Команды суперскалярных CISC-микропроцессоров

• Команды пересылки данных (всего около 40) позволяют передавать кон­станты или переменные между регистрами и памятью, а также портами ввода-вывода.

• Команды двоичной арифметики (около 15) выполняют все арифметические действия с байтами, словами и двойными словами.

• Команды десятичной арифметики (около 10) позволяют оперировать с не­упакованными и упакованными двоично-десятичными данными. Операции с этими числами требуют применения команд коррекции форматов.

• Команды логических операций (4) реализуют все функции булевой алгебры с байтами, словами и двойными словами.

• Логические и циклические сдвиги (всего 10) выполняют над содержимым регистров или операндов в памяти. Число позиций, на которое осуществля­ется сдвиг, можно задавать операндом и другими способами.

• Команды обработки битов и байтов (26) позволяют проверять и устанавли­вать значение указанного операнда или бита.

• Команды передачи управления (около 30) осуществляются с помощью ко­манд безусловных и условных переходов. Команда вызова процедур CALL передает управление в точку перехода, при этом адрес следующей за ней команды хранится в стеке.

• Строковые операции (24) выполняются с операндами в памяти.

• Операции с флажками (всего 13) позволяют изменять значения отдельных флажков, а также сохранять их значения в стеке и восстанавливать эти зна­чения.

• Команды загрузки указателей (5) обеспечивают загрузку указателей из памя­ти в регистр общего назначения и соответствующий сегментный регистр.

• Команды математического сопроцессора FPU (92) выполняют операции с действительными, целыми и двоично-десятичными числами, представлен­ными в формате с плавающей запятой.

• Системные команды (32) — это операции управления защитой, загрузкой и хранением регистров дескрипторов, проверки привилегий, тестирования, управления кэшированием памяти, останова процессора и др.

Характеристики CISC-процессоров

Поколение суперскалярных C/SC-микропроцессоров началось с процессора Pentium и характеризуется:

• большим количеством сложных машинных команд различной разрядности и преимущественно двухоперандного формата (у команд RISC — трехопе- рандный формат);

• наличием предвыборки, конвейера команд и динамического прогнозирова­ния условных переходов;

• большим числом способов адресации;

• использованием всего восьми регистров общего назначения (в RISC — как минимум 32);

• широким использованием микрокоманд;

• раздельными кэшами команд и данных и их заполнением в пакетном режи­ме;

• встроенным сопроцессором FPU,

Архитектура Pentium является оптимизированной, поскольку имеет свойства современных R/SC-микропроцессоров:

• аппаратную реализацию простых команд, выполняемых за один машинный такт;

• суперскалярность и 64-разрядную внешнюю шину данных;

• приблизительно одинаковую производительность конвейерного FPU для операций с одинарной, двойной и расширенной точностью;

• прогнозирование переходов, наличие 64- и 256-разрядных шин на кристалле;

• эффективные средства обеспечения многопроцессорности и др.

Таким образом, Pentium относится к C/SC-архитектуре, однако имеет много свойств R/SC-микропроцессоров.

Развитие процессоров Pentium

• возможность выполнения команд не в порядке их размещения в программе;

• встроенный вторичный кэш объемом до 2 Мбайт;

• появление двух независимых внутренних шин: одну — для связи с памятью, вторую — для обмена с вторичным кэшем;

• управление энергопотреблением;

• наличие встроенных средств контроля операций по модулю два;

• расширение возможностей построения многопроцессорных МПС с симмет­ричной архитектурой.

Развитие современных микропроцессоров определяется конкуренцией между фирмами, развивающими направления CISC- и RISC-архитектур.

Суперскалярные микропроцессоры с R/SC- архитектурой

R/SC-архитектура является основой современных рабочих станций и серверов.

