Растолкуйте понятие арифметико-логическое устройство (алу). Раскройте структуру алу. Раскажите о работе алу.

Арифме́тико-логи́ческое устро́йство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером машинного слова.

 

По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.

 

По способу представления чисел различают АЛУ:

для чисел с фиксированной точкой;

для чисел с плавающей точкой;

для десятичных чисел.

 

По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

 

По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие приём из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства. Арифметико-логическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определённых микроопераций. Генерируемая управляющим блоком последовательность сигналов определяется кодом операции команды и оповещающими сигналами.

 

30. Микропроцессором называется функционально законченное программно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации и управления процессом этой обработки и выполненное в виде большой интегральной схемы.

Микропроцессоры подразделяются на универсальные (применяемые для решения любых задач) и специализированные (для решения ограниченного круга задач).

Основными характеристиками микропроцессора являются его разрядность и тактовая частота, определяющая время выполнения микропроцессором отдельных операций по обработке данных.

В основу устройства и принципа действия микропроцессора положены два постулата:

·Наиболее эффективной для представления чисел внутри ЭВМ является двоичная система счисления.

·2Любой алгоритм обработки информации может быть реализован в виде набора простейших арифметических операций.

Центральным устройством системы является микропроцессор, который содержит обычно элементы размещения данных, называемые регистрами, и устройство счета, на­зываемое арифметико-логическим устройством (АЛУ). Центральное устройство содержит также цепь декодирования команд и секцию управления и синхронизации. Оно снабжено также необходимыми соединениями с устройством ввода/вывода.

 

Основными функциями центрального устройства микро-ЭВМ являются следующие:

 

· извлечение, декодирование и выполнение команд программы в указанном порядке;

·передача данных из памяти и в память

·ответы на внешние прерывания;

·установка общей синхронизации и сигналов управления для всей системы.

· Наиболее важные секции содержат различные регистры, АЛУ, дешифраторы команд, устройства управления и синхронизации,

 

31. Аппаратные средства включают в себя: микропроцессор, запоминающее устройство, устройства ввода вывода, вспомогательные устройства и линии связи между ними.

Программные средства включают систему команд микропроцессора, а также средства для разработки программ, по которым работает микропроцессорная система (в том числе трансляторы).

Аппаратные средства

Архитектура микропроцессора — описание устройства микросхемы в виде крупных структурных единиц (блоков).

Интерфейс микропроцессора — описание выводов микросхем и правил изменения сигналов на них.

Микропроцессорный комплект — набор микросхем, совместимых друг с другом с точки зрения интерфейса.

Совместимость с точки зрения интерфейса предполагает логическую и физическую совместимость.

Логическая совместимость — совместимость с точки зрения состава и назначения выводов. Например, на рис. 1 представлены две логически совместимые микросхемы — они имеют одинаковые выводы для управления обмено

На рис.2 представлен пример двух микросхем, интерфейсы которых логически несовместимы

Под физической совместимостью интерфейсов понимается одинаковость их электрических параметров (уровни напряжений, способ кодирования логических "0" и "1").

 

Программные средства

Работа программных средств строится по следующей схеме (рис. 3)

При написании программы на языке высокого уровня, транслятор осушествляет ее перевод в команды микропроцессора. При этом перевод не всегда бывает оптимальным с точки зрения размера получаемого набора команд и быстродействия (времени выполнения программы). Это происходит вследствие того, что транслятор переводит выражения языка высокого уровня в команды микропроцессора по неким общим правилам без учета специфики конкретных участков программы, и программист не может воздействовать на процесс этого перевода.

 

32 Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации.

 

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

· Арифметические операции, к которым в основном относят операции сложения и вычитания. Умножение и деление обычно реализуется с помощью специальных программ.

· Логические операции, позволяющие компьютеру производить анализ получаемой информации. Простейшими примерами команд рассматриваемой группы могут служить сравнение, а также известные логические операции и, или, не.

