МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра № 304 «Вычислительных машин, систем и сетей»

Раздел 1. Основные принципы организации и характеристики современных ЭВМ

Мы будем изучать только дискретные вычислительные машины.

Поколения ЭВМ, основные черты каждого из них

I-ое поколение - начало 50-х годов: элементная база – радиоэлектронные лампы.

(ЭВМ обладает низкой надежностью, огромными габаритами и высокой потребляемой мощностью).

II-ое поколение - 60-ые годы: элементная база – полупроводниковые транзисторы.

(Характеристики ЭВМ улучшаются: повышается надежность, быстродействие; появляются языки высокого уровня и первые операционные системы).

III-е поколение - 70-ые годы: элементная база – интегральные микросхемы.

(ЭВМ с развитым программным обеспечением, режим разделения времени).

IV-ое поколение - 80-ые годы: элементная база – большие интегральные микросхемы (десятки тысяч транзисторов на кристалле).

V-ое поколение – 90-ые годы: элементная база – сверхбольшие интегральные схемы. (Высокопроизводительные (интеллектуальные) системы).

1.2 Общие положения об организации отдельных классов ЭВМ

В ОП (оперативной памяти) хранятся команды в машинном коде, операнды, результат.

ЦП (центральный процессор) выполняет и обрабатывает команды одну за другой.

Устройства ввода/вывода: клавиатура, мышь, принтер и другие.

Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов

I. По способу взаимодействия ядра и внешнего устройства.

Каналы – периферийные процессоры, занимающиеся вводом/выводом.

Данные из внешних устройств через канал поступают в ОП.

Только 2 устройства могут работать одновременно.

Для больших потоков информации вводится контроллер. Он управляет потоком информации.

1) мультипроцессорная вычислительная система:

С одной ОП работает несколько ЦП. Количество ЦП =n (n<10).

Такой способ используют для повышения производительности (надежности).

4) Универсальные специализированные системы.

Ориентированы на решение конкретных специальных задач.

Системой счисления называется способ представления чисел посредством цифровых знаков или алфавита символов.

Различают позиционные и непозиционные системы счисления.

В позиционных системах счисления - значение цифры зависит от места расположения в числе (арабская система счисления): 3 30 300.

В непозиционных системах счисления значение цифры не зависит от места расположения в числе (римская система счисления): IV VI.

В ЭВМ используют только позиционные системы счисления.

Основанием системы счисления q – называется количество символов, используемые в данной системе счисления. Например, для десятичной системы счисления q=10: 0,…,9.

В ЭВМ используются системы счисления с основаниями:

Таблица соответствия чисел (от 0 до 15), представленных в двоичной, десятичной, шестнадцатеричной системах счисления.

Перевод чисел из двоичной (восьмеричной, шестнадцатеричной) системы счисления в десятичную систему счисления

Для перевода необходимо представить число в виде полинома, в котором все числа выражены в десятичной системе счисления и выполнить действия в десятичной системе счисления.

Оперативная (основная) память является представителем адресной памяти.

Шириной выборки из оперативной памяти называется число байт информации, которую можно считать или записать за одно обращение к памяти.

Основные операции, которые производятся в адресной памяти, это чтение и запись.

Вспомогательная память представляет стековую память.

Стек – это память, организованная по принципу «последний пришёл, первый ушёл»; память «магазинного» типа.

Указатель стека всегда будет указывать на последнюю занятую ячейку. Писать можно только в верхнюю свободную ячейку. Нельзя считывать ‘a’, пока не считали все верхние ячейки до ‘a’ (d, c, b). Информация считывается по указателю стека, а после считывания, указатель стека уменьшается на 1.

На РП записывается некоторый код. Все ячейки в ЗМ проверяются на наличие кода, записанного на РП. И в тех ячейках, где содержимое ячейки совпало с кодом на РП, соответствующий разряд помечается на РО. На РМ устанавливается некоторый код маски, который позволяет замаскировать отдельные разряды на РП, которые в дальнейшем не будут участвовать в сравнении с содержимым ячеек ЗМ.

Так же как и в предыдущем случае, ОП разбивается на сегменты, КЭШ разбивается на сектора. Сегменты и сектора разбиваются на равные блоки, число блоков в секторе и сегменте совпадают. i-ый блок сегмента ОП может располагаться только в i-ом блоке некоторого сектора КЭШ. Но в отличии от предыдущего случая, в одном секторе могут располагаться блоки, относящиеся к различным сегментам. В связи с этим, каждый блок снабжен адресной частью, в которой записывается номер сегмента, к которому принадлежит этот блок. Бит присутствия отсутствует.