Е? общем R/SC-архитектура имеет следующие черты:

• Сравнительно небольшой (сокращенный) набор команд, которые больше всего применяются в прикладных программах;

• трехоперандный формат команд с длиной операндов 32 или 64 разряда,

• мало способов адресации;

• большой регистровый файл (16, 32, 64 и более регистров);

• аппаратная реализация простых команд за один машинный такт;

• обращение к памяти с помощью специальных команд загрузки- запоминания, обрабатывающих группу регистров;

• широкое использование регистровых окон при переключениях задач;

• суперскалярность — за один машинный такт выполняются две и более ко­манд;

• предвидение переходов;

• наличие средств поддержки многопроцессорности. В целом структура RISC-процессоров содержит:

• два и более исполнительных устройств, в том числе с плавающей запятой;

• раздельные кэши команд и данных;

• блок прогнозирования переходов;

• интерфейс с 64-разрядной внешней шиной данных.

Разработкой и промышленным выпуском RISC-процессоров занимается ряд известных фирм. Они присваивают своим изделиям собственные названия архитек­тур, например:

• POWER— фирма IBM, PowerPC — фирмы Motorola, Apple и IBM;

• Alpha — фирма DEC;

• MIPS — фирма MIPS Technology и др.

Два направления построения ЭВМ:

• с полным набором сложных и многоформатных команд CISC (Complex

• с ограниченным набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer); все команды работают с операндами, расположенными в регистрах АЛУ,

CISC - универсальные,

RISC - узкоспециализированные, зато намного быстрее

Организация аппаратных средств ЭВМ

Современные МПС имеют магистрально-модульную организацию, основанную на принципах агрегирования и унификации. Модульность (агрегирование) — это разделение МПС на простые функционально и конструктивно законченные блоки, называемые модулями, например: модуль микропроцессора, модуль памяти и т.д.

Унификация состоит в оптимизации состава модулей, связей между ними и в их конструктивных оформлениях.

Связь устройств МПС одного с другим осуществляют с помощью сопряжений, называемых интерфейсами. Интерфейс — это совокупность информационно- логических и конструктивных средств и требований (правил), которые обеспечивают оптимальный алгоритм взаимодействия всех модулей МПС.

Интерфейсы классифицируют по следующим основным признакам. По функциональному назначению интерфейсы подразделяются на такие типы:

• внутренние — внутриплатные, межплатные и системные;

• внешние — для периферийных устройств, для локальных сетей

 

 

По направлению передачи данных: симплексные, полудуплексные, дуплексные, мультиплексные:

Все модули, подключаемые к интерфейсу, называются абонентами.

По структуре связей между абонентами, интерфейсы могут быть: радиальные, кольцевые, каскадные, магистральные:

 

По способу передачи информации во времени различают следующие интер­фейсы:

• синхронные — с фиксированной длительностью операций обмена;

• асинхронные — с переменной длительностью операций обмена;

• синхронно-асинхронные — с комбинированным соединением двух спосо­бов.

По разрядности передаваемых данных различают интерфейсы с параллель­ным (словами), последовательным (битами) и параллельно-последовательным об­менами.

Интерфейсы реализуются контроллерами интерфейсов.

Программируемый последовательный интерфейс содержит передатчик (transmitter) и приемник (receiver). Передатчик получает от микропроцессора по ШД данные (data) в параллельном коде и передает их последовательно по линии T_XD в терминал. Приемник получает от терминала по линии R_XD данные в последователь­ном коде, преобразовывает их в параллельные слова и пересылает по ШД в микро­процессор. Система обмена может быть асинхронной или синхронной, симплексной, полудуплексной или дуплексной.

 

Примеры: RS-232, «Токовая петля»

Формат асинхронной передачи: 12 11 10 98765432 1 0 СТБ £>0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 к СБ         СТБ DO D1 D2 D3 D4 D5 D6 к СБ             СТБ DO D1 d2 D3 D4 D5 к СБ             СТБ DO D1 d2 D3 D4 к СБ

 

СТБ - старт-бит (=0), К - контроль чётности, СБ - стоп-бит (=1),

СБ может быть 1, 1,5 или 2.

Формат синхронной передачи: So Si »» •   So s, 4 4 4 sH D D D D D D К   ---------------------- ----------   --------- w----------         -     ...

 

Синхросимвол 1 Синхросимвол 2 Данные

Стартовых и стоповых битов - нет. Применяются синхросигналы в виде части посылки или по отдельной линии.

