Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

В основу архитектуры IBM PC-компьютеров положен принцип шинной организации связей между процессором и остальными компонентами компьютера. Хотя с тех пор неоднократно менялись типы используемых шин и их устройство, но архитектура основной принцип внутренней организации компьютера осталась без изменений. Устройство компьютера изображено на схеме ниже.

Центральный процессор (CPU) является ядром компьютерной системы. Связь с остальными компонентами осуществляется посредством внешней шины процессора. Внутри процессора имеются шины для взаимодействия между собой АЛУ, устройства управления и регистров памяти. Внешняя шина процессора состоит из линий, по которым передаются данные, адреса (указывающие, откуда берутся и куда передаются эти данные) и команды управления. Поэтому общая шина подразделяется на шину данных, шину адреса и шину управления. По каждой линии может передаваться один бит данных, адреса или команды управления. Количество линий в шине называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет максимальное количество одновременно передаваемых бит, отчего в свою очередь зависит общая производительность компьютера. То есть чем больше разрядность шины, тем больше данных одновременно может передаваться, тем выше производительность. Вторым параметром, влияющим на производительность, является скорость передачи данных по шине, которая определяется тактовой частотой шины.

Частота шины достаточно важная характеристика, но все же не определяющая производительность компьютера. Наиболее важными параметрами для общей производительности компьютера являются тактовая частота и разрядность центрального процессора. И это естественно по многим причинам. Именно процессор выполняет основные задачи по обработке данных, часто инициирует и управляет обменом данных. Тактовая частота определяет скорость выполнения операций, а разрядность количество данных, обрабатываемых в процессе одной операции.

Вопрос 20: Система конструктивных элементов пэвм. Форм-факторы.

Компью́тер (англ. computer, - «вычислитель») - устройство или система, способное выполнять заданную, чётко определённую изменяемую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако, сюда относятся и операции ввода-вывода. Описание последовательности операций называется программой.

Электро́нная вычисли́тельная маши́на, ЭВМ - комплекс технических средств, где основные функциональные элементы (логические, запоминающие, индикационные и др.) выполнены на электронных элементах, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Персональный компьютер, ПК (англ. personal computer, PC),ПЭВМ (персональная электронно-вычислительная машина) - настольная микро-ЭВМ, имеющая эксплуатационные характеристики бытового прибора и универсальные функциональные возможности.

Форм-фактор (от англ. form factor) - стандарт, задающий габаритные размеры технического изделия, а также описывающий дополнительные совокупности его технических параметров, например форму, типы дополнительных элементов размещаемых в/на устройстве, их положение и ориентацию.

Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит рекомендательный характер.

Спецификация форм-фактора определяет обязательные и дополнительные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей в будущем.

Электронная вычислительная машина подразумевает использование электронных компонентов в качестве её функциональных узлов, однако компьютер может быть устроен и на других принципах - он может быть механическим, биологическим, оптическим, квантовым и т. п. (подробнее: Классы компьютеров По виду рабочей среды), работая за счёт перемещения механических частей, движения электронов, фотонов или эффектов других физических явлений. Кроме того, по типу функционирования вычислительная машина может быть цифровой (ЦВМ) и аналоговой (АВМ).

С другой стороны, термин «компьютер» предполагает возможность изменения выполняемой программы (перепрограммирования). Многие электронные вычислительные машины могут выполнять строго определенную последовательность операций, содержат устройства ввода и вывода или состоят из похожих на используемые в электронном компьютере конструктивных элементов (например, регистры), но не предполагают возможность перепрограммирования.*

Конструктивные особенности

Современные компьютеры используют весь спектр конструкторских решений, разработанных за всё времяразвития вычислительной техники. Эти решения, как правило, не зависят от физической реализациикомпьютеров, а сами являются основой, на которую опираются разработчики. Ниже приведены наиболее важные вопросы, решаемые создателями компьютеров:

