Общие сведения об эвм, используемых для обработки графической информации

Технические средства (ТС) и общесистемное программное обеспечение (ПО) являются инструментальной средой графической системы. Они образуют физическую среду, в которой реализуются математические методы, алгоритмы, математические модели в рамках специального ПО компьютерной графики (КГ). Пользователь (инженер, дизайнер, художник, редактор) взаимодействует с этой средой и, используя средства КГ, создает графические объекты различной сложности. Технические средства и общесистемное ПО реализуют различные, но взаимосвязанные функции по созданию графической информации (ГИ), ее преобразованию, хранению и выводу.

С помощью технических средств КГ решают следующие задачи:

♦ввод исходной графической информации;

♦оперативное общение пользователя с графической системой;

♦преобразование графической информации;

♦хранение графической информации в различных форматах;

♦отображение графической информации;

♦документирование графической информации.

Основу ТС КГ, решающих перечисленные задачи, составляют вычислительные системы (ВС), включающие процессоры, оперативную память, внешние запоминающие устройства, устройства ввода ГИ, устройства вывода ГИ, устройства взаимодействия пользователя с компьютером, телекоммуникационные и сетевые устройства. Перечисленные задачи ТС решают совместно с общесистемным ПО, под которым обычно подразумеваются операционные системы (ОС) ЭВМ. Назначение ОС — организация вычислительного процесса в ВС, рациональное распределение вычислительных ресурсов между решаемыми наборами задач, предлагаемыми независимой и некоммерческой организацией Standard Performance Evaluation Corporation (SPEC). Оценки производительности большинства современных ЭВМ, публикуемые этой организацией, являются достаточно объективными и надежными в отличие от оценок, приводимых производителями микропроцессоров и ЭВМ. Существует также ряд организаций (например, www.ixbt.com), проводящих сравнительное тестирование ЭВМ на различных популярных задачах и публикующих результаты тестирования.

Емкость ОЗУ определяет возможности ЭВМ выполнять сложные программы, обрабатывающие большие объемы данных. Емкость ОЗУ измеряется в байтах, килобайтах (1 Кбайт = 1024 байт), мегабайтах (1 Мбайт = 1024 Кбайт) и гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайт). Емкость ОЗУ у ЭВМ, используемых для обработки графической информации, колеблется от десятков мегабайт до единиц гигабайт.

Емкость ВЗУ определяет возможности ЭВМ по хранению и архивированию больших объемов данных и определенного числа программ, характеризующего универсальность ЭВМ. Емкость ВЗУ у ЭВМ, используемых для обработки графической информации, составляет от десятков гигабайт до единиц терабайт.

Пропускная способность подсистемы ввода-вывода определяет возможности ЭВМ по обмену информацией с периферийными устройствами (ПУ) ЭВМ и другими устройствами. Она измеряется максимальным числом единиц информации, передаваемых через подсистему ввода-вывода за единицу времени. Реальная пропускная способность подсистемы ввода-вывода современных ЭВМ измеряется от сотен килобайт до десятков гигабайт в секунду.

Другие параметры ЭВМ характеризуют надежность функционирования, стоимость приобретения и эксплуатации ЭВМ и т. п. В популярной литературе часто приводятся параметры, относящиеся обычно к отдельным устройствам. Например, значения тактовой частоты центрального процессора ЭВМ, тактовой частоты системной шины, емкости памяти видеоадаптера, емкости кэш-памяти второго уровня и т. п.

Классификация ЭВМ

ЭВМ можно классифицировать по различным признакам. ЭВМ, используемые для обработки графической информации можно разделить на две группы — универсальные (общего назначения) и специализированные. Большинство ЭВМ, оперирующих с ГИ, относятся к универсальным, а специализированные ЭВМ предназначены для решения узкого круга очень сложных задач КГ. Примером специализированных графических ЭВМ может служить многопроцессорная суперЭВМ Onyx4 UltimateVision фирмы Silicon Graphics, содержащая от 2 до 64 ЦП и от 2 до 32 графических процессоров.