Виды управляемого обмена информацией:

- синхронный, асинхронный

- последовательный код, параллельный код - со стробированием, без стробирования

- с контролем чётности, без контроля

- с сигналами синхронизации/квитирования

ПДП

Прямой доступ к памяти (ПДП) используют для быстрого обмена массивами информации между основной памятью и периферией. При этом процессор (микро­процессор) освобождается от непосредственного управления операциями ввода- вывода.

Управление ПДП осуществляет контроллер ПДП (КПДП). Перед началом обмена процессор пересылает в КПДП следующую информацию:

• начальный адрес области памяти, которая принимает участие в обмене;

• направление операции обмена — ввода или вывода;

• количество байтов, подлежащих передаче.

 

Режим прямого доступа к памяти обеспечивает непосредственный обмен ин­формацией между ОП МПС и внешними быстродействующими устройствами, на­пример, НГМД. Реализация такого обмена достигается с помощью БИС программи­руемых КПДП.

Подключение внешнего оборудования.

Периферийные устройства подключаются к компьютеру с помощью специали­зированных адаптеров или контроллеров. Адаптер — это средство сопряжения не­которого внешнего устройства с определенной шиной МПС. Контроллер также вы­полняет подобные функции, однако он способен на самостоятельные действия по­сле получения команд от машины. Сложный контроллер может иметь и собственный процессор. Сегодня часто термины "адаптер" и "контроллер" считают почти синони­мами. Все внешние интерфейсы имеют в своем составе адаптер или контроллер.

Прерывания

Во время выполнения текущей (фоновой) программы в компьютере возникают заранее неизвестные события, которые требуют мгновенной реакции на них (авария в системе, готовность ПУ к передаче данных, деление на нуль и др.). Реакция со­стоит в прерывании фоновой программы, переходе к подпрограмме обслуживания данного события и возврате программы в предыдущее состояние. Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается сигналом — запросом прерывания. Пре­рывания — важная архитектурная особенность машины, позволяющая эффективно организовать работу процессора при наличии нескольких параллельных процессов.

Система прерываний:

- аппаратные, программные - приоритет прерываний,

- глубина уровней прерывания

- работа стека при прерываниях

Для технической реализации прерываний используют программируемые кон троллеры прерываний (ПКП).

Состав ПКП:

 

БД

t — i

РУС <8>

 

INT<

IMR

т—i i — i

БОП

i — ^

Блок управления

Ж

ISR

CAS0<r

CAS 1 CAS2<r SP-

Блок каскадирования

{=э/Л7-/Л0

IRR

1-- i

 

• двунаправленный восьмиразрядный буфер данных БД;

• блок управления (входы CS, WR, RD, AD, INTA, INT)\

• регистры запросов прерываний IRR (входы IR1-IRQ), управляющих слов РУС, состояния ISR, маскирования IMR\

• блок каскадирования (вход SP, двунаправленные выходы CAS3-CAS0);

• блок обработки приоритетов (БОП).

Программируемый контроллер прерываний воспринимает запросы на преры­вания от восьми ПУ; за счет каскадирования с помощью выходов CAS3-CAS0 число входов для запросов может увеличиваться до 64.

Запросы, поступающие на входы IR7-IR0, фиксируются в регистре запросов прерывания IRR. Блок обработки приоритетов определяет наиболее приоритетный запрос Блок управления формирует сигнал запроса прерывания INT, который по­ступает на такой же вход микропроцессора. Если в микропроцессоре прерывание разрешено, то он отвечает контроллеру сигналом INTA, поступающим на такой же вход ПКП. В результате на ШД от КПК видается сначала первый байт — код команды CALL (переход на подпрограмму обработки прерывания), а затем второй и третий байты, определяющие адрес подпрограммы. После этого разряд регистра запросов IRR, на который поступил запрос с высшим приоритетом, обнуляется и устанавли­вается единица в соответствующем разряде регистра состояний ISR.