· Сдвиги двоичного кода влево и вправо. В некоторых случаях сдвиги используются для реализации умножения и деления.

· Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.

· Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда относят условный и безусловный переходы, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Часто к этой группе относят операции по управлению процессором типа останов или нет операции.

 

Режим адресации памяти - это процедура или схема преобразования адресной информации об операнде в его исполнительный адрес.

 

Для взаимодействия с различными модулями в ЭВМ должны быть средства идентификации ячеек внешней памяти, ячеек внутренней памяти, регистров МП и регистров устройств ввода/вывода. Поэтому каждой из запоминающих ячеек присваивается адрес, т.е. однозначная комбинация бит. Количество бит определяет число идентифицируемых ячеек. Обычно ЭВМ имеет различные адресные пространства памяти и регистров МП, а иногда - отдельные адресные пространства регистров устройств ввода/вывода и внутренней памяти. Кроме того, память хранит как данные, так и команды. Поэтому для ЭВМ разработано множество способов обращения к памяти, называемых режимами адресации.

 

Все способы адресации памяти можно разделить на:

1) прямой, когда исполнительный адрес берется непосредственно из команды или вычисляется с использованием значения, указанного в команде, и содержимого какого-либо регистра (прямая адресация, регистровая, базовая, индексная и т.д.);

2) косвенный, который предполагает, что в команде содержится значение косвенного адреса, т.е. адреса ячейки памяти, в которой находится окончательный исполнительный адрес (косвенная адресация).

 

В каждой микроЭВМ реализованы только некоторые режимы адресации, использование которых, как правило, определяется архитектурой МП.

 

33 Классификация ЗУ. Запоминающие устройства можно классифицировать в зависимости от особенностей их построения и функционирования по назначению, адресации информации, характеру хранения информации, по кратности считывания, физическим принципам работы запоминающих элементов, технологии изготовления запоминающих элементов.

 

По назначению ЗУ делятся на кратковременные и долговременные. В свою очередь, ЗУ с долговременным хранением делятся на постоянные ЗУ (ПЗУ) и полупостоянные ЗУ (ППЗУ). Характерной чертой ПЗУ и ППЗУ является сохранение информации при отключении источников питания. При этом в ПЗУ возможна лишь однократная запись информации, производимая либо а процессе производства, либо в результате программирования. В ППЗУ возможно многократное изменение хранимой информации при эксплуатации.

 

ЗУ с кратковременным хранением информации используются для хранения оперативной часто меняющейся информации. В этих ЗУ отключение источников питания, как правило, приводит к потере хранимой информации. Следует отметить, что ППЗУ при сокращении длительности цикла записи могут быть использованы и для хранения оперативной информации. Разумеется, ППЗУ могут быть в большинстве случаев использованы и в качестве ПЗУ.

34 По адресации ЗУ могут быть с произвольной, последовательной и ассоциативной выборкой. В ЗУ с произвольной выборкой (или доступом) время обращения не зависит от адреса числа в устройстве. В ЗУ с последовательной выборкой для нахождения числа по определённому адресу необходимо последовательно просмотреть все ячейки, предшествующие заданной. Очевидно, что в этих устройствах время обращения зависит от адреса. Для поиска определённой информационной единицы в таком ЗУ неоходимо сначала отыскать соответствующий массив, а затем информационную единицу в этом массиве.

 

В ассоциативных ЗУ (АЗУ) поиск и извлечение информации происходят не по местонахождению (адресу), а по некоторым признакам самой информации, содержащейся в ячейке. Такая память, в сущности, состоит из адресуемых ячеек, однако в системе предусмотрен также механизм проверки или сравнения ключевой информации со всеми записанными словами.

36 Стек (stack) - это динамическая структура данных с последовательным доступом. Доступ к элементам стека осуществляется следующим образом, элементы из стека можно доставать только в порядке, обратном порядку добавления их в стек.

Работа стека организована по принципу LIFO (Last In First Out) - последним пришел, первым ушел.