Часто ЭВМ классифицируют по числу обрабатываемых потоков команд и потоков данных. Эта классификация была предложена Флинном (Flinn) в 1955 г.и к настоящему времени устарела, однако ее часто используют при объяснении работы ЭВМ, поскольку современные компьютеры содержат элементы большинства из этих структур. В соответствии с этой классификацией различают четыре типа структуры компьютеров:

♦ SISD (Single Instructions — Single Data) — однопроцессорный компьютер, который в любой момент времени управляется единственным потоком команд и обрабатывающий единственный поток данных. Структура такого компьютера приведена на рис. 2.1;

Рис. 2.1. Структура однопро­цессорного компьютера

 

♦SIMD (Single Instructions — Multiple Data) — многопроцессорный компьютер, управляемый единственным потоком команд (т. е. все процессоры одновременно выполняют одну и ту же команду или пропускают ее) и обрабатывающий несколько потоков данных. В таких компьютерах процессоры соединены в виде матрицы, возможно, многомерной или одномерной, где каждый процессор обрабатывает собственный поток данных. В системе команд многих современных процессоров имеется набор SIMD-операций, предназначенных для работы с векторами и используемых для обработки графической информации. Структура матричного компьютера изображена на рис. 2.2;

Рис. 2.2. Структура матричного компьютера

 

♦MISD (Multiple Instructions — Single Data) — многопроцессорный компьютер, управляемый несколькими потоками команд (т. е. все процессоры одновременно выполняют команды, относящиеся к разным потокам) и обрабатывающий единственный поток данных. В этих компьютерах процессоры соединены в конвейер и результаты с выхода одного процессора поступают на вход следующего. Ряд узлов современных процессоров организован также в виде конвейера.;

♦MIMD (Multiple Instructions — Multiple Data) — многопроцессорный компьютер, управляемый несколькими потоками команд и обрабатывающий много потоков данных. В таких компьютерах процессоры могут быть соединены в виде вычислений, таких как моделирование атмосферных явлений, решение астрономических задач, прогнозирование погоды, разведка нефтяных и газовых месторождений и т. п. Как правило, суперкомпьютеры создаются под конкретные задачи или научные программы и изготавливаются в единичных экземплярах из серийных комплектующих. Суперкомпьютеры содержат сотни и тысячи процессоров, имеют большую оперативную память и очень высокое быстродействие. Они состоят из большого количества различных аппаратных средств, стоят десятки миллионов долларов, занимают большие помещения, а иногда и специально построенные здания (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Суперкомпьютер BlueGene/L фирмы IBM

 

Многие современные суперкомпьютеры созданы по кластерной технологии (Cluster). По этой технологии компьютер строится из нескольких десятков вычислительных машин, связанных между собой и функционирующих как единая система. Кластерные суперкомпьютеры легко масштабируются и позволяют получать высокое быстродействие и высокую готовность.

Быстродействие суперкомпьютеров обычно измеряется во ФЛОПСах (FLOPS — Floating Point Operations Per Second). ФЛОПС — количество арифметических операций с плавающей запятой, выполняемых в секунду. Производные единицы: 1 МегаФЛОПС (МФЛОПС) = 1 млн арифметических операций в секунду. 1 ГигаФЛОПС (ГФЛОПС) = 1 млрд арифметических операций в секунду; 1 ТераФЛОПС (ТФЛОПС) = 1 трлн арифметических операций в секунду.

Организация ТОР500 Supercomputer sites (www.top500.org) с 1993 г. дважды в год публикует статистику по 500 наиболее мощным суперкомпьютерам, определяя их производительность на тестовой программе High-Performance Unpack Benchmark (HPL) решения системы алгебраических уравнений. Характеристики пяти лучших компьютеров по данным на ноябрь 2006 г. приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Вычислительная	Произ­	Заказчик	Число	Тип процессора	Максималь­
система	води­тель		процес­соров		ная произво­дительность (TFLOPS)
BlueGene/L EServer Blue	IBM	DOE/NNSA/LLNL		Power PC 440	280,60
Gene
Red Storm	Cray Inc.	NNSA/Sandia National Laboratories	26 544	Opteron 2,4 GHz dual core	101,4
BGW EServer	IBM	IBM Thomas J.	40 960	Power PC 440	91,29
Blue Gene/L		Watson Research Center
ASCI Purple	IBM	DOE/NNSA/LLNL	12 208	PSeries 575	75,76
eServer pSeries
p575
MareNostrum	IBM	Barcelona	10 240	PPC 970,	62,63
BladeCenter JS21 Cluster		Supercomputing Center		2,3 GHz

 

Мэйнфреймы — высокопроизводительные компьютеры с большими вычислительными ресурсами, способные решать сложные задачи, обрабатывать большие объемы данных и выполнять обработку нескольких тысяч запросов одновременно.

