

Любая ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации.

Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.

Арифметические операции, которым фактически обязана своим рождением вычислительная техника.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру производить анализ получаемой информации. После выполнения такой команды, с помощью условного перехода ЭВМ способна выбрать дальнейший ход выполнения программы. Простейшими примерами команд рассматриваемой группы могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того, к ним часто добавляется анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

Сдвиги двоичного кода. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево.

Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами.

Команды управления, к которым прежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: любой цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов. Часто к этой же группе команд относят операции по управлению процессором; с ростом сложности устройства процессора количество такого рода команд увеличивается.

Чтобы получить хотя бы некоторое представление об уровне машинных команд, приведем примеры нескольких типичных инструкций для процессоров семейства Intel.

С точки зрения программиста, машинные команды — это самый низкий уровень. Но для процессора каждая инструкция распадается на еще более простые составные части, которые принято называть тактами. На каждом такте процессор выполняет какие-либо совсем элементарные действия, например, обнуляет один из своих внутренних регистров, копирует содержимое из одного регистра в другой, анализирует содержимое отдельных битов информации и т.д. Для синхронизации последовательных машинных тактов они инициируются с помощью специального тактового генератора. Его частота выбирается инженерами таким образом, чтобы к началу следующего такта все операции предыдущего успевали надежно заканчиваться.

Различные по сложности операции выполняются за разное количество тактов. Например, передача содержимого одного регистра в другой выполняется гораздо быстрее, чем умножение чисел. Существенно удлиняется выполнение команды, если ее данные берутся не из внутренних регистров самого процессора, а из оперативной памяти (именно поэтому в процессор встраивается внутренний кэш).

Из сказанного выше отчетливо следует, что тактовая частота, определяющая время выполнения составляющих машинной команды, является важной характеристикой процессора: чем она выше, тем быстрее при прочих равных условиях работает процессор. Подчеркнем, что в случае различных алгоритмов выполнения операций внутри разных моделей процессоров использовать тактовую частоту как меру сравнения их быстродействия весьма проблематично.

Адресация операндов

В двухадресных командах первый адрес после кода операции является адресом источника, второй адрес является адресом приемника, т.е. адресом, по которому выбирается второй операнд, и в который записывается результат операции.

Для задания полного адреса в команде предусмотрены два смежных трехбитных поля. Первое поле – это поле режима адресации, второе поле – поле РОНа, используемого для задания компоненты адреса.

Для обозначения содержимого полей в архитектуре PDP-11 используется восьмеричная система счисления.

Адресные поля команд всех структур могут быть расширены одним или двумя дополнительными словами в зависимости от используемых режимов адресации.

Структуры команд "a" и "b" – это тоже структуры двухадресных команд, но в качестве одного из операндов используется содержимое РОНа. В команде структуры «b» второй адрес задается смещением относительно счетчика команд. Это структура команды выхода из цикла. Содержимое указанного в команде РОНа автоматически уменьшается на размер выполненной команды. Пока содержимое РОНа не равно нулю, происходит передача управления на команду по адресу, равному содержимому счетчика команд плюс удвоенное смещение (в словах), которое рассматривается как число со знаком.

Команды со структурой "с" – это одноадресные команды, операнд адресуется и в памяти и в РОНах.

Команды со структурой "d" – это одноадресные команды. Адрес задается РОНом. Это могут быть команды обработки данных из стека, в этих случаях указанный в команде РОН является указателем стека.

Команды структуры "е" – это безадресные операции.

Команды структуры "f" – это команды условной передачи управления, условие передачи управления задается кодом операции, а адрес перехода задается удвоенным смещением относительно счетчика команд. Смещение рассматривается как число со знаком.

Набор команд

Все возможные коды операций двухадресной команды представлены в табл. 4 (команды с суффиксом В – байтовые)

12. Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных конструктивных компонентов:

системного блока;

монитора;

клавиатуры;

манипуляторов.

В системном блоке размещаются:

блок питания;

накопитель на жёстких магнитных дисках;

накопитель на гибких магнитных дисках;

системная плата;

платы расширения;

накопитель CD-ROM;

и др.

