Сам.работа №5
Виды системотехники
Шинная организация.
Все устройства симметрично подсоединяются к одному каналу, называемому общей шиной. Симметрия подключения гарантирует свободное подключение новых устройств, т.е. система имеет теоретически неограниченное развитие. Некоторые узлы могут иметь специфические свойства, например процессор, оперативная память, внешние накопители данных. Между узлами организуется обмен информацией. Так как потоки информации ограничены возможностями одного канала, эта схема имеет принципиальные ограничения скорости работ.
Конвейерная организация.
Здесь обрабатывающее устройство разделяется на последовательно включенные операционные блоки, каждый из которых специализирован на выполнение строго определенной части операции. При этом работа осуществляется следующим образом: когда i -й операционный блок выполняет i -ую часть j -й операции, (i -1)-й операционный блок выполняет (i-1)-yю часть (j+1)-й операции, а (i+1)-й операционный блок выполняет (i+1)-ую часть (j-1)-й операции. В результате образуется своего рода конвейер обработки и за счет этого повышается производительность системы.
Канальная организация.
В ЭВМ с канальной организацией процессор освобожден от организации ввода-вывода. Канал представляет собой специализированный процессор, который выполняет канальную программу, состоящую из канальных команд, загружаемых операционной системой и хранящихся в оперативной памяти. Управление контроллерами внешних устройств и обмен данными осуществляется каналом. Наличие нескольких трактов передачи данных повышает скорость обмена. Все это дает возможность производить обмен данными с внешними устройствами параллельно с основной вычислительной работой центрального процессора. Одной из первых машин с каналами была ЭВМ второго поколения IBM-704, а также машины семейства IBM-360/370.
Организация с перекрестной коммутацией.
Все связи между узлами осуществляются с помощью коммутирующей матрицы (КМ), которая может связывать между собой любую пару узлов, причем таких пар может быть сколько угодно — связи не зависят друг от друга. Возможность одновременной связи нескольких пар устройств позволяет достичь очень высокой производительности комплекса.
Функционирование компьютера с шинной организацией
Шинная организация является простейшей формой организации компьютера. Компьютер имеет в своем составе следующие функциональные блоки: центральный процессор, память, устройства ввода-вывода.
Центральный процессор – функциональная часть компьютера,выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Состоит из следующих взаимосвязанных составных элементов: арифметико-логического устройства, устройства управления и регистров.
Регистр – устройство, предназначенное для промежуточного хранения двоичной информации в процессе выполнения вычислительных операций, а также для их преобразования.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет основную работу по переработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие компьютеру автоматически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от получаемых результатов.
Арифметико-логическое устройство формирует по двум входным переменным одну – выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание, сдвиг и т.д.), выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от устройства управления. АЛУ содержит в своем составе устройство, хранящее характеристику результата выполнения операции над данными и называемое флаговым регистром. Программный анализ флагов позволяет производить операции ветвления программы в зависимости от конкретных значений данных. Кроме того, в АЛУ имеется набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора, составляющие основу архитектуры процессора.
Регистр данных — служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операций.
Регистр-аккумулятор — регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений.
Регистр-указатель стека — используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу: последним вошел —первым вышел, т.е. последнее записанное в него значение извлекается из него первым. Стеки используются для организации подпрограмм.
Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти.
Регистры-счетчики используются для организации циклических участков в программах.
Внутренние системные регистры, не доступные программно и используемые во время внутренних пересылок информации при выполнении команд.
Устройство управления— часть центрального процессора, вырабатывающая распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд.
Выборка команд – процесс интерпретации устройством управления команды, выбранной из оперативной памяти.
Выполнение команды – формирование требуемого набора команд низкого уровня для АЛУ и других устройств.
В устройство управления входят:
регистр команды, содержащий код команды во время ее выполнения;
программный счетчик, содержащий адрес очередной подлежащей выполнению команды;
регистр адреса, вычисляющий адреса операндов, находящихся в памяти.
Оперативная память (ОП) – функциональный блок, хранящий информацию для устройства управления (УУ) – команды и арифметико-логического устройства (АЛУ) – данные.
Основные информационные и временные свойства запоминающих устройств:
Информационная емкость – максимально возможный объем хранимой информации.
Время доступа – временной интервал, определяемый от момента, когда процессор выставил на адресной шине адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.
Время записи – интервал времени, необходимый для перезаписи содержимого шины данных в связанную с ней ячейку памяти.
С одной стороны память должна иметь большую емкость – для реализации задач, построенных по сложным алгоритмам и имеющих достаточно много исходных, промежуточных и результирующих данных. С другой стороны, память должна обладать достаточным быстродействием, соответствующим быстродействию других устройств компьютера, а чем больше емкость памяти, тем медленнее к ней доступ, т.к. время доступа определяется временем, необходимым для выборки из памяти или записи в нее информации. Поэтому в компьютере существует несколько запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием.
Память собирается на полупроводниковых микросхемах и состоит из отдельных ячеек.
Ячейка памяти – вместилище порции информации в памяти компьютера, доступной для обработки отдельной командой.
Содержимое ячейки памяти называется машинным словом.
Количество информации, записываемое или извлекаемое из памяти за одно обращение, называется машинным словом.
Разряд – часть ячейки памяти, хранящая один бит двоичной информации.
Количество разрядов, которое может быть воспринято, передано или получено за одно обращение к процессору, называется его разрядностью.
Периферийные устройства. В их число входят устройства двух типов: устройства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ, и коммуникационные устройства, предназначенные для связи компьютера с внешним миром (пользователем, посредствам устройств ввода-вывода и манипуляторов, другими компьютерами с помощью модемов и устройств связи, и т.д.). Обмен данными с внешним устройством осуществляется через порты ввода-вывода. Порт (в переводе с англ. port — ворота, дверь, отверстие) можно рассматривать как совокупность ячеек, через которые возможно записать данные в периферийное устройство, или, наоборот — прочитать из него. Так же как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера — адреса портов ввода-вывода.
Система шин. Объединение функциональных блоков в компьютере осуществляется посредством следующей системы шин:
шина данных, по которой осуществляется обмен информацией между блоками компьютера;
шина адреса, используется для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение);
шина управления используется для передачи управляющих сигналов.
Совокупность этих трех шин называют системной шиной, системной магистралью или системным интерфейсом.
Шина состоит из отдельных проводников (линий). Сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами (наличие импульса соответствует логической 1, а отсутствие импульса — логическому 0), либо уровнем напряжения (например, высокий уровень — 1, низкий — 0). Шириной шины называется количество линий (проводников), входящих в составшины. Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства компьютера. Если, например, количество линий адреса, используемых для адресации памяти, равно 20, то общее количество адресуемых ячеек памяти составит 220, т.е. примерно один миллион ячеек (точнее, 1.048.576 ячеек).
Обычно на шине в любой момент можно выделить два активных устройства. Одно из них называется задатчиком и инициирует операцию обмена данными (формирует адреса и управляющие сигналы), другое называется исполнителем и выполняет операцию (дешифрует адреса и управляющие сигналы, принимает или передает данные). В большинстве случаев задатчиком является центральный процессор. Память всегда выступает только в качестве исполнителя.