Конструктивно мэйнфреймы выполняются в едином корпусе в форме шкафа или тумбы (отсюда и их название), к которому могут подключаться многочисленные терминалы (рис. 2.4). Как правило, мэйнфреймы отличаются очень высокой надежностью.

(Мэйнфреймы обычно используют для хранения и обработки больших баз данных, а также для создания крупных web- узлов с большим количеством клиентов.)

Рис 2.4. Мэйнфрейм IBM zSeries 990

Серверы — компьютеры, которые в вычислительных сетях являются центральными управляющими и информационными узлами. На серверах хранится большое количество информации, в том числе и графической, которую могут использовать все компьютеры, подключенные к сети, в зависимости от их статуса.

Сервер определяет работоспособность всей сети, сохранность баз данных и другой информации, поэтому серверы имеют систему хранения данных, отличающуюся большой емкостью и высокой надежностью,возможность замены неисправных блоков 2003 г. при непрерывной работе («горячая» замена) разнообразными устройствами для ввода графической информации и манипулирования изображениями — от простой мыши до больших графических планшетов или специальных шлемов для работы в режиме виртуальной реальности.

Персональные рабочие станции — графические рабочие станции, выполненные на вычислительной платформе, используемой в персональных ЭВМ, как правило, это платформа WINTEL. Вычислительная платформа — совокупность центрального процессора (в данном случае — микропроцессор фирмы Intel) и ОС (в этом случае — вариант ОС Windows фирмы Microsoft). Обычно в качестве персональных рабочих станций используются высокопроизводительные персональные ЭВМ, укомплектованные дополнительными периферийными устройствами в зависимости от назначения станции (рис. 2.5).Персональные компьютеры (ПК) — компьютеры, предназначенные для индивидуального использования одним пользователем автономно или в сети совместно с другими компьютерами. Персональные компьютеры бывают настоль', ные, переносные и карманные. С точки зрения аппаратной и программной совместимости большинство современных ПК совместимы с IBM PC.

Персональные настольные компьютеры предназначены для работы в лабораторных условиях, в офисе или кабинете. Их располагают непосредственно на рабочем месте, обычно на столе, в соответствии с их названием. Это наиболее распространенные компьютеры, составляющие большую часть всех компьютеров в мире. Настольные персональные ЭВМ в зависимости от их возможностей и назначения можно разделить на профессиональные, офисные, учебные и бытовые.

Рис. 2.5. Персональная рабочая станция

 

Как правило, конструктивно настольные компьютеры и рабочие станции состоят из центральной части — системного блока — монитора, клавиатуры и мыши, подключенных к системному блоку. Конструктивное оформление системного блока отличается большим разнообразием — от классического горизонтального или вертикального до самых экзотических решений дизайнеров (рис. 2.6). В некоторых моделях ПК монитор и системный блок совмещены.

Рис. 2.6. Настольный компьютер с вертикальным (а) и горизонтальным (б)системным блоком

 

Переносные (мобильные) персональные компьютеры широко используются наравне с настольными компьютерами. Современные переносные компьютеры часто называют ноутбуками (от англ. notebook), или блокнотными компьютерами. Ноутбук функционально аналогичен настольному ПК и часто не уступает ему по техническим параметрам. В ноутбуках используется такое же ПО и ОС, что и в настольных ПК. Основная особенность ноутбука — возможность автономной работы с питанием от встроенного аккумулятора. Это позволяет использовать ноутбук в различных условиях при отсутствии питающей сети. Конструктивно ноутбук содержит жидкокристаллический дисплей, клавиатуру, совмещенную с системным блоком, жесткий диск и оптический дисковод (CD-ROM,CD-RW или комбинированный DVD+RW). Рядом с клавиатурой размещается манипулятор для управления курсором. Размеры ноутбуков соответствуют портфелю или небольшой сумке.