Цифровой или аналоговый

Фундаментальным решением при проектировании компьютераявляется выбор, будет ли он цифровой или аналоговой системой. Если цифровыекомпьютерыработают сдискретнымичисленными или символьными переменными, то аналоговые предназначены для обработки непрерывных потоков поступающих данных. Сегодня цифровыекомпьютерыимеют значительно более широкий диапазон применения, хотя их аналоговые собратья все ещё используются для некоторых специальных целей. Следует также упомянуть, что здесь возможны и другие подходы, применяемые, к примеру, в импульсных и квантовых вычислениях, однако пока что они являются либо узкоспециализированными, либо экспериментальными решениями.

Примерами аналоговых вычислителей, от простого к сложному, являются:номограмма,логарифмическая линейка,астролябия,осциллограф,телевизор,аналоговый звуковой процессор,автопилот,мозг.

Среди наиболее простых дискретных вычислителей известен абак, или обыкновенныесчёты; наиболее сложной из такого рода систем являетсясуперкомпьютер.

Система счисления

Примером компьютерана основедесятичной системы счисленияявляется первая американская вычислительная машинаМарк I.

Важнейшим шагом в развитии вычислительной техники стал переход к внутреннему представлению чисел вдвоичной форме. Это значительно упростило конструкции вычислительных устройств ипериферийного оборудования. Принятие за основу двоичной системы счисления позволило более просто реализовыватьарифметическиефункции илогическиеоперации.

Тем не менее, переход к двоичной логикебыл не мгновенным и безоговорочным процессом. Многиеконструкторыпытались разработатькомпьютерына основе более привычной для человекадесятичной системы счисления. Применялись и другие конструктивные решения. Так, одна из раннихсоветскихмашинработала на основетроичной системы счисления, использование которой во многих отношениях более выгодно и удобно по сравнению с двоичной системой (проекттроичного компьютераСетуньбыл разработан и реализован талантливым советским инженеромН. П. Брусенцовым).

Под руководством академика Хетагурова Я. А. разработан «высоконадёжный и защищённый микропроцессор недвоичной системы кодирования для устройств реального времени», использующий систему кодирования 1 из 4 с активным нулём.

В целом, однако, выбор внутренней системы представления данных не меняет базовых принципов работы компьютера- любой компьютер можетэмулироватьлюбой другой.

Хранение программ и данных

Во время выполнения вычисленийчасто бывает необходимо сохранить промежуточныеданныедля их дальнейшего использования. Производительность многихкомпьютеровв значительной степени определяется скоростью, с которой они могут читать и писать значения в (из)памятии её общей ёмкости. Первоначально компьютерная память использовалась только для хранения промежуточных значений, но вскоре было предложено сохранять кодпрограммыв той же самой памяти (архитектура фон Неймана, она же «принстонская»), что и данные. Это решение используется сегодня в большинстве компьютерных систем. Однако для управляющихконтроллеров(микро-ЭВМ) исигнальных процессоровболее удобной оказалась схема, при которой данные и программы хранятся в различных разделах памяти (гарвардская архитектура).

Основная часть ПЭВМ, включающая:

электронные устройства, управляющие работой ПЭВМ (в том числе - “центральный процессор ”, ” сопроцессор ”, ” оперативнуюпамять ”, ” контроллеры ” (” адаптеры ”), ” шину ”);

блок питания, преобразующий переменное напряжение сети в постоянное требуемой низкой величины и подающий его на электронные схемы и другие узлы ПЭВМ;

устройства внешней памяти, предназначенные для записи и чтения программ и данных и состоящих из накопителя на жестком магнитном диске (НЖМД) и одного-двух накопителей на гибких магнитных дисках (НГМД).

Конструкция системного блока ПЭВМ состоит из корпуса, нескольких электронных плат (в первую очередь - “системной” или “материнской ” платы), унифицированных разъемов (слотов), гибких многожильных соединительных кабелей,выключателя электропитания и небольшого числа переключателей (кнопок) управления режимами работы ПЭВМ.

Корпус системного блока ПЭВМ исполняется в вариантах:

Горизонтальном (настольном) в т.ч. в его уменьшенных (Mini-footprint, Slimline) и малогабаритном варианте (Ultra-slimline);

Вертикальном (“ башенном ”) , в т.ч. в укрупненном его виде, пригодном для установке на полу, - “Большая башня ” , малогабаритном - “Малая башня ” и среднем исполнении - “Средняя башня ” ;

“ Все в одном ” - Настольном с объединением в одном корпусе системного блока и монитора;

Портативном или переносном, включающем целый ряд различных вариантов, в том числе - “наколенный ” и “блокнотный” (см. - Ноутбук или Покетбук ). В этих случаях корпус системного блока объединяет также монитор,клавиатуру, трэкбол, а в некоторых моделях - и дисковод CD-ROM

деление на ноль при исполнении

ошибка памяти при записи результатов

На сегодняшний день процессоров с последовательным выполнением команд почти не осталось- их вытеснили процессоры с параллельным выполнением команд, обеспечивающие при прочих равных более высокую производительность. Простейший процессор с параллельным выполнением команд - процессор с конвейером команд (instruction pipeline). Процессор с конвейером команд можно получить из процессора с последовательным выполнением команд, если сделать так, чтобы каждый этап цикла команды был независим от предыдущих и последующих этапов.

Для этого результаты каждого этапа, кроме последнего, сохраняются во вспомогательных элементах памяти (регистрах), расположенных между этапами:

Результат выборки - закодированная команда - сохраняется в регистре, расположенном между этапами выборки и декодирования

Результат декодирования - тип операции, значения операндов, адрес результата - сохраняются в регистрах между этапами декодирования и исполнения

Результаты исполнения - новое значение счетчика команд для условного перехода, вычисленный в АЛУ результат арифметической операции и так далее - сохраняются в регистрах между этапами исполнения и записи результатов

На последнем этапе результаты и так записываются в регистры и/или память, поэтому никакие вспомогательные регистры не нужны.

Прерывание по вектору

При такой организации системы прерываний ВУ, запросившее обслуживания, само идентифицирует себя с помощью вектора прерывания - адреса ячейки основной памяти микроЭВМ, в которой хранится либо первая команда подпрограммы обслуживания прерывания данного ВУ, либо адрес начала такой подпрограммы. Таким образом, процессор, получив вектор прерывания, сразу переключается на выполнение требуемой подпрограммы обработки прерывания. В микроЭВМ с векторной системой прерывания каждое ВУ должно иметь собственную подпрограмму обработки прерывания.

В этом реферате мы постараемся достаточно кратко объяснить некоторые особенности IBM РС-совместимых компьютеров, а также введем некоторые базовые понятия, на которые впоследствии будем не раз ссылаться.

Открытая архитектура (блочно-модульный принцип построения)

Привлекательность IBM РС-совместимых компьютеров заключается в их открытой архитектуре. Это, в частности, означает, что подобные компьютеры имеют модульный принцип построения, то есть их основные узлы и блоки выполнены в виде отдельных модулей. Таким образом, установка новых или замена старых устройств, входящих в состав компьютера, не представляют особых сложностей. Усовершенствование таких компьютеров вполне под силу самим пользователям.

В составе IBM РС-совместимого персонального компьютера можно выделить три основных компонента: системный блок, монитор и клавиатуру. В системном блоке находится вся основная электронная начинка компьютера: блок питания, материнская (системная) плата и приводы накопителей (дисководы) со сменным или несменным носителем. Клавиатура является стандартным устройством ввода информации, позволяющим передавать компьютеру определенные символы или

управляющие сигналы. Монитор (или дисплей) предназначен для отображения на своем экране монохромной или цветной, символьной или графической информации. Все перечисленные выше основные компоненты соединяются друг с другом посредством специальных кабелей с разъемами.

От типа корпуса системного блока зависят, в частности, размеры и размещение используемой системной платы, минимальная мощность блока питания (то есть возможное число, подключаемых устройств) и максимальное количество устанавливаемых приводов накопителей. Корпуса компьютеров бывают напольного (tower) и настольного (desktop) исполнения. Основным отличием этих типов корпусов можно считать различное количество установочных мест для накопителей и соответственно мощность блока питания. Кстати, установочные места (монтажные отсеки) для накопителей могут быть двух типов: с внешним доступом и внутренним доступом. Таким образом, по определению, доступ к накопителям, установленным в монтажные отсеки последнего типа может осуществляться только при открытой крышке корпуса системного блока. Такие установочные места могут использоваться только для накопителей с несменным носителем, например, винчестеров.

Системная плата является основой компьютера и представляет собой плоский лист фольгированного стеклостекстолита, на котором находятся основные электронные элементы: базовый микропроцессор, оперативная память, кварцевый резонатор и другие вспомогательные микросхемы.

В соответствии с принципом открытой архитектуры большая часть

IBM РС-совместимых компьютеров имеет системные платы, которые содержат лишь основные узлы, а элементы связи, например, с приводами накопителей, монитором и другими периферийными устройствами, отсутствуют. В таком

случае эти отсутствующие элементы располагаются на отдельных печатных платах, которые вставляются в специальные разъемы расширения, предусмотренные для этого на системной плате. Эти дополнительные платы называют дочерними, а системную плату - материнской. Функциональные устройства, выполненные на дочерних платах, часто называют контролерами или адаптерами, а сами дочерние платы - платами расширения.

Микропроцессоры и системные шины

В IBM РС-совместимых компьютерах используются только микропроцессоры Intel или их клоны, имеющие подобную архитектуру.

С основными устройствами компьютера микропроцессор связан через так называемую системную шину. По этой шине осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Как правило, подключение дополнительных устройств к системной шине производится через разъемы расширения.

Для подключения плат расширения на системной шине компьютеров на базе микропроцессора i8088 (IBM РС и IBM РС/ХТ) используются 62-контактные разъемы. В частности, эта системная шина включает 8 линий данных и 20 адресных линий, которые ограничивают адресное пространство компьютера пределом в

1 Мбайт. В компьютерах PC/AT286 впервые стала применяться новая системная шина ISA (Industry Standart Architecture), по которой можно было передавать параллельно уже 16 разрядов данных, а благодаря 24 адресным линиям напрямую обращаться к 16 Мбайтам системной памяти. Эта системная шина отличается от предыдущей наличием дополнительного З6-контактного разъема для соответствующих плат расширения. Компьютеры на базе микропроцессоров i80386/486 стали применять специальные шины для памяти, что позволило максимально использовать ее быстродействие. Тем не менее некоторые устройства, подключаемые через разъемы расширения системной шины, не могут достичь скорости обмена, сравнимой с микропроцессором. В основном это касается работы с контролерами накопителей и видеоадаптерами. Для решения этой проблемы, стали использовать так называемые локальные (local) шины, которые непосредственно связывают микропроцессор с контролерами этих периферийных устройств. В настоящее время известны две стандартные локальные шины: VL-bus (VESA Local-bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect). Для подключения устройств к таким шинам на системной плате компьютера имеются специальные разъемы.

Порты, прерывания, прямой доступ к памяти

Все устройства на системной шине микропроцессор рассматривает либо как адресуемую память, либо как порты ввода-вывода. Вообще говоря, под портом понимают некую схему сопряжения, которая обычно включает в себя один или несколько регистров ввода-вывода (особых ячеек памяти).

О совершении некоего события микропроцессор может узнать по сигналу, называемому прерыванием. При этом исполнение текущей последовательности команд приостанавливается (прерывается), а вместо нее начинает выполняться другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Обычно прерывания подразделяются на аппаратные, логические и программные.

Аппаратные прерывания (IRQ) передаются по специальным линиям системной шины и связаны с запросами от внешних устройств (например, нажатие клавиши на клавиатуре). Логические прерывания возникают при работе самого микропроцессора (например, деление на ноль), а программные инициируются выполняемой программой и обычно используются для вызова специальных подпрограмм.

В первых компьютерах IBM PC использовалась микросхема контролера прерываний i8259 (Interrupt Controller), которая имеет восемь входов для сигналов прерываний (IRQ0-IRQ7). Как известно, в одно и то же время микропроцессор может обслуживать только одно событие и в выборе данного события ему помогает контролер прерываний, который устанавливает для каждого из своих входов определенный уровень важности - приоритет. Наивысший приоритет имеет линия запроса прерывания IRQ0, а наименьший - IRQ7, то есть приоритет убывает в порядке возрастания номера линии. В IBM PC/AT восьми линий прерывания стало уже недостаточно и их количество было увеличено до 15. В первых моделях для этого использовалось каскадное включение двух микросхем i8259. Оно осуществлялось путем подсоединения выхода второго контролера ко входу IRQ2 первого.

Важно для понимания здесь следующее. Линии прерывания IRQ8 - IRQ15 (то есть входы второго контролера) имеют приоритет ниже чем IRQ1, но выше IRQ3.

В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, а не через внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективной такая передача данных бывает в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена для большого количества информации. Для инициализации процесса прямого доступа на системной шине используются соответствующие сигналы.

В компьютерах, совместимых с IBM РС и PC/XT, для организации прямого доступа в память используется одна 4-канальная микросхема DMA i8237, канал 0 которой предназначен для регенерации динамической памяти. Каналы 2 и 3 служат для управления высокоскоростной передачей данных между дисководами гибких дисков, винчестером и оперативной памятью соответственно.

IBM PC/AT-совместимые компьютеры имеют 7 каналов прямого доступа к памяти. В первых компьютерах это достигалось каскадным включением двух микросхем i8237, как и в случае контролеров прерываний.

Память компьютера

Все персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители). Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).

Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

Логическая организация памяти

Как известно, используемый в IBM РС, PC/XT микропроцессор i8088 через свои 20 адресных шин предоставляет доступ всего к 1-Мбайтному пространству памяти. Первые 640 Кбайт адресуемого пространства в IBM РС-совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional memory). Оставшиеся 384 Кбайта зарезервированы для системного использования и носят название памяти в верхних адресах (UMB, Upper Memory Blocks, High DOS Memory или UM Area - UMA).Эта область памяти резервируется под размещение системной ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System), под видеопамять и ROM-память дополнительных адаптеров.

Дополнительная (expanded) память

Почти на всех персональных компьютерах область памяти UMB редко оказывается заполненной полностью. Пустует, как правило, область расширения системного ROM BIOS или часть видеопамяти и области под дополнительные модули ROM. На этом и базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Ехpanded Memory Specification), впервые разработанная фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM-cпeцификацией). Эта спецификация позволяет использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. В области UMB, между видеобуфером и системным RGM BIOS, выделяется незанятое 64-Кбайтное "окно", которое разбито на страницы. Программные и аппаратные средства позволяют отображать любой сегмент дополнительной памяти в любую из выделенных страниц "окна(TM). Хотя микропроцессор всегда обращается к данным, хранимым в "окне" (адрес ниже 1 Мбайта), адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно "окна" на несколько мегабайт (см. рис. 1).