При выдачи исполнительно адреса сначала выделяются средние разряды, которые указывают номер адресуемого блока. В каждом секторе КЭШ помечаются блоки с указанным номером. Для выделенных блоков анализируются их адресные части на предмет совпадения со старшими разрядами исполнительного адреса, который указывает номер сегмента.

Если для какого-то блока адресная часть совпала со старшими разрядами исполнительного адреса, то это означает, что адресуемый блок находится в КЭШ, и к нему производится обращение со стороны ЦП по чтению или по записи. При обращении по записи выделяют признаковый обмен и сквозную запись. При сквозной записи информация параллельно пишется в адресуемый блок КЭШ и ОП. При признаковом обмене каждый блок дополнительно снабжен битом изменения. При записи информация заносится только лишь в блок КЭШ, и соответствующий бит изменения устанавливается равным единице.

В том случае, если адресная часть не совпала ни для одного из блоков со старшим разрядами исполнительного адреса, то это означает, что адресуемый блок в КЭШ отсутствует. Требуется вытеснение одного из блоков с аналогичным номером из КЭШ и на его место подкачка адресуемого блока. При вытеснение блока по определенному алгоритму определяется какой блок будет вытесняться. Если используется признаковый обмен, то анализируется бит изменения. Если бит изменения равен единице, то предварительно этот блок переписывается в ОП. После этого адресуемый блок записывается в КЭШ. Старшие разряды исполнительного адреса записываются в адресную часть адресуемого блока. При сквозной записи блок и номер сегмента сразу же записываются в КЭШ.

Расширением группо-ассоциативного способа является ассоциативный способ организации.

i-ый блок ОП может быть помещен на место j-го блока КЭШ памяти. В одном секторе могут находиться блоки, относящиеся к разным сегментам.

Адресная часть каждого блока содержит номер сегмента и номер блока. При выдаче ЦП исполнительного адреса выделяются сразу средние и старшие его разряды и проверяются с адресными частями каждого из блоков КЭШ – производится ассоциативный поиск.

Центральным процессором (ЦП) называется устройство, которое предназначено для обработки данных под управлением выполняемой программы.

Предназначено для выработки управляющих сигналов, под воздействием которых выполняются команды ЭВМ.

· аппаратные УУ (схемная реализация, УУ с жесткой логикой).

СчК (счётчик команд) – хранит адрес следующей выполняемой команды.

РК (регистр команд) – хранит текущую выполняемую команду.

Машинная команда – это двоичный код, который имеет 2 основные части:

Операционная часть предназначена для хранения кода операции.

По способу организации адресной части выделяют:

А1 – адресная часть команды, в которой содержится информация об адресе первого операнда.

А2 – содержит информацию об адресе второго операнда.

А3 – содержит информацию об адресе, по которому должен быть помещён результат.

А4 – содержится информация об адресе следующей выполняемой команды.

При переходе к трёхадресной системе, адрес следующей выполняемой команды будет храниться на счётчике команд (СчК). По сравнению с предыдущим пунктом меняется только первый этап в микропрограмме.

Результат записываем либо по адресу А1, либо по адресу А2 (тогда этот операнд, на место которого будет записан результат, сотрётся, и нужна дополнительная команда, чтобы перезаписать этот операнд, если он понадобится для другой команды).

Для хранения второго операнда вводится вспомогательный регистр (регистр-аккумулятор), и до начала выполнения машинной команды на него записывается второй операнд.

Результат записывается либо на место первого операнда, либо в регистр - аккумулятор.

ü Самый оптимальный вариант – это двухадресные и трёхадресные команды.

Каждый этап машинной команды обрабатывается на отдельном блоке. На 1-м такте 1-я команда подается на первый блок, то есть реализует 1-й этап (выборка команды из памяти). Во 2-м такте 1-я команда переходит на 2-й этап, а 2-я команда поступает на первый этап. В 3-ем такте, 1-я команда на 3 этапе, 2-я команда на 2-ом этапе, 3-я команда на 1-ом этапе. Т.е. конвейер команд аналогичен технологическому конвейеру.

За 8 тактов при последовательной обработке команд, обрабатывается 2 команды, а при конвейерной – 5 команд.

В случае отсутствия команд перехода и информационных конфликтов – повышение производительности!