Широкое распространение ноутбуков сдерживалось их высокой стоимостью по сравнению с настольными компьютерами, однако по мере развития технологии изготовления для них комплектующих их стоимость снижалась, что обусловило повышение спроса и интенсивное развитие их производства. В настоящее время все основные производители настольных компьютеров предлагают большое число моделей ноутбуков, отличающихся функциональными возможностями и стоимостью. Более того, за последние годы появились новые виды ноутбуков:

♦мультимедийные — отличаются достаточной производительностью и функциональными возможностями, необходимыми для комфортного решения большинства задач мультимедиа: качественное воспроизведение фильмов с DVD с многоканальным звуком; воспроизведение музыки на Hi-Fi уровне; редактирование и монтаж видеофайлов; 3D игры в высоком разрешении; большой экран с широкими углами обзора (как правило, 17" по диагонали); полный набор коммуникационных возможностей и интерфейсных портов; удобная полноразмерная клавиатура. Их стоимость обычно превышает 2500 долл.;

b

а

Рис. 2.7. Субноутбук (а) и планшетный ноутбук (б)

 

♦субноутбуки — самые компактные и легкие модели (размеры менее 11", вес до 2 кг, диагональ дисплея до И") с достаточно высокой функциональностью, предназначенные в первую очередь тем, кто часто путешествует. Субноутбук может обеспечить неплохую комфортность в работе, однако высокой производительности от подобных компьютеров ожидать не следует. Часто их возможности ограничены офисными приложениями, интернет-браузером, почтовым агентом и прочими не особо требовательными к ресурсам приложениями (рис. 2.7, а). Их стоимость составляет около 2000 долл.;

♦планшетные ПК (Tablet PC) — по оснащенности и габаритным размерам близки к субноутбукам, но оснащены сенсорным экраном, позволяющим выполнять различные операции с помощью стилуса или пальца, включая ввод рукописного текста и его распознавание. Выпускаются два вида планшетных ПК: чистые планшетные ПК (без клавиатуры) и планшетные ноутбуки (имеющие обычную клавиатуру и поворотно-откидной сенсорный экран (рис. 2.7, б)). Стоимость планшетных ПК составляет около 2000 долл.

Карманные (или наладонные) переносные компьютеры (КПК) помещаются на ладони или в кармане. КПК также называют наладонники (от англ. — palmtop). Кроме палмтопов существуют карманные компьютеры, которые называют PDA (personal digital assistent). Общее название карманных компьютеров — handhold computers — компьютеры, которые держат в руках (рис. 2.8).

 

а б в

Рис. 2.8. Карманные компьютеры: а — палмтоп; б — Pocket PC; в — PDA

 

Все карманные компьютеры в зависимости от наличия клавиатуры делятся на две большие группы: КПК с клавиатурой и КПК без клавиатуры. КПК с клавиатурой внешне похожи на ноутбук, уменьшенный до карманных размеров. КПК без клавиатуры оснащены сенсорным экраном и информация вводится на экран при помощи специальной указки — стилуса, при этом может использоваться экранная клавиатура или написание символов стилусом непосредственно на экране. Стоимость карманных ПК колеблется от 300 до 1000 долл.

В карманных компьютерах программы хранятся в микросхемах энергонезависимой памяти. В набор программ обычно входит ОС, текстовый и графический редакторы, система баз данных и электронные таблицы, программы для работы в Интернете. Эти компьютеры позволяют обрабатывать документы, работать с базами данных, производить вычисления, читать электронные книги, слушать музыку, просматривать фильмы и работать в Интернете. Переносной и карманный компьютеры удобны для использования в поездках.