С помощью загрузки управляющих слов инициализации ICW в режиме настрой­ки и операционных слов OCW при обслуживании запросов ПКП может программи­роваться на такие режимы обслуживания прерываний:

Запросы, поступающие на входы IR1-IRQ, фиксируются в регистре запросов прерывания IRR. Блок обработки приоритетов определяет наиболее приоритетный запрос Блок управления формирует сигнал запроса прерывания INT, который по­ступает на такой же вход микропроцессора. Если в микропроцессоре прерывание разрешено, то он отвечает контроллеру сигналом INTA, поступающим на такой же вход ПКП. В результате на ШД от КПК видается сначала первый байт — код команды CALL (переход на подпрограмму обработки прерывания), а затем второй и третий байты, определяющие адрес подпрограммы. После этого разряд регистра запросов IRR, на который поступил запрос с высшим приоритетом, обнуляется и устанавли­вается единица в соответствующем разряде регистра состояний JSR.

С помощью загрузки управляющих слов инициализации ICW в режиме настрой­ки и операционных слов OCW при обслуживании запросов ПКП может программи­роваться на такие режимы обслуживания прерываний:

• приоритеты внешних устройств фиксированы;

• циклический сдвиг приоритетов;

• специального маскирования;

• последовательного опроса ПКП.

В режиме с фиксированными (неизменными) приоритетами вход IRO имеет наивысший приоритет, а вход IR7 — самый низкий. Программируемый контроллер прерываний всегда обслуживает запросы с высшим приоритетом. Если во время обслуживания одного из запросов приходит запрос высшего приоритета, то ПКП пе­реключается на его обслуживание.

При циклическом сдвиге приоритеты могут динамически изменяться: входу по­сле обслуживания присваивается низший приоритет

В режиме специального маскирования разрешаются прерывания на входах с мень­шими приоритетами, чем запрос, обслужи­ваемый в данное время.

В режиме последовательного опроса микропроцессор с помощью ПКП последо­вательно опрашивает источники запросов.

Программируемый таймер

Программируемый таймер (ПТ) предназначен для организации работы МПС в режиме реального времени и позволяет формировать сигналы с разными времен­ными интервалами и частотными характеристиками.

Монтаж элементов ЭВМ

Печатные платы — это составные части конструкции компьютеров и радио­электронной аппаратуры. Платы состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрической основе. Провод­ники на плате соединяют печатные или навесные электрорадиоэлементы (резисто­ры, конденсаторы, индуктивность) и транзисторы, реле, микросхемы и др.

Печатные платы обеспечивают:

• увеличение плотности монтажных соединений и возможность микроминиа­тюризации изделий;

• получение печатных проводников, элементов и экранирующих поверхно­стей в одном технологическом цикле;

• гарантированную стабильность и повторение электрических характеристик;

• повышенную устойчивость к механическим и климатическим воздействиям;

• унификацию и стандартизацию конструктивных и технологических решений;

• увеличение надежности изделий;

• возможность комплексной автоматизации проектирования и монтажно- сборочных и контрольно-регулирующих работ;

• снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.

К недостаткам печатных плат относят сложность внесения изменений в схему и ограниченную ремонтопригодность.

По количеству слоёв:

- односторонние

- двухсторонние

- многослойные

- гибкие

Материалы: текстолит, стеклотекстолит, гетинакс.

Для изготовления основы печатной платы используют фольгированные и не- фольгированные диэлектрики — гетинакс, стеклоткань, фторопласт, полистирол, керамические и металлические (с поверхностным изоляционным слоем) материалы.

Фольгированные материалы — это многослойные прессованные пластики из электроизоляционной бумаги или стеклоткани, пропитанные искусственной смолой. Они покрыты с одной или двух сторон электролитической фольгой толщиной 18; 35 и 50 мкм.

Фольгу изготовляют из меди высокой чистоты (содержание примесей не пре­вышает 0,05%). Медь имеет высокую электропроводность, она относительно устой­чива к коррозии, хотя и требует защитного покрытия.

Для печатного монтажа допустимое значение тока выбирают: дпя фольги 100...250 А/мм², для гальванической меди 60...100 А/мм².

Для производства печатных кабелей используют армированные фольгирован- ные пленки из фторопласта.

Керамические платы могут работать в диапазоне температур 20...700°С. Их из­готовляют из минерального сырья (например, кварцевого песка) прессовкой, литьем под давлением или отливанием пленок.

Металлические платы используют в изделиях с большой токовой нагрузкой. В качестве основы используют алюминий или сплавы железа с никелем. Изоляци­онный слой на поверхности алюминия получают анодным оксидированием с толщи­ной от десятков до сотен микрон и сопротивлением изоляции Ю⁹...Ю¹⁰ Ом.

Толщину проводника берут 18; 35 и 50 мкм. По плотности проводящего рисунка печатные платы подразделяют на пять классов:

• первый класс характеризуется наименьшей плотностью проводящего ри­сунка и шириной проводника и пробелов более 0,75 мм;

• пятый класс имеет наибольшую плотность рисунка и ширину проводника и пробелов в пределах 0,1 мм.

Поскольку печатный проводник имеет малую массу, то сила его сцепления с основой достаточна, чтобы выдержать действующие на проводнике знакоперемен­ные механические перегрузки до A0q в диапазоне частот 4...200 Гц.

Режимы работы Вычислительных машин:

Режимы работы компьютеров	Реального времени
Одно- Много­программные программные	Пакетные	Распределения времени

 

В режимах:

• однопрограммном — каждая программа отдельно загружается в ОП и вы­полняется до получения результата;

• многопрограммном — в память загружается несколько программ; когда вы­полнение одной из программ останавливается из-за необходимости обра­титься к ПУ, то машина переключается на выполнение другой программы;

• пакетном — в ВЗУ формируется пакет задач, которые затем считываются в ОП группами и выполняются в многопрограммном режиме;

• распределения времени (коллективного пользования) — доступ к компью­теру пользователей с помощью собственного терминала;

• реального времени — обеспечивается взаимодействие компьютера с внеш­ними объектами в темпе, который требует быстродействие объекта.

Основные характеристики ЭВМ:

Пиковая производительность - количество операций типа «регистр-регистр» в секунду, MIPS - million instruction per second

Типичная (характерная) производительность - количество операций с плавающей точкой в секунду, FLOPS - floating point operation per second. MFLOPS - миллионы FLOPS

Системная производительность - в условных сравнительных единицах, в зависимости от тестовой программы («Бенчмарки»)

Надёжность - определяется вероятностью отказа устройства за определённый промежуток времени.

Pit) к

 

t

 

N - общее количество испытанных устройств, n - количество вышедших из строя за определённое время.

^-характеристика

 

I - приработка, выход из строя из-за брака;

 

■ Р t)=

-It

II - нормальная эксплуатация

III - старение, износ.

УВВ:

- УВв:

- клавиатура

- сканеры (ручные, протяжные, планшетные, проекционные)

- дигитайзер

- манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, сенсорная панель, световое перо)

- микрофон, устройства ввода и преобразования аналоговых сигналов

- внешние накопители - фото/видеокамеры

- УВыв:

- принтеры (матричные, термические, пьезо-струйные, термоструйные, сублимационные (термокопировальные), твёрдочернильные, лазерные,

светодиодные)

- мониторы (дисплеи): ЭЛТ, ЖК, люминесцентные, плазменные, электромеханические, мозаичные

- проекторы

- графопостроители (плоттеры)

- звуковые устройства, устройства преобразования и вывода аналоговых

сигналов

Связь между функциональными частями машины осуществляют с помощью интерфейса — совокупности шин, сигналов, вспомогательных микросхем и алго­ритмов, предназначенных для обмена информацией между устройствами компью­тера

ГМД

 

76 дорожек - на 8-дюйм. дисках, из них 75-я и 76-я - резервные 40 или 80 дорожек - на 5 и 3,5-дюйм. дисках. Резервных нет. 0 дорожка - служебная

Запись с одинарной плотностью осуществляется методом частотной модуляции (ЧМ-метод), а заЛись с двойной плотно­стью— методом модифицированной частотной модуляции (МЧМ-метод).

 

[1] выходы: результата микрооперации F_A-F_X, последовательного переноса Z., генерации G, транзита Я, а также выход с открытым коллектором от внутреннего компаратора для выработки признака равенства операн-