Если появляются команды перехода, то все команды, находящиеся на конвейере, обнуляются, и конвейер начинает заполняться с команды, на которую нужно перейти.

При выполнении программы, может встретиться такая ситуация, когда результат предыдущей команды еще не сформирован, а следующая команда должна использовать этот результат при выборе операнда.

При классическом конвейере, зависимая команда не будет поступать на обработку до тех пор, пока информационная зависимость не будет снята (пока результат не будет записан в R1), следующие за ней команды будут блокироваться – блокировка конвейера.

Адресный код команды в полях Аi в большинстве случаев не совпадает с исполнительным адресом.

Под исполнительным адресом понимается физический адрес ячейки памяти, по которому хранится информация, или же по которому её необходимо записать.

В адресном поле Аi хранится непосредственно исполнительный адрес.

При непосредственной адресации можно только считывать операнд, но нельзя записывать результат на место Аi

В адресном поле команды хранится адрес ячейки ОП, по которому находится адрес операнда (то есть адрес адреса).

РАП = РК (Аi) – подаём в память адрес адреса операнда.

В адресном поле команды указывается номер РОНа, в котором хранится операнд.

РОНы используются для сокращения времени доступа за операндами.

В адресном поле Аi выделяется 2 подполя: Вi и Di.

Bi – номер базового регистра или адрес ячейки памяти, где хранится база.

(Bi) – база; наиболее часто база хранится в РОНах.

Di – смещени е, выбирается непосредственно из команды.

Исполнительный адрес формируется как сумма базы и смещения:

Исполнительный адрес формируется как сумма индекса и смещения:

Исполнительный адрес формируется как сумма индекса, базы и смещения:

3 этап. Формирование исполнительного адреса и выбор операндов.

СчК = РЧРП – выбран адрес, по которому надо передать управление.

Арифметико-логическое устройство (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, представляемыми в виде машинных слов, называемыми в этом случае операндами. Предназначено для непосредственной обработки информации над числами с фиксированной и плавающей точкой, выполнения логических операций, преобразования текстовых данных, выполнения операций двоично-десятичной арифметики.

· Одноразрядные (для последовательного кода, в основе лежит одноразрядный сумматор);

· Многоразрядные (для параллельного кода, в основе лежит многоразрядный сумматор);

· Однофункциональные (отдельный блок АЛУ предназначен для отдельной операции);

· Многофункциональные (одна и та же аппаратура предназначена для выполнения различных операций (+, -, *, /).

При выполнение операции вычитания x-y, уменьшаемое x подается на регистр РВ, вычитаемое y подается на регистр Р1. Чтобы получить дополнительный код y информация с Р1 на РА записывается в обратном коде, то есть инвертируется (снимается информация с инверсных выходов регистра Р1 при перезаписи).

В сумматоре складывается содержимое РА и РВ и прибавляется 1 к младшему разряду.

Таким образом, в сумматоре к уменьшаемому x прибавляется дополнительный код вычитаемого y. На регистре РС фиксируется результат выполненной операции, который затем по шине выхода записывается в память (либо в ОП, либо в РОНы). На признаковых триггерах фиксируется Т-признак - результат выполненной операции, то есть больше, меньше или равно нулю, или переполнение (См. «Условный переход»).

При выполнение операции сложения на регистры РВ и Р1 заносятся два слагаемых. На РА с Р1 вычитаемое y передается без изменения. В АЛУ суммируются два числа РА и РВ (1 не прибавляется к младшему разряду в сумматоре), результат заносится на РС и признаковые триггера.

Метод умножения, начиная с анализа младших разрядов множителя и сдвигом множимого влево (метод похож на метод ручного умножения).

Метод умножения, начиная с анализа младших разрядов множителя и сдвигом суммы частичных произведений вправо.

Метод умножения, начиная с анализа старших разрядов множителя и сдвигом множимого вправо (зеркален 1-ому методу).

Метод умножения, начиная с анализа старших разрядов множителя, со сдвигом суммы частичных произведений влево (зеркален 2-ому методу).

Наиболее экономичным по аппаратуре является 2 метод, так как он требует n-разрядных регистров для представления множимого, множителя и суммы частичных произведений.

Определили знак результата. Знаковые разряды операндов складываются по модулю 2, и результат заносится в знаковый разряд. Знаковые разряды после этого обнуляются.

В счётчик цикла заносится число (n-1) – число значащих разрядов, а n – длина разрядной сетки.

