|
|
Коротко о сайте
|
На данном сайте вы можете найти рефераты по информатике, прочитать их на страницах сайта или скачать в архиве. Сайт имеет удобную навигацию, рефераты распределены по разделам информатики. Поэтому необходимый реферат нетрудно будет найти.
Кроме рефератов на сайте есть раздел Полезные статьи, в котором мы размещаем статьи наших партнёров.
|
Архитектура ПК
|
Микропроцессоры
Микропроцессор, иначе, центральный процессор. Центральный процессор (CPU, от англ. Central
Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические
и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует
работу всех устройств компьютера. Центральный процессор в общем случае содержит в себе:
· арифметико-логическое устройство;
· шины данных и шины адресов;
· регистры;
· счетчики команд;
· кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
· математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор
представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния
прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены
схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в
пластмассовый или плоский керамический корпус и соединяется золотыми проводками с
металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. В
вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие
системы называются многопроцессорными.
Первый микропроцессор был выпущен в 1971 г. фирмой Intel (США) — МП 4004. В настоящее
время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и
распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и AMD.
Структура микропроцессора
Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно
вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки
машины. Сюда включаются:
· Регистр команд — запоминающий регистр, в котором хранится код команды:
код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд
расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд.
· Дешифратор операций — логический блок, выбирающий в соответствии с
поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него
выходов.
· Постоянное запоминающее устройство микропрограмм — хранит в своих
ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций
обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операции (в соответствии с
кодом операции) считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность
управляющих сигналов.
· Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) —
устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим
из регистра команд и регистров МПП.
· Кодовые шины данных, адреса и инструкций — часть внутренней шины
микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения
следующих основных процедур:
§ выборки из регистра-счетчика адреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится
очередная команда программы;
§ выборки ИЗ ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в
регистр команд;
§ расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
§ считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ
микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины
процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
§ считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов
операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;
§ выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции
обработки этих операндов;
§ записи результатов операции в память;
§ формирования адреса следующей команды программы.
Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и
логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит обычно из двух
регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).
Сумматор — вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход
двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.
Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Pr1) имеет
разрядность двойного слова, а регистр 2 (Pr2) — разрядность слова. При выполнении операции в Pr1
помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции — результат; в Pr2 —
второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется).
Регистр 1 может принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию с этих шин.
Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от
устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора
АЛУ. АЛУ выполняет арифметические операции (+, -, *, :) только над двоичной информацией с
запятой, фиксированной после последнего разряда, т. е. только над целыми двоичными числами.
Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-
кодированными десятичными числами осуществляется или с привлечением математического
сопроцессора, или по специально составленным программам.
Микропроцессорная память — память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого
быстродействия (время обращения к МПП, т. е. время, необходимое на поиск, запись или считывание
информации из этой памяти, измеряется наносекундами). Она предназначена для кратковременного
хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины
участвующей в вычислениях; МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины,
ибо основная не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации,
необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Микропроцессорная
память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не меньше машинного слова.
Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны.
Регистры микропроцессора делятся на регистры общего назначения и специальные.
Специальные регистры применяются для хранения различных адресов (адреса команды, например),
признаков результатов выполнения операций и режимов работы ПК (регистр флагов, например) и др.
Регистры общего назначения являются универсальными и могут использоваться для хранения любой
информации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы при выполнении
ряда процедур.
Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП системной шиной ПК, а
также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования
полных адресов операндов и команд.
Интерфейсная часть включает в свой состав адресные регистры МПП, узел формирования
адреса, блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП, внутреннюю интерфейсную шину
МП и схемы управления шиной и портами ввода – вывода.
Порты ввода – вывода — это пункты системного интерфейса ПК, через которые МП
обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у МП может быть 65536. Каждый
порт имеет адрес — номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью
устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера. Порт
устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти — для обмена данными и обмена
управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для
хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства
(НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты
ввода – вывода.
Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:
· формирование адреса порта и управляющей информации для него
(переключение порта на прием или передачу и др.);
· прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и
его состоянии;
· организацию сквозного канала в системном интерфейсе для данных между
портом устройства ввода – вывода и МП.
Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовые шины инструкций,
адреса и данные системной шины: при доступе к порту МП посылает сигнал по КШИ, который
оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на КША является адресом порта, а затем
посылает и сам адрес порта. То устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о
готовности, после чего по КШД осуществляется обмен данными.
Последовательность работы блоков ПК
Программа хранится во внешней памяти ПК. При запуске программы в работу пользователь
выдает запрос на ее исполнение в дисковую операционную систему (DOS — Disc Operation System)
компьютера. Запрос пользователя — это ввод имени исполняемой программы в командную строку на
экране дисплея. Главная программа DOS-Command.com обеспечивает перезапись машинной
(исполняемой) программы из внешней памяти в ОЗУ, в которой находится начало (первая команда)
этой программы.
После этого автоматически начинается выполнение команд программы друг за другом. Каждая
программа требует для своего исполнения нескольких тактов работы машины (такты определяются
периодом следования импульсов от генератора тактовых импульсов). В первом такте выполнения
любой команды производятся считывание кода самой команды из ОЗУ по адресу, установленному в
регистре-счетчике адреса, и запись этого кода в блок регистров команд устройства управления.