 

Элемент стека, который в данный момент можно взять, т.е. верхний, называется вершиной стека. Если число элементов в стеке не может превышать некоторой величины, то стек называют ограниченным, а максимальное число элементов в нем - глубиной стека.

 

Кэш-память — это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором компьютера для временного хранения информации. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные и команды «ближе» к процессору, откуда их можно быстрее получить

 

Динамическая оперативная память используется в персональных компьютерах; поскольку она недорогая, микросхемы могут быть плотно упакованы, а это означает, что запоминающее устройство большой емкости может занимать небольшое пространство. К сожалению, память этого типа не отличается высоким быстродействием, обычно она намного "медленнее" процессора.

 

статическая оперативная память (Static RAM — SRAM). Она названа так потому, что, в отличие от динамической оперативной памяти (DRAM), для сохранения ее содержимого не требуется периодической регенерации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем динамическая оперативная память, и может работать на той же частоте, что и современные процессоры.

 

37 Название ПЗУ говорит само за себя. Информация в ПЗУ записывается на заводе-изготовителе микросхем памяти, и в дальнейшем изменить ее значение нельзя. В ПЗУ хранится критически важная для компьютера информация, которая не зависит от выбора операционной системы. Программируемое ПЗУ отличается от обычного тем, что информация на этой микросхеме может стираться специальными методами (например, лучами ультрафиолета), после чего пользователь может повторно записать на нее информацию. Эту информацию будетневозможно удалить до следующей операции стирания информации.

 

Флэш-память является энергонезависимой памятью, (как и ПЗУ и ППЗУ). При выключении компьютера ее содержимое сохраняется. Однако содержимое flash-памяти можнр многократно перезаписывать, не вынимая ее из компьютера (в отличие от ППЗУ). Запись происходит медленнее, чем считывание, и осуществляется импульсами повышенного напряжения. Вследcтвие этого, а также из-за ее стоимости, флэш память не заменит микросхемы ОЗУ.

 

При этом в видеопамяти может содержаться как непосредственно растровый образ изображения (экранный кадр), так и отдельные фрагменты как в растровой (текстуры), так и в векторной (многоугольники, в частности треугольники) формах.

 

Видеопамять — часть оперативной памяти, отведённая для хранения данных, которые используются для формирования изображения на экране монитора.

 

При этом в видеопамяти может содержаться как непосредственно растровый образ изображения (экранный кадр), так и отдельные фрагменты как в растровой (текстуры), так и в векторной (многоугольники, в частности треугольники) формах.

 

Существует выделенная оперативная память видеокарты, также называемая «видеопамять». Такая оперативная память используется только под нужды различных графических приложений и игр.

32-битной,

64-битной,

128-битной,

192-битной (нестандартная шина памяти),

256-битной,

320-битной (нестандартная шина памяти),

384-битной (нестандартная шина памяти),

448-битной (нестандартная шина памяти) и

512-битной.

1024-битной и более

38 Интерфейс — это способ общения пользователя с персональным компьютером, пользователя с прикладными программами и программ между собой. Интерфейс служит для удобства управления программным обеспечением компьютера. Интерфейсы бывают однозадачные и многозадачные, однопользовательские и многопользовательские. Интерфейсы отличаются между собой по удобству управления программным обеспечением, то есть по способу запуска программ. Существуют универсальные интерфейсы, допускающие все способы запуска программ.

 

Ряд важнейших программ, например все виды DOS, запускаются автоматически при включении компьютера, другие с помощью файлов autoexec.bat или config.sys (различные драйверы). Ряд программ могут при необходимости автоматически загружаться при запуске оболочек Windows.