Корпус системного блока может иметь горизонтальную или вертикальную компоновку. Типичный системный блок со снятой крышкой корпуса — на рисунке:

 

1 - Системная плата.
2 - Разъём дополнительного второго процессора.
3 - Центральный процессор с радиатором для отвода тепла.
4 - Разъёмы оперативной памяти.
5 - Накопитель на гибких магнитных дисках.
6 - Накопитель CD-ROM.
7 - Сетевая карта.
8 - Графический акселератор.
9 - Блок питания, преобразующий переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и внутренних устройств. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока

Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;

выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

13. Тактовая частота. Параметр, показывающий реальную частоту работы ядра процессора, которая для современных процессоров может находиться в диапазоне 1,5-4 ГГц. Тактовая частота определяется умножением частоты внешней шины процессора (FSB) на коэффициент умножения.

Поскольку тактовая частота процессора зависит от шины FSB, есть возможность заставить его работать с большей скоростью, изменив частоту FSB. Эта операция называется разгоном.

Основным техническим параметром процессора является техпроцес - это масштаб технологии, которая определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора (эти цепи состоят из соединенных соответствующим образом между собой транзисторов). Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров транзисторов способствуют улучшению характеристик процессоров.

Внутренняя структура микропроцессора.

 

Любая ЭВМ предназначена для обработки информации причем, как правило,

осуществляет эту обработку опосредовано – представляя информацию в виде

чисел. Для работы с числами машина имеет специальную важнейшую часть –

микропроцессор. Это универсальное логическое устройство, которое оперирует

с двоичными числами, осуществляя простейшие логические и математические

операции, и не просто как придется, а в соответствии с программой, т.е. в

заданной последовательности. Для хранения этой заданной последовательности

служат запоминающие устройства – ЗУ. ЗУ бывают постоянными – ПЗУ, в которых

информация хранится, не изменяясь сколь угодно долго, и оперативными –

ОЗУ, информация в которых может быть изменена в любой момент в соответствии

с результатами ее обработки. Процессор общается с ОЗУ и ПЗУ через так

называемое адресное пространство, в котором каждая ячейка памяти имеет свой

адрес.

МП состоит из набора регистров памяти различного назначения, которые

определенным образом связаны между собой и обрабатываются в соответствии с

некоторой системой правил. Регистр – это устройство, предназначенное для

хранения и обработки двоичного кода. К внутренним регистрам процессора

относят: счетчик адреса команд, указатель стека, регистр состояний,

регистры общего назначения.

Наличие счетчика команд было положено еще в работах фон Неймана. Роль

счетчика состоит в сохранении адреса очередной команды программы и

автоматическом вычислении адреса следующей. Благодаря наличию программного

счетчика в ЭВМ реализуется основной цикл исполнения последовательно

расположенных команд программы.*

Стек – это особый способ организации памяти, при использовании которого

достаточно сохранять адрес последней заполненной ячейки ОЗУ. Именно адрес

последней заполненной ячейки ОЗУ и хранится в указателе стека. Стек

используется процессором для организации механизма прерываний, обработки

обращения к подпрограммам, передачи параметров и временного хранения

данных.

В регистре состояний хранятся сведения о текущих режимах работы

процессора. Сюда же помещается информация о результатах выполняемых команд,

например: равен ли результат нулю, отрицателен ли он, не возникли ли в ходе

операции ошибки и т.п. Использование и анализ в этом регистре происходит

побитно, каждый бит регистра имеет самостоятельное значение.

Регистры общего назначения (РОН) служат для хранения текущих обрабатываемых

данных или их адреса в ОЗУ. У некоторых процессоров регистры функционально

равнозначны, в других назначение регистров строго оговаривается. Информация

из одного регистра может предаваться в другой.

Кэш является дополнительным и быстодействующим хранилищем копий блоков информации основной памяти. Он хранит лишь ограниченное количество блоков даных и каталог – список их текущего соответствия областям основной памяти. Кроме того, кэшироваться может не вся память, доступная процессору (обычно основная динамическая память системной платы). При каждом обращении к кэшируемой памяти контроллер кэш-памяти по каталогу проверяет, есть ли действительная копия затребованых даных в кэше. Если она там есть, то это случай кэш-попадания, и обращение за даными происходит только из кэш-памяти. В противном случае это кэш-промах и данные берутся из основной памяти. В соответствии с алгоритмом кэширования блок даных, считаный из основной памяти при определенных условиях, заменит один из блоков кэша. Обращение к основной памяти может начатся одновременно с поиском в каталоге, а в случае попадания – прерваться (архитектура Look Aside). Это экономит время, но приводит к излишнему энергопотреблению. Друго вариант – обращение к основной памяти начинается после промаха (архитектура Look Through). В современных компьютерах кэш обычно строится по двухуровневой системе. Первичный кэш встроен в процессор и работает на внутренней тактовой частоте процессора. Для повышени производительности для данных и команд часто используется раздельный кэш. Вторичный кэш обычно устанавливается на системной плате и работает на внешней тактовой частоте процессора – частоте системной шины. Кэш-контроллер обеспечивает когерентность – согласованость данных кэш-памяти обоих уровней с данными основной памяти. Контроллер оперирует строками фиксированной длины, которая может хранить копию основного блока памяти. С каждой строкой кэша связана информация об адресе скопированого в нее блока памяти и признаки ее состояния. Строка может быть действительной или пустой. Информация о том, какой именно блок занимает строку и ее состояние называется тэгом и хранится в связанной с данной строкй памяти тэгов. Возможен вариант секторированого кэш, при котором одна строка содержит несколько смежных ячеек – секторов, размер которых соответствует минимальной порции обмена даных кэша с основной памятью. Поведение кэш-контроллера при операции записи в память, когда копия затребованой области находится в строке кэша, определяется политикой записи. Существует два основных алгоритма записи дааных из кэша в основную память: сквозная запись WT (Write Through) и обратная запись WB (Write Back). WT предусматривает выполнение каждой операции записи, попадающей в кэшированный блок, одновременно и в строку кэша и основную память. При этом процессору при каждой записи придется ожидать окончания относительно длительной записи в основную память. Алгоритм прост в реализации, но обладает низкой эффективностью записи. WB позволяет уменшить количество операций записи на шине основной памяти. Если блок памяти, в который должна производиться запись, отображен и в кэше, то физическая запись будет произведена в эту действительную стоку кэша, и она будет отмечена как грязная, т.е. требующая выгрузки в основную память. Только после этой выгрузки строка станет чистой. В основную память данные переписываются только целой строкой или непосредственно перед ее замещением в кэше новыми даными. В зависимости от определения взаимного соответствия строки кэша и области основной памяти различают три архитектуры кэш-памяти: кэш прямого отображения, полностью ассоциативный кэш и частично-ассоциативный кэш.

14.

Внешняя (долговременная) память — это место длительного хранения данных, не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера. Внешняя память, в отличие от оперативной, является энергонезависимой. Носители внешней памяти, кроме того, обеспечивают транспортировку данных в тех случаях, когда компьютеры не объединены в сети (локальные или глобальные).

Целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором.

 

В состав внешней памяти компьютера входят:

 

· накопители на жёстких магнитных дисках;

 

Жесткий диск (Hard Disk) предназначен для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, различных данных. Современные жесткие диски имеют емкость от одного до десятков гигабайт (Гб).

 

· накопители на гибких магнитных дисках;

 

Гибкие магнитные диски (дискеты) бывают двух типов: (3,5" — 8 мм) и (5,25" — 133 мм). Тип определяется диаметром диска, находящегося внутри пластиковой коробки. Сама пластиковая коробка выполняет функцию защиты от внешних воздействий.

 

· накопители на магнито-оптических компакт-дисках;

 

CD-ROM — это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения, на котором может храниться до 650 Мб данных. Доступ к данным на CD-ROM осуществляется быстрее, чем к данным на дискетах, но медленнее, чем на жёстких дисках.

Компакт-диск диаметром 120 мм (около 4,75'') изготовлен из полимера и покрыт металлической плёнкой. Информация считывается именно с этой металлической плёнки, которая покрывается полимером, защищающим данные от повреждения. CD-ROM является односторонним носителем информации.

 

 

Внутренняя память.

 

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

 

Оперативная память

 

Оперативная память— это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает.

Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем —(16, 32, 64, 128, 256 или 512 Мбайт), число микросхем, паспортная частота (100 или 133 МГц), время доступа к данным (6 или 7 наносекунд) и число контактов (72, 168 или 184). В 2001 г. начинается выпуск модулей памяти на 1 Гбайт и опытных образцов модулей на 2 Гбайта.

 

Кэш-память

 

Кэш или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память.

 

Специальная память

 

Постоянная память - BIOS (Basic Input-Output System). В нее данные занесены при изготовлении компьютера. Обозначается ROM - Read Only Memory. Хранит:

 

· программы для проверки оборудования при загрузке операционной системы;

 

· программы начала загрузки операционной системы;

 

· программы по выполнению базовых функций по обслуживанию устройств компьютера;

 

· программу настройки конфигурации компьютера - Setup. Позволяет установить характеристики: типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет, режимы работы с RAM,запрос пароля при загрузке и т.д;

15.