Карманные компьютеры в зависимости от используемой ОС также делятся на две группы — Palm OS и Windows Mobile. Причем в отличие от настольных компьютеров и ноутбуков конструкция КПК сильно связана с типом ОС и замена типа ОС для КПК возможна только теоретически. ОС Palm OS разработана специально для КПК и не предъявляет особых требований к их ресурсам. ОС Windows Mobile разработана фирмой Microsoft и хорошо интегрирована с ОС Microsoft для настольных компьютеров, что расширяет функциональные возможности КПК, однако при этом возрастают требования к ресурсам КПК.

Из всех перечисленных классов в России наибольшее распространение получили персональные ЭВМ, персональные рабочие станции и ноутбуки. Причем указанные классы ЭВМ базируются на процессорах семейства х86 фирмы Intel. Другие классы ЭВМ в России широкого применения не нашли. В связи с выше сказанным в дальнейшем основное внимание будет уделяться аппаратным средствам ЭВМ на платформе IBM PC с процессорами, совместимыми с архитектурой х86 фирмы Intel, относящимися к трем распространенным классам.

Каждая ВС обладает определенными функциональными возможностями обработки ГИ. Все возможности ВС реализуются совместно программными и аппаратными средствами и должны органично сочетаться с возможностями пользователя ЭВМ. Разделение функций между аппаратными и программными средствами направлено на повышение эффективности ВС при решении различных задач. Степень разделения функций между аппаратными и программными средствами зависит от уровня развития микроэлектроники и вычислительной техники.

Программные средства дешевы, гибки и доступны, аппаратные средства сложнее в реализации и специализированы. Соотношение по стоимостным затратам между аппаратными и программными средствами постоянно изменяется в сторону снижения стоимости аппаратной реализации функций. Поэтому одной из тенденций развития ВС является решение все большего числа функций аппаратными средствами. Особенно ярко эта тенденция проявляется в области визуализации трехмерных графических изображений.

2.1.3. Аппаратные средства ЭВМ |

Традиционно аппаратные средства ЭВМ делят на две группы — центральные и периферийные устройства.

К центральным устройствам, непосредственно участвующим в обработке данных, относятся центральный процессор, оперативная память и подсистема ввода-вывода.

К периферийным устройствам (ПУ) относятся устройства, реализующие функции ввода, вывода, подготовки данных и хранения больших объемов информации. Общим для всех ПУ является то, что они преобразуют форму представления данных без изменения их содержания.

Центральный процессор (ЦП) предназначен для преобразования информации в соответствии с выполняемой программой, управления вычислительным процессом и устройствами, работающими совместно с процессором.

Оперативная память (ОП) предназначена для хранения, приема и выдачи данных и программ. Функции ОП в современных компьютерах реализуются сложной многоуровневой системой запоминающих устройств (ЗУ). Функции основного хранилища информации выполняет оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), имеющее большую емкость и высокое быстродействие. Однако быстродействие ОЗУ не позволяет работать на тактовой частоте ЦП, поэтому для согласования скорости работы ЦП и ОЗУ используется многоуровневая кэш-память. При этом верхний (самый быстродействующий) уровень кэш-памяти обычно работает на тактовой частоте ЦП и размещается непосредственно на кристалле ЦП. Число уровней кэш-памяти определяется разницей в быстродействии ЦП и ОЗУ и обычно равно двум.

Подсистема ввода-вывода предназначена для реализации обмена данными между ОЗУ и различными ПУ без участия ЦП, согласования скорости работы ПУ и ОЗУ, унификации протоколов обмена данными и обеспечения возможности изменения конфигурации ВС путем подключения разнообразных ПУ. С каналами подсистемы ввода-вывода, к которым подключаются непосредственно ПУ, связано понятие интерфейса — совокупности аппаратных средств сопряжения канала и устройства управления (контроллера) ПУ, а также унифицированных сигналов и протоколов обмена данными между устройствами.

Одновременная работа нескольких ПУ обеспечивается большой разницей в скорости работы ПУ и канала. Подсистема ввода-вывода может осуществлять обмен данными с несколькими ПУ, распределяя между ними время использования общих средств подсистемы в режиме мультиплексирования.