На втором этапе происходит обработка (n-1) циклов.

На каждом цикле анализируется очередной младший разряд множителя (регистр Р2). Если младший разряд равен 1, то переписываем на РА содержимое регистра Р1 (это переход на микропрограммный уровень) (См. «Микропрограммное УУ»); а если младший разряд равен 0, то обнуляем РА. После этого в сумматоре складывается содержимое РА и РВ (РВ предварительно обнулили), и на выходе сумматора СМ образуется сумма частичных произведений до сдвига. На РС заносится сумма частичных произведений после сдвига, которая потом переписывается на РВ. Младший разряд сумматора при сдвиге будет заноситься в старший разряд Р21, и он будет (освобождающийся) представлять собой младший разряд произведения. В этом же цикле множитель сдвигается на один разряд вправо путём пересылки с Р2 на Р21, и после записываем на Р2. Счётчик цикла уменьшаем на 1. Если счётчик цикла равен 0, то дальше идёт коррекция результата: старшая часть на РС, младшая на Р21, происходит сдвиг на один разряд. Либо сразу вместо коррекции можно взять n.

Это этап коррекции результата. Для этого на РА надо поставить нули, либо в счётчик заносить не (n-1), а n.

Определение знака результата. Ниже рассматривается случай деления в прямом коде. Знак результата определяется путём сложения по модулю 2 знаковых разрядов операндов. (См. Умножение путём сложения по модулю 2). После этого знаковые разряды операндов обнуляются.

Проверка деления. На первом этапе деления проверяется возможность проведения операции деления: из делимого x вычитается делитель y, сдвинутый на (n-1) разряд влево. Если результат вычитания оказывается меньше 0, то деление возможно, т.к. результат z уместится в разрядную сетку n. В противном случае, z будет требовать больше, чем n разрядов, для своего представления, и, следовательно, деление невозможно

Определение очередной цифры частного. Зависит от метода выполнения деления.

Деление с восстановлением остатка над числами с фиксированной точкой представляется в прямом коде.

Сдвигаем делимое по отношению к делителю на три разряда и проводим пробное вычитание.

На очередном этапе частичный остаток сдвигается влево на один разряд. В освободившийся разряд заносим очередную цифру делимого. Из сдвинутого частичного остатка вычитаем делитель (в ЭВМ производится сложение с дополнительным или обратным кодом). Получаем новый частичный остаток. Если результат получился отрицательный, то в очередную цифру частного заносим 0 и восстанавливаем частичный остаток. В противном случае (если результат положительный, либо равен 0), заносим 1.

Если на очередном шаге частичный остаток оказался положительным, то в частное заносится 1, но на следующем шаге, после сдвига частичного остатка и занесения очередной цифры делимого, производится вычитание делителя из сдвинутого частичного остатка (сложение с дополнительным или обратным кодом). Если частичный остаток отрицательный, то в очередную цифру частного заносится 0, а к сдвинутому частичному остатку прибавляется делитель.

Делимое: старшая часть заносится на РВ, младшая часть на Р2.

Частичный остаток до сдвига получается на выходе сумматора СМ, а частичный остаток после сдвига – на РСМ.

На РСМ с Р2 заносится очередной разряд делимого, а затем сдвинутый частичный остаток фиксируется на РВ.

Очередная цифра частного будет записываться в младший разряд регистра Р21.

Р21 предназначен для сдвига младшей части делимого.

Частное формируется на Р21 и переносится на Ш_вых.

Основой микропрограммного УУ является память микрокоманд. Наиболее частый случай - память микрокоманд реализуется в виде запоминающего устройства.

Условно на рисунке горизонтальными линиями показаны ячейки памяти, в каждой из которых закодирована одна микрокоманда, выполняемая за один такт.

Каждая микрокоманда включает в себя 2 части:

В управляющей части будут кодироваться управляющие сигналы, которые затем подаются на вентили в Операционную Часть Центрального Процессора.

В адресной части кодируется адрес ячейки памяти, где хранится следующая выполняемая микрокоманда.

Адрес из регистра микрокоманд (РМК) через линию задержки в следующем такте поступает на РАМК. И после его дешифрации из памяти микрокоманды, в соответствии с этим адресом на РМК считывается очередная микрокоманда.

Из управляющей части микрокоманды управляющие сигналы подаются на вентили в операционную часть ЦП, а из адресной части на регистр адреса микрокоманд в следующем такте заводится адрес следующей выполняемой микрокоманды.

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: