Информатика и программное обеспечение ПЭВМ

Пример.

2.1.4.1 Метод деления

Если q1 > q2, используются два правила: для целых и дробных чисел.

Если переводятся целые числа, то необходимо последовательно делить число в системе q1 на основание системы q2 до тех пор, пока не останется остаток, меньший или равный q2-1. число в основании q2 записывается как последовательность остатков от деления, записанных в обратном порядке, начиная с последнего.

Пример.

Для перевода больших десятичных чисел в двоичную систему счисления рекомендуется перевести их в восьмеричные, а затем расписать по триадам.

2.1.4.1 Метод умножения

Пример.

При переводе дробных чисел необходимо последовательно умножать число в системе q1 на основание системы q2, отделяя после каждого умножения целую часть произведения. Число в системе q2 (после точки) записывается как последовательность полученных целых частей произведения. Умножение производится до тех пор, пока дробная часть произведения не станет равной нулю или определенной степени точности.

При переводе смешанных чисел отдельно переводятся целая и дробная части, записываемые затем совместно.

2.2 Структурная схема ПЭВМ

2.2.1 Состав и технические характеристики ПЭВМ

2.2.1.1 Понятие архитектуры

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные (рис. 2.6).

Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами.

Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др.

Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Функциональные возможности ЭВМ:

1) ввод программы и данных с клавиатуры, НГМД, НЖМД;

2) вывод программ и данных на экран видеомонитора, НГМД, НЖМД, принтер;

3) арифметическая и логическая обработка информации;

4) корректировка данных, редактирование программ;

5) хранение программ и промежуточных данных.

В состав типовой ЭВМ входят:

? центральный процессор;

? внутренняя память со своим интерфейсом;

? устройства ввода-вывода со своим интерфейсом, включающие устройства внешней памяти (НГМД, НЖМД), клавиатура, модуль отображения информации, принтер;

? интерфейс - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимо-действие.

Рис. 2.6. Архитектура ЭВМ

2.2.1.2 Структура компьютера

Структура компьютера это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов (рис. 2.7).

Персональный компьютер (ПК) это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Рис. 2.7. Структурная схема персонального компьютера

Достоинствами ПК являются:

? малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

? автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

? гибкость архитектуры, обеспечивающая адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науке, образовании, быту;

? "дружественность" операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной, профессиональной подготовки;

? высокая надежность работы.

2.2.2 Состав и назначение основных блоков и узлов ПЭВМ

2.2.2.2 Назначение основных устройств ЭВМ

1. Микропроцессор это центральный блок ЭВМ, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

? устройство управления (УУ), формирующее и подающее во все блоки машины в нужные моменты определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущей операции. МП формирует адреса ячеек памяти операндов, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ;

? арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией;

? микропроцессорная память (МПП) служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины;

? интерфейсная система микропроцессора реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК. Включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры, схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системную шину.

2. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, их частота определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы.

3. Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины.

ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающие устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программы и справочной информации, что позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя). ПЗУ является энергонезависимым.

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке).

В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины, т. е. энергозависимость.

4. Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач.

Во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Она содержит разнообразные виды запоминающих устройств. Наиболее распространенными, имеющимися практически в любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

В качестве устройства внешней памяти используются также запоминающие устройства: на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM Compact Disk Read Only Memory компакт-диск с памятью, только читаемой) и др.

5. Источник питания это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

6. Таймер внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

7. Внешние устройства (ВУ) важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что стоимость ВУ иногда составляет 5080 % стоимости всего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и народном хозяйстве в целом.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков.

По назначению ВУ можно разделить:

на внешние запоминающие устройства (ВЗУ), или внешнюю память ПК;

диалоговые средства пользователя;

устройства ввода информации;

устройства вывода информации;

средства связи и телекоммуникации;

средства мультимедиа.

Внешние запоминающие устройства были рассмотрены ранее.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода информации.

К устройствам ввода информации относятся:

клавиатура устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

графические планшеты (диджитайзеры) для ручного ввода графической информации путем перемещения по планшету специального указателя (пера);

сканеры (читающие автоматы) для автоматического считывания с бумажных носителей информации и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

манипуляторы (устройства указания): джойстик, мышь, трекбол (шар в оправе), световое перо и др. для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

сенсорные экраны для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

принтеры печатающие устройства для переноса информации на бумажный носитель информации;

графопостроители (плоттеры) для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель;

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами, другими средствами автоматизации и для подключения ПК к каналам связи.

Средства мультимедиа это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации, высококачественные видео- и звуковые платы, платы видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами. С большим основанием к средствам мультимедиа относят внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

Дополнительные схемы.

К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей точкой, двоично-кодированными десятичными числами для вычисления некоторых трансцендентных функций.

Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без контроллера обмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр МП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя МП.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплея, принтера, НЖМД, НГМД и др.), освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.

Контроллер прерываний.

Прерывание это временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной), программы.

В ЭВМ используются три вида прерываний: аппаратные, пользовательские, программные.

Прерывания возникают при работе компьютера постоянно. Все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям. Например: прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду.

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. Получив этот сигнал, МП приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.

Системная шина это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связи всех его устройств между собой. Она включает в себя (рис. 2.8):

Рис. 2.8. Структура системной шины

? кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разделов числового кода (машинного слова) операнда;

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между микропроцессором и основной памятью;

2) микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

3) основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки (их порты ввода-вывода) через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами - адаптерами внешних устройств.

На системной плате (часто ее называют материнской платой - Mouther Board) размещаются: микропроцессор, математический сопроцессор, генератор тактовых импульсов, блоки (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ, адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД, контроллер прерываний, таймер и др.

2.2.3 Внутримашинный системный интерфейс

Внутримашинный системный интерфейс - система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой - представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов. Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса.

1. Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами. Он применяется только в простейших бытовых ПК.

2. Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Ее важнейшими функциональными характеристиками являются: количество обслуживаемых устройств и пропускная способность, т. е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от разрядности (8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой она работает. В качестве системной шины в разных ПК используются:

? шины расширений, или шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;

? локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

Сравнительные технические характеристики некоторых шин приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 Основные характеристики шин

Шины расширений

Шина Multibus имеет две модификации: PC/XT bus (Personal Computer eXtended Technology - ПК с расширенной технологией) и PC/AT bus (PC Advanced Technology - ПК с усовершенствованной технологией).

Шина PC/XT bus - 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (DMA - Direct Memory Access). Шина адреса ограничивает адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт; используется с МП 8086,8088.

Шина PC/AT bus - 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины может делить частоту пополам; имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала DMA; используется с МП 80286.

Шина ISA (Industry Standard Architecture - архитектура промышленного стандарта) - 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деления увеличен); по сравнению с шинами PC/XT и PC/AT увеличено количество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти DMA с 7 до 11. Благодаря 24-разрядной шине адресное пространство увеличилось с 1 до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже (около 4-5 Мбайт/с) ввиду ряда особенностей ее использования. С появлением 32-разрядных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстро-действия ПК.

Шина EISA (Extended ISA) - 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989 г. Адресное пространство шины 4 Гбайт, пропускная способность 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу микропроцессорной КЭШ-памяти определяется параметрами микросхем памяти, увеличено число разъемов расширений (теоретически может подключаться до 15 устройств, практически - до 10); улучшена система прерываний, шина EISA обеспечивает автоматическое конфигурирование системы и управление DMA; полностью совместима с шиной ISA (есть разъем для подключения ISA), поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем; весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях.

Шина МСА (Micro Channel Architecture) - 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 г. для машин PS/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10-20 МГц, по своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку ЭВМ PS/2 не получили широкого распространения из-за отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина МСА также используется не очень широко.

Локальные шины

Современные вычислительные системы характеризуются:

? стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

? появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики в Windows, работа в среде Multimedia).

Пропускной способности шин расширения ПК, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, так как компьютеры стали подолгу "задумываться".

Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами, основной и внешней памятью, видеосистемами и др.

В настоящее время существуют два основных стандарта универсальных локальных шин: VLB и РСI.

Шина VLB (VESA Local Bus - локальная шина VESA) разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA - Video Electronics Standards Association), поэтому часто ее называют шиной VESA.

Шина VLB по существу является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером, платами Multimedia, сетевым адаптером. Разрядность шины 32 бит, на подходе 64-разрядный вариант шины. Скорость передачи данных по VLB 80 Мбайт/с (теоретически достижимая скорость 132 Мбайт/с).

Недостатки шины:

рассчитана на работу с МП 80386, 80486, пока не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro, Power PC;

жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);

малое количество подключаемых устройств (к шине VLB могут подключаться только четыре устройства);

отсутствует арбитраж шины (могут быть конфликты между подключаемыми устройствами).

Шина РСI (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних устройств) разработана в 1993 г. фирмой Intel.

Шина РСI является намного более универсальной, чем шина VLB, имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП (80486, Pentium, Pentium Pro, Power PC и др.); она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой арбитраж, средства управления передачей данных. Разрядность РСI 32 бита с возможностью расширения до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-битовом варианте - 263 Мбайт/с (реальная - вдвое ниже).

Шина РСI, хотя и является локальной, выполняет многие функции шины расширения, в частности, шин расширения ISA, EISA, МСА (она совместима с ними) при наличии шины РСI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине РСI (через интерфейс расширения).

Конфигурация систем с шиной РСI показана на рисунке 2.9. Следует иметь в виду, что использование в ПК шин VLB и РСI возможно только при наличии соответствующей VLB- или PCI-материнской платы. Выпускаются материнские платы с мульти-шинной структурой, позволяющей использовать ISA/EISA, VLB и РС1, так называемые материнские платы, с шиной VIP (по начальным буквам VLB, ISA и РС1).

Локальные шины IDE (Integrated Device Electronics), EIDE (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer System Interface) используются чаще всего в качестве интерфейса только для внешних запоминающих устройств.

Рис. 2.9. Конфигурация системы с шиной PCI

2.1.4 Функциональные характеристики ПЭВМ

Основными характеристиками ПК являются:

1. Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия служат:

? МИПС (MIPS - Mega Instruction Per Second) - миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);

? МФЛОПС (MFLOPS - Mega FLoating Operations Per Se-cond) - миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);

? КОПС (KOPS - Kilo Operations Per Second) - для низкопроизводительных ЭВМ тысяча неких усредненных операций над числами.

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций, поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.

Разрядность - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.

3. Типы системного и локальных интерфейсов.

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

4. Емкость оперативной памяти.

Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт), реже в килобайтах (кбайт): 1 Мбайт = 1024 кбайт = = 10242 байт.

Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 8 Мбайт просто не работают либо работают, но очень медленно.

Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза помимо всего прочего дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.

5. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера) измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах (1 Гбайт = = 1024 Мбайт).

6. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.

В настоящее время применяются в основном накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма (1 дюйм = 25,4 мм) и емкостью 1,44 Мбайт.

7. Виды и емкость кэш-памяти.

Кэш-память - это буферная, не доступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая кэш-память внутри микропроцессора (кэш-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (кэш-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется кэш-память на ячейках электронной памяти.

Следует иметь в виду, что наличие кэш-памяти емкостью 256 кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20 %.

8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.

9. Тип принтера.

10. Наличие математического сопроцессора.

Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.

11. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.

12. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ, означающая возможность использования на компьютере тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин соответственно.

13. Возможность работы в вычислительной сети.

14. Возможность работы в многозадачном режиме. Этот режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.

15. Надежность.

Надежность - это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Она измеряется обычно средним временем наработки на отказ.

16. Стоимость.

17. Габариты и масса.

2.2 Микропроцессоры

Появление и развитие ЭВМ в мировой практике связано с бурным прогрессирующим совершенствованием элементной базы цифровой электроники. К настоящему времени человеческая мысль создала и освоила четыре поколения ЭВМ. На очереди появление ЭВМ пятого поколения - машин искусственного интеллекта.

С начала 70-х гг. в развитии вычислительной техники определились два параллельных и взаимодействующих направления:

? разработка ЭВМ с фиксированной структурой и системой команд на основе интегральных микросхем (ИМС) средней и большой степени интеграции;

? разработка семейства микропрограммируемых больших интегральных схем (БИС), обеспечивающих создание процессоров ЭВМ различной архитектуры.

Такие микропрограммируемые БИС стали называться микропроцессорами (МП). Первое сообщение о разработке МП опубликовано фирмой INTEL (США) в 1971 гг.

Появление микропроцессоров привело к освоению принципиально новых направлений в разработке и применении компьютерной техники.

К концу 70-х гг. наметился некоторый отход науки от проблем создания высокопроизводительных универсальных ЭВМ, имеющих значительную стоимость, внушительные весогабаритные показатели, большое энергопотребление и материалоемкость, к проблемам освоения микропроцессорной техники. Микропроцессоры стали массовой продукцией электронной промышленности.

Создание МП по праву считается одним из крупнейших достижений современной микроэлектроники.

Микропроцессором называется программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления этим процессом, реализованное в виде одной или нескольких БИС - сверхбольших БИС (СБИС).

Преимущества МП:

1. Низкое энергопотребление.

2. Малая материалоемкость.

3. Высокая технологичность и надежность.

4. Широкие функциональные возможности.

5. Гибкость и точность цифровой обработки сигналов при постоянно снижающейся стоимости.

Все это стало причиной и следствием внедрения МП в самые разнообразные сферы человеческой деятельности. Они являются теми системными элементами, на основе которых создаются устройства промышленной автоматики, связи, измерительной техники и устройства управления бытовой автоматикой, другой аппаратурой различного назначения.

С появлением МП стало возможным создание мобильных высокоэффективных специализированных микроЭВМ, профессиональных и персональных компьютеров.

МП является базовым элементом, обладающим всеми свойствами процессора ЭВМ, но в микроминиатюрном исполнении.

Преимущества микропроцессоров по сравнению с процессорами ЭВМ позволили приблизить средства обработки информации к ее источникам, а средства управления - к местам приложения управляющих воздействий.

В последнее время МП стали проникать в аппаратные средства связи. На их основе реализуются специализированные бортовые ЭВМ комплексов РРС и ТРС, аппаратных управления узлами связи и системой связи, кроссовыми аппаратными опорных УС, а также измерительная и диагностирующая аппаратура.

Внедрение микропроцессоров в системы управления и связи позволили существенно улучшить их функциональную надежность, помехоустойчивость, быстродействие и другие эксплуатационные показатели. Применение МП в РЭС позволило широко использовать принципы программируемой логики, заключающейся в том, что все преобразования информации осуществляются по программе, записанной в памяти и реализующей заданный алгоритм функционирования РЭС.

Внедрение микропроцессоров в технические системы привело к революции не только в технологии микроэлектроники, но и в мышлении современного инженера, поскольку проектирование и эксплуатация систем с МП требует качественно нового подхода.

Видоизменились задачи подготовки специалистов связи, от которых теперь требуются знания и в области функционирования микропроцессоров, и в области их программирования.

2.3.1 Типы и структура микропроцессоров

2.3.1.1 Основные характеристики МП

1. Разрядность. Под ней понимается стандартная длина слова, с которым оперируют составные части МП.

МП бывают с фиксированной и с изменяемой разрядностью слова. При фиксированной разрядности наиболее распространены МП с длиной слова 8 и 16 бит. Во втором случае возможно построение 8-, 16-, 24-, 32-разрядных МП из секций разрядностью 2, 4 и 8.

2. Производительность. Определяется временем решения ряда тестовых задач и зависит от быстродействия выполнения простых операций.

3. Система команд является отличительным признаком для любого МП. Она отражает функциональные возможности устройства. Система команд МП может содержать как малое число команд (восемь), так и большое число (до двухсот) основных команд. Состав команд не является нормализованным.

4. Объем адресуемой памяти характеризует информационные возможности МП и к настоящему времени достигает сотен гигабайт, что было доступно ранее только универсальным ЭВМ.

2.3.1.2 Типовая структура микропроцессора

Типовая структура МП (рис. 2.10):

? арифметико-логическое устройство (АЛУ);

? блок внутренних регистров;

? устройство управления;

? внутренняя шина данных - для передачи данных между этими блоками.

Назначение составных частей микропроцессора:

1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет одну из главных функций МП: обработку данных. Перечень функций АЛУ зависит от типа МП. Они определяют архитектуру МП в целом. В большинстве МП перечень функций АЛУ ограничивается функциями сложения, вычитания, логическими операциями: и, или, не, исключающее или, сдвиг вправо или влево, положительные и отрицательные приращения.

Рис. 2.10. Структурная схема микропроцессора 8086/8088

2. Важная составная часть МП - регистры, каждый из которых можно использовать для хранения одного слова данных. Часть регистров имеет специальное назначение, другая - многоцелевое. Последние регистры называются регистрами общего назначения (РОН) и могут использоваться программистами по их усмотрению.

Назначение основных регистров

Аккумулятор - это главный регистр МП. Большинство операций выполняется с использованием только АЛУ и аккумулятора, в котором размещается одно из слов, участвующих в операции, а также результат операции. Аккумулятор используется для передачи данных из одной части МП в другую, например, из порта ввода-вывода в память, между двумя областями памяти и т. д.

В аккумуляторе МП могут выполняться некоторые действия непосредственно над данными. Это операции очистки или установки всех единиц, инверсии и сдвигов. Данные в него поступают с внутренней шины данных МП. Количество разрядов аккумулятора соответствует разрядности МП. Однако в ряде случаев аккумуляторы имеют двойную длину разрядов. Дополнительные разряды используются для размещения данных, появляющихся при выполнении некоторых арифметических операций. Так, при умножении двух 8-битовых слов результат - 16-битовый, он полностью размещается в аккумуляторе.

Счетчик команд - один из наиболее важных регистров МП.

Программа - это последовательность команд, хранимых в памяти ЭВМ и предназначенных для управления действиями машины. Для корректного выполнения программы команды должны поступать в строго определенном порядке. Когда МП начинает работать, то по команде начальной установки в счетчик команд загружаются данные из памяти - адрес, указывающий на первую команду программы. Этот адрес посылается по адресной шине к схемам управления памятью, откуда считывается команда по данному адресу и пересылается в регистр команд.

Регистр команд хранит команду во время ее дешифрования и выполнения. Входные данные поступают в этот регистр из памяти по мере последовательной выборки команд. Кроме того, в регистр команд данные могут быть записаны с помощью пульта управления ЭВМ.

Регистр адреса памяти указывает адрес в области памяти, подлежащей использованию микропроцессором. Выход этого регистра называется адресной шиной и используется для выбора области памяти или порта ввода-вывода.

В течение выборки команды из памяти регистры адреса памяти и счетчика команд имеют одинаковое содержимое. После декодирования команды счетчика команд в нем производится приращение в отличие от регистра адреса.

Буферный регистр предназначен для временного хранения данных.

Регистр состояния предназначен для хранения результатов некоторых проверок, осуществляемых в ходе выполнения программы. Его разряды содержат информацию, по которой проверяется естественная последовательность выполнения программы после выполнения команд условных переходов. Регистр состояний предоставляет программисту возможность организации работы МП так, чтобы при определенных условиях менять порядок выполнения команд.

Регистры общего назначения (РОН) имеют в своем составе набор регистров для запоминания данных. АЛУ может выполнять операции с содержимым РОН (инверсия, сдвиг и т. д.) без выхода на внешнюю магистраль адресов и данных, чем обеспечивается высокое быстродействие.

Указатель стека. Стек - это набор регистров МП или ячеек оперативной памяти, откуда данные выбираются "сверху", т. е. по принципу "последним пришел - первым вышел". При записи в стек очередного слова все записанные ранее слова смещаются на один регистр вниз, как патроны в магазине автомата при его снаряжении.

3. Схемы управления обеспечивают поддержание требуемой последовательности функционирования всех звеньев МП.

По сигналам схем управления очередная команда извлекается из регистра команд. При этом определяется, что необходимо делать с данными, а затем обеспечивается само действие.

Главной функцией схем управления является декодирование команды, находящейся в регистре команд, с помощью дешифратора команд, который в результате выдает сигналы, необходимые для ее выполнения.

4. Система шин МП.

Система шин обеспечивает связь устройств микропроцессора между собой и с внешней средой.

2.3.1.3 Программно-логическая модель центрального

процессора

На рисунке 2.11 показана логическая организация МП Intel 8086 (КР1810ВМ86). Он широко применяется в ПЭВМ семейств IBM PC, IBM PC/XT, PCjr, PS/2 (модели 25, 30). Некоторые из перечисленных машин построены на базе МП Intel 8088, который отличается количеством внешних линий данных (имеются и другие отличия, например сокращение длины очереди команд, но они не могут считаться принципиальными).

В составе МП имеется 14 программно-доступных регистров. Он манипулирует логическими адресами, содержащими 16-раз-рядный сегментный (базовый) адрес и 16-разрядное внутрисегментное смещение. Сегментные адреса находятся в одном из четырех регистров: CS - код (программа); DS - данные, SS - стек; ES - экстракод (дополнительные данные).

В состав блока регистров общего назначения (РОН) входят восемь 16-разрядных регистров, из них четыре (SP, BP, SI, DI) предназначены для хранения внутрисегментных смещений. Все РОН участвуют в выполнении арифметических и логических операций, представляя операнды и фиксируя результат.

Регистр адреса команд (счетчик адреса) IP используется для выбора команд программы в текущем сегменте кода CS.

Особо необходимо отметить назначение регистра признаков (флагов).

Как уже отмечалось, регистр признаков (флагов) предназначен для хранения данных о различных ситуациях, возникающих в программе. Младший байт регистра признаков устанавливается арифметическими или логическими операциями МП:

? признак SF принимает единичное значение при отрицательном и нулевое значение при положительном результате;

? флаг ZF принимает значение "1" при нулевом результате последней операции;

? PF устанавливает "1", если результат последней операции имеет четное число единиц;

? признак CF используется для различных целей. Он устанавливает "1" при сложении 16-битовых чисел в случае возникновения переноса и при вычитании аналогичных чисел для указания необходимости заема "1" из старшего разряда. Программа может использовать этот флаг для определения соотношения двух чисел: и . Если выполняется операция и CF = 1, то (если CF = 0, то );

? признак AF позволяет МП выполнять операции десятичной арифметики, когда данные хранятся в двоично-десятичном коде;

? флаг переполнения OF показывает, что результат арифметической операции вышел за пределы диапазона чисел, представленных в дополнительном коде.

Остальные признаки регистра устанавливаются программистом:

? если IF = 0, то никакие внешние прерывания (за исключением немаскируемых) не смогут возникнуть;

? после занесения в TF единицы при завершении каждой команды возникает прерывание работы МП. Это помогает на этапе отладки программы;

? когда IF = 1, МП будет реагировать на внешние прерывания;

? признак DF используется при обработке блоков данных.

Для указания объектов (байтов или слов) в каждом блоке применяются индексные регистры. После обработки объекта МП изменяет содержимое индексных регистров для выбора следующего элемента данных:

? если DF = 0, то команды, работающие с блоками, увеличивают содержимое индексных регистров, при DF = 1 содержимое этих регистров уменьшается.

Рис. 2.11. Логическая организация МП Intel 8086

Шесть 8-разрядных регистров очереди команд являются программно-недоступными. Они организованы по принципу "первый пришел - первый вышел".

Схемы управления координируют работу МП.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметически и логические операции над различными операндами.

2.2.1.4 Особенности процессоров фирмы Intel

В 1969 г. компания Biscom заключила контракт с тогда еще малоизвестной фирмой Intel на разработку комплекта микросхем для калькуляторов. Разработчики применили новый подход и спроектировали универсальную микросхему - процессорный элемент, который заменил собой большое количество дискретных компонентов. Он составил основу созданного набора из четырех микросхем. Фирма Intel выкупила у Biscom права на эту микросхему и, немного усовершенствовав, в 1971 г. выпустила ее под индексом i4004. С этого скромного 4-разрядного процессорного элемента, содержавшего на кристалле 2 300 транзисторов и имевшего производительность 60 тыс. операций в секунду, началась эпоха микропроцессоров. Позже появилось устройство под номером i8008. Оно имело 8 линий данных и по производительности превосходило i4004 в несколько раз.

Первым микропроцессором, на базе которого был построен компьютер, стал i8080. Он был выпущен в 1974 г., имел 8-раз-рядную шину данных и 16-разрядную шину адреса. Для него была разработана простая и удобная система команд на 256 операций.

В целях построения на его основе компактной компьютерной системы был разработан целый комплект сопутствующих микросхем и специализированных программируемых периферийных контроллеров. Каждая из этих микросхем заменяла целый компьютерный блок, и их применение при разработке вычислительных устройств позволило резко уменьшить их размеры.

В 1979 г. фирма Intel открыла следующую страницу в истории микропроцессоров. Она предложила на суд пользователей процессор i8086, значительно отличавшийся от предшественников, которому суждено было стать родоначальником целого направления среди микропроцессоров.

МП i8086 имел 16-разрядную внутреннюю архитектуру, внешнюю шину данных той же разрядности, 20-разрядную шину адреса, позволявшую работать с адресным пространством в 1 Мбайт. В нем была реализована новая система команд, не совместимая с набором МП 8080.

Для обеспечения функционирования МП i8086 фирма выпустила набор сопутствующих микросхем и программируемых контроллеров, продолжая серию, начатую для МП 8080.

Через год фирма представила модель процессора i8088 с той же 16-разрядной архитектурой, но с 8-разрядной внешней шиной данных. Начальные модификации МП работали с частотой 4,77 МГц, у последующих она была повышена до 8 МГц. Знаменитым этот кристалл сделало то, что фирма IBM выбрала его для создания своего первого компьютера массового применения PC, а позднее и PC XT.

Процессор Intel 80286. Выпущен в 1984 г., имел 16-разрядную внутреннюю архитектуру, 16-разрядную внешнюю шину данных и 24-разрядную внешнюю шину адреса. Увеличение разрядности шины адреса увеличило адресное пространство до 16 Мбайт. Для него разработан математический сопроцессор i80287. На базе процессора 80286 построен компьютер PC AT.

Этот процессор может работать в двух режимах:

? в рабочем ("реальном") он ведет себя как процессор 8088 с расширенным набором команд и поэтому может иметь доступ только к первому мегабайту памяти;

? в "защищенном" режиме работы процессор имеет 24-раз-рядную адресную шину, что в 3 раза больше, чем у процессора 8088, следовательно, в "защищенном" режиме он может иметь доступ непосредственно к 16 Мбайт памяти.

Процессор Intel 80386DX. Замечательной особенностью этого процессора является его 32-разрядная архитектура: 32 линии передачи данных и 32 адресные линии. Таким образом, этот процессор может параллельно передавать 4 байт данных и адресовать оперативную память объемом до 4 Гбайт. Компьютеры, оснащенные такими процессорами, могут удовлетворить высоким требованиям, предъявляемым к управлению программами и большими массивами данных.

Другими преимуществами процессора 80386, по сравнению с процессором 80286, являются доступ к расширенному набору команд и использование системы мультипрограммирования. Одновременно может выполняться несколько прикладных программ. Еще одно преимущество работы процессора 80386 - это "виртуальный" режим, раскрывающий истинные достоинства этого процессора. В "виртуальном" режиме одновременно могут быть запущены несколько программ, которые выполняются как бы различными процессорами 8088, т. е. становится возможным многозадачный режим, реализуемый с помощью разработанной для процессоров 8088 операционной системы MS-DOS.

Процессор Intel 80486 DX. Этот 32-разрядный процессор работает с тактовой частотой до 50 МГц до появления процессора Pentium представлял собой самый совершенный процессор из семейства Intel 8086. В апреле 1989 г. он был представлен на широкое обозрение и уже полгода спустя в больших количествах стал доступен изготовителям компьютеров. По сравнению с предшественником (80386) процессор 80486 имеет большую скорость обработки основных команд, использует новый улучшенный интерфейс с оперативной памятью и встроенный сопроцессор. Повышение производительности процессора 80486 обусловлено рядом усовершенствований, в том числе встроенным сопроцессором и интегрированной кэш-памятью объемом 8 кбайт. Размещение сопроцессора на общем чипе в отличие от прежних моделей, основанных на использовании центрального процессора и дополнительного сопроцессора, имеет много преимуществ.

Процессор Pentium. Pentium 60 с тактовой частотой 66 МГц представляет собой суперскалярный 32-разрядный процессор, построенный по субмикронной технологии с комплементарной МОП-структурой (0,8 мкм) и состоящий из 3,1 млн транзисторов. Он поддерживает команды процессора 80486 и, подобно предшественнику, имеет внутренний блок для проведения операций с плавающей точкой, а также кэш-память на 16 кбайт, устройство управления па-мятью (MMU) и интеллектуальный буфер - предсказания ветвлений (branch target buffer).

Процессор Pentium имеет два 32-битовых адресных пространства (логическое и физическое) и 64-разрядную шину данных, что объясняет отчасти повышение производительности процессора. При этом центральный процессор имеет две конвейерные линии обработки команд, работающие параллельно и тем самым позволяющие процессору выполнять два набора команд за один такт. Благодаря разделению кэш-памяти (8 кбайт для команд и 8 кбайт для данных) исключаются наложения команд данных.

2.4 Запоминающие устройства

2.4.1 Организация оперативной памяти

2.4.1.1 Организация доступа памяти в Intel-совместимых процессорах

Местоположение любого байта внутри адресного пространства размером в 1 Мбайт микропроцессора 8086 определяется двумя величинами: адресами сегмента и смещения, формирующими сегментный адрес.

МП манипулирует логическими адресами, содержащими 16-разрядный сегментный (базовый) адрес и 16-разрядное внутрисегментное смещение. Механизм сегментации предполагает разбиение всего адресуемого пространства на области (сегменты) по 64 кбайт каждая.

Физический адрес (рис. 2.12) получается из адреса сегмента и

Рис. 2.12. Вычисление физического адреса в реальном режиме

процессора 8086

смещения следующим образом: над адресом сегмента выполняется операция арифметического сдвига влево на 4 бит (к двоичному представлению числа справа дописывается 4 нулевых бита), а затем к полученному числу прибавляется значение смещения.

Сегментация памяти в процессоре 8086 обладает следующими особенностями, которые можно считать ее недостатками с точки зрения разработчиков многозадачных систем:

1. Сегменты памяти имеют всего два атрибута: начальный адрес и максимальный размер 64 кбайт. Никаких аппаратных средств контроля правильности использования сегментов нет.

2. Размещение сегментов памяти произвольно: они могут частично или полностью перекрываться (поскольку начальный адрес сегмента совпадает с адресом параграфа, кратного 16) или не иметь общих областей.

2.4.1.2 Области памяти IBM-совместимых персональных

компьютеров

Свои первые компьютеры фирма IBM спроектировала на базе МП J8086/88. Процессор имел адресное пространство 1 Мбайт, что в сравнении с 64 кбайт у его предшественника МП 08080 было очень много. Адресное пространство было разделено на две области (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Логическая структура адресного пространства ПК класса XT

Назначение областей оперативной памяти:

1. Базовая память (Conventional Memory Area - CMA) располагается по адресам от 0000h до FFFFh (здесь и далее числа h на конце представлены в шестнадцатеричной системе счисления), т. е. имеет размер 640 кбайт. В ней может размещаться резидентная часть MS-DOS, а также резидентные и нерезидентные программы пользователя, которым размера CMA достаточно для работы. В ней могут размещаться как коды исполняемых программ, так и данные к ним.

2. Верхняя память (Upper Memory Area - UMA) располагается по адресам с 10000h по FFFFFh (от 640 кбайт до первого мегабайта), ее размер составляет 384 кбайт, без специальных драйверов она не доступна. В базовой памяти выделены рабочие области для операционной системы, размещения драйверов и пользовательских программ.

Адресное пространство в 1 Мбайт - это совсем немного, а процессоры Intel 8086/88 могли работать только с 1-мегабайтным адресным пространством. Возникла необходимость организации дополнительного объема памяти вне этой области. За решение данной задачи взялись совместно фирмы Lotus, Intel, Microsoft. Результатом их деятельности стала спецификация доступа к дополнительной памяти LIM EMS (Lotus, Intel, Microsoft Expanded Memory Specification). Был разработан стандарт организации дополнительной памяти (Expanded Memory Specification - EMS). EMS версии 3.2 обеспечивала поддержку 8 Мбайт дополнительной памяти, a EMS версии 4.0 обеспечивала поддержку 32 Мбайт.

Был предложен механизм создания дополнительной памяти (EMA), находящейся вне адресного поля. Для ее построения в системный разъем вставляется плата, содержащая дополнительный объем памяти (рис. 2.14).

Следующий процессор i80286 имел 16-мегабайтное адресное пространство. Весь объем ОЗУ "выше" одного мегабайта получил название расширенной памяти (XMA) (рис. 2.15). Использование расширенной памяти получило название стандарта (XMS). К моменту появления процессора уже был накоплен довольно большой объем программного обеспечения. Для того чтобы новый МП мог его использовать, в пределах первого мегабайта ОЗУ он должен был работать так же, как и его предшественник. Исходя из этого процессор построен таким образом, что он может функционировать в двух режимах:

? реальный, когда он работает как обычный i8086/88;

? защищенный, позволяющий ему вести обмен с расширенной памятью.

Поддержка этих двух режимов сохранена во всех последующих моделях процессоров.

Позже обнаружилась возможность обращения к первым 64 кбайт расширенной памяти, не выходя из реального режима. Этот участок адресного пространства получил название "область старшей памяти" (HMA), или "старшие адреса" (рис. 2.15).

Рис. 2.14. Структура памяти ПК Рис. 2.15. Логическая структура

в соответствии с концепцией EMS адресного пространства ПК класса АТ по концепции XMS)

В результате структура памяти компьютера может быть организована из четырех областей, различающихся местоположением в адресном пространстве, и одной дополнительной области, находящейся вне адресного поля. Необходимую для работы комбинацию этих областей пользователь определяет и выстраивает сам.

Организация памяти компьютера из нескольких областей, имеющих различное назначение, создавала большие сложности в работе. Место, где размещаются все исполняемые программы (базовая память), эксплуатируется очень интенсивно, а по размеру оно невелико; остальной объем (расширенная память) может быть значительно больше, но используется мало и только для сохранения данных или программ. С этим приходилось мириться. Несмотря на очевидные неудобства и сложности в работе, подобная структура памяти сохранялась на IBM-совместимых машинах весь период времени, когда в качестве операционной системы (ОС) использовалась MS-DOS. Отказ от нее стал возможен только с появлением ОС нового типа Windows 95/98.

В настоящее время проблема распределения памяти потеряла остроту. Однако большинству пользователей в той или иной степени все равно придется с этим столкнуться.

Краткая характеристика областей памяти в случае исполь-зования MS-DOS:

Базовая память (Base, Conventional) - основная память компьютера; занимает в массиве ОЗУ первые 640 кбайт (адреса 000 000-655 359), условно разбитые на 10 сегментов (0-9) по 64 кбайт каждый: в нее загружается DOS (рис. 2.16).

В первых двух килобайтах 0-го сегмента (адреса 0000-2048) размещены рабочие области DOS и BIOS, буферы устройств, таблицы векторов прерываний. Следующие несколько десятков килобайт используются для размещения драйверов операционной системы.

Оставшийся массив базовой памяти считается свободным и может быть использован прикладными (пользовательскими) программами. Объем свободной базовой памяти имеет для пользователя большое практическое значение. Многие программы предъявляют жесткие требования: "объем базовой памяти не менее ..." Если в компьютере на момент запуска этой программы памяти хотя бы чуть-чуть меньше, то работать она не станет. Для того чтобы освободить максимально возможный объем базовой памяти, используются всевозможные ухищрения. Например, драйверы устройств стремятся разместить в верхней памяти (UMA) или старших адресах (НМА).

Рис. 2.16. Структура базовой памяти

Верхняя память (UMA - Upper Memory Area) - область ОЗУ между 640 кбайт и 1 Мбайт (1024 кбайт). Она зарезервирована для служебных целей.

Адресное поле сегментов А и В используется для размещения ОЗУ видеоконтроллеров (рис. 2.17).

Свободные области UMA, сегменты С, D, Е и F обычно используются программами-админи-страторами расширенной памяти для помещения в них резидентных программ и ядра DOS. Свободных фрагментов в UMA несколько, они называются блоками верхней памяти (Upper Memory Blocks - UMB). Поскольку размеры блоков UMA невелики, то нерезидентные программы туда обычно не загружаются, так как их код должен занимать непрерывную область памяти.