ПУ, используемые в системах КГ, можно разделить на несколько групп:

♦ внешние запоминающие устройства;

♦ устройства отображения ГИ;

♦ устройства оперативного взаимодействия пользователя с ЭВМ в графическом режиме;

♦ устройства документирования ГИ;

устройства ввода ГИ;

♦ устройства организации локальных вычислительных сетей.

Построение и функционирование компьютеров опирается на два основополагающих принципа:

♦ программное управление вычислительным процессом;

♦ хранение программ и данных в общей памяти.

При выполнении любой программы все устройства ЭВМ взаимодействуют между собой. Схема, отражающая связи между устройствами, называется структурной схемой ЭВМ. Структурные схемы современных ЭВМ отличаются большим разнообразием. Для персональных ЭВМ на базе процессоров х86 наиболее распространена структурная схема, включающая микросхему ЦП, микросхемы памяти и две микросхемы северного и южного мостов (так называемый чипсет), связывающие все устройства ЭВМ. Фактически чипсет в современных ЭВМ выполняет значительную часть функций подсистемы ввода-вывода, дополненных функциями блоков, отвечающих за объединение устройств ЭВМ в единую систему. Подобная схема на базе чипсета i915 Express и процессора Pentium 4 фирмы Intel представлена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Структурная схема ЭВМ на базе чипсета i915 Express

 

При выполнении программы процессор выбирает из ОП очередную команду и определяет, какие действия необходимо совершить при выполнении этой команды. Затем выбирает из памяти числа, над которыми надо проделать действия, определяемые данной командой, выполняет их и одновременно выбирает из памяти следующую команду, отправляет полученный результат в память — и весь цикл повторяется сначала. Так, постоянно взаимодействуя, процессор и память выполняют любую программу, обращаясь если необходимо к ПУ.

Процессоры. Процессоры можно классифицировать по разным признакам. По назначению различают процессоры центральные, специализированные, передачи данных, коммуникационные и др. В зависимости от особенностей системы команд процессора часто упоминаются следующие типы процессоров и компьютеров: CISC — Complex Instruction Set Computer, RISC — Reduced Instruction Set Computer и VLIW — Very Long Instruction Word.

В CISC-процессорах обычно используется принцип микропрограммного управления и для них характерно наличие команд регистр-память, большое число методов адресации, переменная длина кода команды и большое число тактов при исполнении команды. В RISC-процессорах применяется управление с жесткой логикой и для них характерен сокращенный набор команд, команды в основном типа регистр-регистр, малое число методов адресации, фиксированная длина кода команды и исполнение любой команды за один такт. Последняя особенность требует конвееризации декодирования и исполнения команд. RISC- процессоры имеют существенно больший потенциал повышения производительности процессора по сравнению с CISC-процессорами при незначительном усложнении программирования. Поэтому практически все современные процессоры относятся к RISC-процессорам.

Процессор VLIW (очень длинное слово команды) по архитектуре относится к процессорам, у которых в слове «команды» упакованы коды нескольких простых взаимонезависимых операций. В этом случае после выборки командного слова содержащиеся в нем операции декодируются и исполняются независимо и параллельно, что позволяет повысить производительность процессора. Элементы VLIW-архитектуры используются в семействе 64-разрядных процессоров Itanium фирмы Intel.

Центральный процессор дешифрирует и выполняет команды программы, взаимодействует с подсистемой ввода-вывода, инициируя и контролируя ее работу, воспринимает и обрабатывает сигналы, поступающие от различных устройств ЭВМ и ПУ (запросы прерывания). Функционирование ЦП — выполнение последовательности команд, определяемой исполняемой программой. Каждая команда — совокупность кода операции, которую необходимо выполнить, и кода, определяющего операнды, участвующие в операции. Все процессы в ЦП синхронизированы с сигналами определенной частоты {тактовой частоты), вырабатываемыми специальным генератором. Величина, равная периоду тактовой частоты, называется машинным тактом.

Упрощенная структурная схема ЦП, его связей с чипсетом и другими устройствами ЭВМ приведена на рис. 2.10. Здесь изображены наиболее важные узлы центральной части компьютера, такие как ОП, кэш-память, регистры, устройство управления, арифметическое устройство, устройство адресной арифметики, блок преобразования адресов и др.