 

Характеристики интерфейсов:

 

- вид связи: дуплексная (сообщения могут одновременно передаваться в двух направлениях – два канала связи), полудуплексная (сообщения могут передаваться в двух направлениях, но одновременно – только в одном), симплексная (сообщения могут передаваться только в одном направлении) передачи

 

- пропускная способность – количество информации, передаваемое через интерфейс в единицу времени

 

- максимальное допустимое расстояние между устройствами или суммарная длина линий между всеми устройствами интерфейса

 

- задержки при организации передачи, вызванные необходимостью выполнения подготовительных и завершающих действий по установлению связи между устройствами

 

Классификация интерфейсов:

 

- по способу соединения компонентов системы: магистральные, радиальные, цепочные, комбинированные

 

- по способу передачи информации: параллельные, последовательные, параллельно-последовательные

 

- по принципу обмена: синхронные, асинхронные

 

·по режиму передачи информации: односторонняя передача (симплекс), двусторонняя поочередная передача (полудуплекс), двусторонняя одновременная передача (дуплекс)

·по признакам функционального назначения: системные (для организации связи между основными компонентами компьютеров и контроллеров), периферийного оборудования (выполняют функции сопряжения с ПУ), локальных и глобальных ВС

 

40 Системная шина — это «паутина», соединяющая между собой все устройства и отвечающая за передачу информации между ними. Расположена она на материнской плате и внешне не видна. Системная шина — это набор проводников (металлизированных дорожек на материнской плате), по которым передается информация в виде электрических сигналов.

 

Чем выше тактовая частота системной шины, тем быстрее будет осуществляться передача информации между устройствами и, как следствие, увеличится общая производительность компьютера, т. е. повысится скорость компьютера.

 

Шина входит в состав материнской платы, на которой располагаются ее проводники и разъемы (слоты) для подключения плат адаптеров устройств (видеокарты, звуковые карты, внутренние модемы, накопители информации, устройства ввода/вывода и т. д.) и расширений базовой конфигурации (дополнительные пустующие разъемы).

 

ISA-8 и ISA-16(IndustryStandardArchitecture) - является самой распространенной и самой простой шиной, основы которой были заложены в ПК ЮМ PC/XT(ISA-8) и после ее усовершенствования (ISA-16) она широко используется в ШМ PC/AT практически для всех современных микропроцессоров.

 

EISA(ExtendedISA) - расширенная шина ISA, реализует 32-разрядную архитектуру (32-разрядные шины адреса и данных) и является более производительной, применяется для подключения высокоскоростных адаптеров, обеспечивающих эффективную работу с файлами или для надлежащей работы серверов.

 

MCA(MicroChannelArchitecture) - микроканальная архитектура была разработана фирмой IBMдля своих компьютеров PS/2, начиная с модели 50.

 

PCMCIA(PersonalComputer, CardInternationalAssociation) - шина расширения, используемая для портативных компьютеров, так как по габаритным и другим причинам шины ISA, EISAи МСА здесь не приемлемы.

 

VLB(VideoEquipmentStandardAssociation/VESA/ LocalBus) - локальная шина для подключения высокопроизводительных подсистем, таких как видеографические подсистемы, подсистемы сетевых коммуникаций и др., к локальной шине микропроцессора.

 

PCI(PeripheralComponentInterconnect) localbus- шина соединения периферийных компонентов. Называясь локальной, эта шина занимает особое место в современной PC-архитектуре, являясь мостом между системной шиной процессора и шиной ввода/вывода ISA/EISAили МСА.

 

AGP(AcceleratedGraphicPort) - ускоренный графический порт, разработанный на базе шины PCI2.1. Этот порт представляет собой 32- разрядную шину с тактовой частотой 66 МГц (точнее, 66,66...), по составу сигналов напоминающую шину PCI.

 

39 Связь устройств автоматизированных систем друг с другом осуществляется с помощью средств сопряжения, которые называются интерфейсами. Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.

 

В соответствии с функциональным назначением интерфейсы можно поделить на следующие основные классы:

·системные интерфейсы ЭВМ;

·периферийного оборудования (общие и специализированные);

·программно-управляемых модульных систем и приборов;

·интерфейсы сетей передачи данных и другое.