Не следует забывать, что хотя IBM PC – совместимые компьютеры и являются наиболее популярными, занимая львиную долю рынка, существуют и динамично развиваются коспьютеры, в которых нет процессоров линейки х86. В частности, компьютеры, не совместимые с IBM PC – ноутбуки и карманные персональные компьютеры (КПК) с процессорами разработки компаний Motorola и IBM, игровые приставки марки Playstation, обладают совсем другой внутренней архитектурой и собираются на чипах, которые разрабатываются специально для них. Хотя внешне, например, отличить ноутбук на процессоре корпорации Intel от фирменного ноутбука Apple, в котором использован процессор корпорации Motorola, практически невозможно.

Кроме того, следует упомянуть об игровой приставке Playstation 3, которая осенью 2007 года появилась в массовых количествах. В ее конструкции используется 9-ядерный процессор Cell разработки корпорации IBM. При скромной цене и габаритах ее возможности создавать на экране монитора или телевизора виртуальный мир значительно выше, чем у самых навороченных персональных компьютеров с процессорами линейки х86.

Структурная схема микропроцессора

Структурная схема базовой модели микропроцессора приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема микропроцессора

Условно микропроцессор можно разделить на две части: исполнительный блок (Execution Unit - EU) и устройство сопряжения с системной магистралью (Bus Interface Unit - ВIU).

В исполнительном блоке находятся: арифметический блок и регистры. Арифметический блок включает арифметико-логическое устройство, вспомогательные регистры для хранения операндов и регистр флагов.

Восемь регистров исполнительного блока МП (АХ, ВХ, СХ, DX, SP, ВР, SI, DI), имеющих длину, равную машинному слову, делятся на две группы. Первую группу составляют регистры общего назначения: АХ, ВХ, СХ и DX, каждый из которых представляет собой регистровую пару, составленную из двух регистров длиной в 0.5 машинного слова.

Аккумулятор, или регистр АХ, состоит из регистров АН и AL. Регистр базы (Base Register) ВХ состоит из регистров ВН и BL. Счетчик (Count Register) СХ включает регистры СН и CL. Регистр данных (Data Register) DX содержит регистры DH и DL. Каждый из коротких регистров может использоваться самостоятельно или в составе регистровой пары. Условные названия (аккумулятор, регистр базы, счетчик, регистр данных) не ограничивают применения этих регистров - эти названия говорят о наиболее частом использовании их или об особенности использования того или иного регистра в той или иной команде.

Вторую группу составляют адресные регистры SP, BP, SI и DI (в старших моделях количество адресных регистров увеличено). Эти регистры активно используются по функциональному назначению и в других целях их применятъ не рекомендуется. Основное их назначение - хранить числовые значения, реализуемые при формировании адресов операндов.

Устройство сопряжения с системной магистралью содержит управляющие регистры, конвейер команд, АЛУ команд, устройство управления исполнительным блоком МП и интерфейс памяти (соединяющий внутреннюю магистраль МП с системной магистралью ЭВМ).

Управляющие регистры BIU: CS (указатель командного сегмента), DS указатель сегмента данных), SS (указатель сегмента стека), ES (указатель дополнительного сегмента) и др. служат для определения физических адресов ОП - операндов и команд. Регистр IP (Instruction Pointer) является указателем адреса команды, которая будет выбираться в конвейер команд в качестве очередной команды (в отечественной литературе такое устройство называется счетчик команд). Конвейер команд МП хранит несколько команд, что позволяет при выполнении линейных программ совместить подготовку очередной команды с выполнением текущей.

К управляющим регистрам МП относится и регистр флагов, каждый разряд которого имеет строго определенное назначение. Обычно разряды регистра флагов устанавливаются аппаратно при выполнении очередной операции в зависимости от получаемого в АЛУ результата. При этом фиксируются такие свойства получаемого результата, как нулевой результат, отрицательное число, переполнение разрядной сетки АЛУ и т.д. Но некоторые разряды регистра флагов могут устанавливаться по специальным командам. Некоторые разряды имеют чисто служебное назначение (например, хранят разряд, выпавший из АЛУ во время сдвига, или являются резервными (т.е. не используются).