Шина процессора (FSB — Front Side Bus) представляет собой сложное устройство, к которому через микросхемы северного и южного моста чипсета могут подключаться: устройства процессора, ОП, ВЗУ и устройства ввода-вывода, устройства взаимодействия с компьютерной сетью. Шина обеспечивает взаимный обмен информацией между устройствами, подключенными к ней. Существует несколько типов шин (GTL, Hyper Transport и др.), различающихся быстродействием, логикой работы, числом и правилами подключения устройств к ней.

Рис. 2.10. Упрощенная структурная схема ЭВМ

 

Быстродействие шины процессора в основном определяется частотой ее работы (не путать с тактовой частотой ядра процессора), которая значительно ниже тактовой частоты процессора. В состав шины входят регистры, хранящие принимаемую и передаваемую информацию, и собственная система управления.

Шина процессора обеспечивает интерфейс между процессором и устройствами, внешними по отношению к процессору. От внутренних схем процессора она получает заявки на прием и выдачу информации другим устройствам шины.

Одним из устройств шины является оперативная, или основная, память, из которой выбираются команды и числа. Для того чтобы выбрать из памяти, например команду, следует по шине запросить готовность памяти к работе, послать в устройство управления памятью адрес байта, с которого начинается эта команда, принять эту команду на выходной регистр памяти и отправить в процессор. Примерно такие же операции производятся при выборке чисел и при записи информации из процессора в ОП.

В процессорах имеется также система внутренних шин, абонентами которой являются блоки самого процессора. По внутренним шинам передаются команды, операнды и адреса, т. е. осуществляется обмен содержательной информацией между внутренними регистрами и блоками процессора. Внутренние шины осуществляют передачи данных намного быстрее, чем внешняя шина. От пропускной способности внутренних шин во многом зависит быстродействие процессора.

Кроме того, в процессоре есть сеть передачи управляющих сигналов, включающих в работу блоки и схемы процессора.

Устройство управления (УУ) — основной узел процессора, который задает ритм работы всех его устройств и организует их согласованное взаимодействие. В состав устройства управления входят:

♦ УУ, вырабатывающее управляющие сигналы для чтения очередной команды из ОП, формирования адресов операндов, чтения операндов в арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполнения операции в АЛУ, записи результата в ОЗУ или локальную память (ЛП), инициирования процедур ввода-вывода и т. п.;

♦ управляющие регистры, предназначенные для временного хранения управляющей информации;

♦ система приоритетных прерываний, обеспечивающая реакцию ЭВМ на запросы прерываний от различных источников внутри и вне ЦП;

♦ система контроля и диагностики для обнаружения сбоев и отказов в аппаратных средствах ЦП и устранения последствий сбоев.

Система приоритетных прерываний необходима для реализации мультипрограммного режима работы. Прерывание программы — способность ЦП при возникновении некоторых ситуаций, требующих немедленной реакции ЭВМ, прекращать выполнение текущей программы и передавать управление программе, реализующей реакцию ЭВМ на возникшую ситуацию. Устройства, требующие вмешательства ЭВМ, называются источниками прерывания, а выдаваемые ими сигналы, вызывающие прерывание программы, — запросами прерывания. Причинами прерывания могут быть сбои и отказы в работе аппаратных средств, запросы на обмен данными от ПУ, программные ошибки и др. При обработке запроса прерывания процессор прерывает ход вычислительного процесса, формирует код прерывания, слово состояния прерванной программы и обеспечивает переход к программе, обрабатывающей данное прерывание. Для управления последовательностью обработки запросов прерываний используется группирование источников запросов и присвоение каждой группе определенного приоритета. Обработка одновременно возникающих запросов прерывания осуществляется в соответствии с их приоритетами. В ЦП обычно имеется возможность программного управления приоритетами некоторых групп прерываний.

К управляющим регистрам относится счетчик адреса команды, в котором автоматически формируется адрес команды, подлежащей выборке из ОП. Этот регистр назван счетчиком в связи с тем, что он в основном работает как счетчик, значение которого автоматически наращивается на некоторую константу для получения следующего по порядку адреса команды, подлежащей считыванию из памяти. Этот процесс изменения содержимого счетчика команд прерывают команды переходов, которые загружают в счетчик новое содержимое — адрес перехода, извлекаемый из команды перехода или вычисленный другим способом. Полученный тем или иным способом адрес команды передается в ОП для выборки следующей команды, подлежащей выполнению.

Важную роль играет управляющий регистр, характеризующий состояние процессора. В разрядах этого регистра можно задать указания о выполнении программы в режиме пользователя или в режиме работы ОС, блокировании прерываний, включении или отключении механизмов защиты памяти. В нем хранится информация о характере результата выполненной операции, необходимая для выполнения команд условных переходов и многое другое в зависимости от типа и сложности процессора.

К устройству управления относится дешифратор команд — логически сложное устройство, которое на основе анализа поступившего из ОП кода команды формирует серию сигналов и данных, управляющих работой соответствующих устройств процессора. В процессе работы дешифратора команд из кода команды выделяется поле кода операции. В зависимости от значения выделенного кода производится дальнейший анализ. Выделяется также адресное поле, в котором указываются правила формирования адресов операндов или адреса перехода и выдается соответствующая команда в устройство адресной арифметики на формирование необходимого адреса. Чаще всего устройство адресной арифметики производит модификацию кода адреса, записанного в адресном поле команды, путем суммирования его с содержимым одного из регистров процессора, называемого адресным регистром или регистром-модификатором. Сформированный исполнительный виртуальный адрес передается в блок преобразования виртуальных адресов — в физические и затем в ОП или другие устройства процессора.

Команды, поступившие в ЦП из ОП, проходят достаточно сложный и длительный путь до момента реального исполнения тех действий, которые указаны в соответствующей команде. Сначала команда в исходном машинном виде извлекается из ОП по адресу, сформированному в счетчике команд. Как правило, она извлекается из быстрой кэш-памяти ЦП, в которую попадает из более медленной ОП. Затем выбранная команда поступает в специальные регистры буфера команд. В этих регистрах последовательно накапливаются команды, подлежащие исполнению. Здесь команда подвергается предварительному преобразованию к виду, удобному для дальнейшей ее расшифровки, после чего попадает в дешифратор команд, в котором разделяется на поля кода операции и адресные поля.

На основе кодов, содержащихся в этих полях, генерируются управляющие импульсы, заставляющие работать исполнительные блоки процессора. По информации, находящейся в адресном поле, формируется адрес операнда, который используется в процессе выполнения команды. Для формирования такого исполнительного адреса иногда требуется выполнение некоторых арифметических операций. Во многих процессорах существуют специальные устройства адресной арифметики, выполняющие необходимые операции с адресами. Полученные таким образом адреса операндов еще не пригодны для того, чтобы непосредственно обратиться к ОП. Их еще следует преобразовать. Специальный блок процессора занимается преобразованием исполнительных логических адресов в физические адреса ОП для их реального извлечения из нее и размещения в регистрах ЦП.

С устройством управления тесно связан генератор тактовой частоты, выдающий тактирующие импульсы. Многочисленные электронные схемы устройств процессора срабатывают только в дискретные моменты времени, связанные с появлением на входах этих схем тактирующих импульсов. Время работы отдельных устройств процессора измеряют необходимым для этого числом тактов.

Тактовая частота — важнейший технический параметр, определяющий быстродействие процессора. Разные операции для выполнения требуют различного количества тактов. Самые короткие, например логические операции, требуют для своего выполнения всего один такт, некоторые, например деление, могут потребовать более десяти тактов. Разработчики электронных схем, выполняющих те или иные операции, стремятся к тому, чтобы сократить число тактов, необходимых для выполнения операций.

Существует несколько критериев определения производительности процессора, один из которых формулируется как среднее число тактов, необходимых для выполнения одной команды. В современных процессорах это число меньше единицы, т.е. за один такт могут выполняться несколько операций.

Первые ЭВМ, появившиеся в мире, работали на частоте несколько килогерц, затем частота повысилась до сотен мегагерц. Современные процессоры работают на частотах, достигающих нескольких гигагерц.