Содержание второго и последующих тактов исполнения определяется результатами анализа команды,
записанной в блок регистров команд, т. е. зависит уже от конкретной команды.
Пример. При выполнении ранее рассмотренной машинной команды: СЛ 0103 5102.
будут выполнены следующие действия:
· второй такт: считывание из ячейки 0103 ОЗУ первого слагаемого и
перемещение его в АЛУ;
· третий такт: считывание из ячейки 5102 ОЗУ второго слагаемого и
перемещение его в АЛУ;
· четвертый такт: сложение в АЛУ переданных туда чисел и формирование
суммы;
· пятый такт: считывание из АЛУ суммы чисел и запись ее в ячейку 0103.
В конце последнего (в данном случае пятого) такта выполнения команды в регистр-счетчик
адреса команд МПП будет добавлено число, равное количеству байтов, занимаемых кодом
выполненной команды программы. Поскольку емкость одной ячейки памяти ОЗУ равна 1 байту и
команды программы в ОЗУ размещены последовательно друг за другом, в регистре-счетчике адреса
команд будет сформирован адрес следующей команды машинной программы, и машина приступит к ее
исполнению и т. д. Команды будут выполняться последовательно одна за другой, пока не завершится
вся программа. После завершения программы управление будет передано обратно в программу
Command.com операционной системы.
Запоминающие устройства ПК
Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в
группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с
единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его
адресом. Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого
компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не
исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как
правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна
команда. Однако допускаются переменные форматы представления информации.
Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт,
Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.
Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые
сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой
информации и стоимости хранения одинакового объёма информации. Различают два основных вида
памяти — внутреннюю и внешнюю. В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-
память и специальная память.
Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным
доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно
связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых
программ и данных, обрабатываемых этими программами.
Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как,
когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной
памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес. Объем
ОЗУ обычно составляет 32 – 512 Мбайта, а для эффективной работы современного программного
обеспечения желательно иметь не менее 256 Мбайт ОЗУ. Обычно ОЗУ исполняется из интегральных
микросхем памяти DRAM (Dynamic RAM — динамическое ОЗУ). Микросхемы DRAM работают
медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле.
Каждый информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного
конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие
конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды)
подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh
Memory). Современные микросхемы имеют ёмкость 1 – 16 Мбит и более. Они устанавливаются в
корпуса и собираются в модули памяти.
Наиболее распространены модули типа DIMM и SIMM. В модуле SIMM элементы памяти собраны
на маленькой печатной плате длиной около 10 см. Ёмкость таких модулей неодинаковая — 256 Кбайт,
1, 2, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайта. Различные модули SIMM могут иметь разное число микросхем — девять,
три или одну, и разное число контактов — 30 или 72.
Важная характеристика модулей памяти — время доступа к данным, которое обычно составляет
60 – 80 наносекунд.
В настоящее время SIMM’ы практически не применяются. На их смену пришли DIMM, а на смену
DIMM приходят DDR и RIMM, но по сравнению с DIMM они имеют немного большую стоимость и
соответственно повышенную скорость обмена.
Кэш (англ. cache), 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. При этом возможны как
"попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные,
извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше
отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа
попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.
Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более
быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM. Современные микропроцессоры имеют
встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8 – 16 Кбайт. Кроме того, на
системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью от 64 Кбайт до
256 Кбайт и выше.
К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая
постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и
некоторые другие виды памяти.
Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) —
энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют
изменения. Содержание памяти специальным образом “зашивается” в устройстве при его
изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать. Перепрограммируемая
постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную
перезапись своего содержимого с дискеты.
Прежде всего, в постоянную память записывают программу управления работой самого
процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней
памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.
Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. BIOS (Basic Input/Output
System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для:
· автоматического тестирования устройств после включения питания
компьютера;
· загрузки операционной системы в оперативную память.
Роль BIOS двоякая: с одной стороны, это неотъемлемый элемент аппаратуры (Hardware), а с
другой стороны — важный модуль любой операционной системы (Software).
CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением
от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования
компьютера, а также о режимах его работы. Содержимое CMOS изменяется специальной
программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать, читается "сетап").
Для хранения графической информации используется видеопамять. Видеопамять (VRAM) —
разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ
организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею.
Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.
Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и
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;
· накопители на гибких магнитных дисках;
· накопители на компакт-дисках;
· накопители на магнитооптических компакт-дисках;
· накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.
Гибкий диск, дискета (англ. floppy disk) — устройство для хранения небольших объёмов
информации, представляющее собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для
переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.
Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и
помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее
покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки
считывания/записи накопителя получают доступ к диску.
Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием.
Он заключается в том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении
приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается
однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов.
Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы.
Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную
порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и
составляет 512 байтов.
На дискете можно хранить от 360 Килобайт до 2,88 Мегабайт информации. В настоящее время
наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма
(89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек — 80, количество секторов на дорожках — 18.
Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive),
автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты
вращения 360 мин–1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются
неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором
через контроллер гибких дисков.
Если гибкие диски — это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск —
информационный склад компьютера. Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD — Hard Disk
Drive), или винчестерский накопитель — это наиболее массовое запоминающее устройство большой
ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры,
обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного
хранения информации — программ и данных.
Читать1
2
3
4
5
Скачать реферат в архиве
|
|
|
|
|
|