В настоящее время в этой области только два участка жестко закреплены за конкретными устройствами:

в адресном пространстве сегмента С размещено ПЗУ видеоконтроллера (контроллер EGA использует 16 кбайт, VGA - 32 кбайт);

Рис. 2.17. Организация верхней памяти

- пространство сегмента F занято системным ПЗУ, находящимся на материнской плате.

Оставшиеся участки могут использоваться пользователем по своему усмотрению. В верхней памяти может быть создана теневая память (Shadow), т. е. в некоторых участках адресного пространства верхней памяти оказались параллельно подключенными оперативная память и блоки ПЗУ, находящиеся на материнской плате и контроллерах. Таких участков в настоящее время два: сегмент F и частично сегмент С. Обычно работает ПЗУ. Проектировщиками материнских плат был предложен вариант функционирования системы, при котором вместо медленного ПЗУ применяется более быстрое ОЗУ. По желанию пользователя возможен режим начальной загрузки компьютера, когда содержимое блоков ПЗУ переписывается в параллельные области ОЗУ, и в дальнейшем обращение идет к ним. Фактически в оперативной памяти создается копия - "тень" ПЗУ, отсюда и название режима. Управление работой теневой памяти выполняется через программу Setup.

Свободные участки в сегментах С, D и Е могут быть преобразованы при помощи утилиты EMM386.exe в блоки, пригодные для хранения информации. В них как правило размещены системные программы и драйверы. Весь объем верхней памяти, находящейся под управлением EMM386.exe, получил название UMB.

На 286-й и 386-й материнских платах с верхней памятью может быть выполнена переадресация (remaping). В аппаратной части этих плат была заложена возможность программного переключения (условного перемещения) части верхней памяти в область расширенной (сразу после первого мегабайта). Такой режим давал возможность на материнских платах, реально имеющих всего 1 Мбайт ОЗУ, создать область расширенной памяти и устанавливать на компьютер ОС Windows. На некоторых платах при создании режима Shadow переадресацию выполнить нельзя.

Расширенная память (EMA - Extended Memory Area) - весь объем ОЗУ "выше, старше" первого мегабайта. Доступ к ней организуется при помощи драйвера HIMEM.sys (область, находящаяся под его управлением, получила название XMS - Extended Memory Specification).

В системах "под DOS" возможности этого вида памяти ограничены:

? в расширенной памяти не может находиться операционная система;

? в ней невозможно создание рабочих областей устройств;

? находящиеся в EMA программы не могут быть выполнены.

В основном расширенная память используется для сохранения данных и программ. В составе ОС MS-DOS есть драйверы RAMDRIVE.sys и SMARTDRV.exe, ориентированные на работу с EMA. Для записи в расширенную память или считывания оттуда они переводят МП в защищенный режим, а затем возвращают в реальный.

Область старшей памяти, старшие адреса (НМА - High Memory Area) - область первых 64 кбайт (без 16 байт) расширенной памяти, доступ к которым можно получить без выхода из реального режима. Это дополнительный участок ОЗУ, пригодный для размещения компонентов операционной системы.

Для того чтобы объяснить, откуда появились эти 64 кбайт памяти, вспомним, как формируется адрес в МП. Если в старшие 16 разрядов сегментного регистра загрузить максимальное значение FFFF16 (a 4 младших автоматически устанавливаются в нуль) и задать смещение FFFF16, можно получить предельный адрес равный l'0FFEF16 (рис. 2.18). Адресный интервал 10000016 - l'0FFEF16 и составляет область старшей памяти. Управление размещением данных в старших адресах возложено на драйвер HIMEM.sys.

Рис. 2.18. Формирование адресного интервала области старшей памяти

Дополнительная память (Expanded Memory Area).

В компьютере доступ к дополнительной памяти (LIM EMS) реализует драйвер EMM386.exe. Для него необходим свободный участок ОЗУ размером в 64-килобайтный страничный блок (обычно он берется в верхней памяти - окно EMA). В процессе работы он делится на четыре 16-килобайтные логические страницы. На такие же по размеру страницы делится весь имеющийся объем дополнительной памяти. В логические страницы заносится информация, требующая сохранения. После этого их содержимое путем определенной программной процедуры копируется на одну из страниц дополнительной памяти. Затем в логические страницы помещается следующая порция данных и процедура повторяется. Страничный блок как перемещающееся смотровое окошко имеет доступ к любой точке области дополнительной памяти. Через него производится как запись, так и считывание.

Дополнительная память может быть использована для хранения данных и программ. С помощью драйверов RAMDRIVE.sys и SMARTDRV.exe в ней могут быть созданы электронный диск и буферы дисковых накопителей. Спецификацией EMS могут пользоваться только специально разработанные для этого программы. В связи с необходимостью частого переключения страниц и копирования их в UMA отображаемая память работает довольно медленно.

Электронный диск - программно построенная структура, по организации и принципу работы с ним идентичная логическому диску на винчестере. Доступ к нему при записи или чтении выполняется быстрее, так как нет медленной операции перемещения головок. Емкость невелика (не может превосходить по объему расширенную память). На электронном диске удобно держать короткие часто исполняемые программы. При выключении компьютера все содержимое диска теряется.

Виртуальная память - это такая система организации выполнения задания, при которой часть программы располагается в быстродействующей памяти (микросхемах), а часть - на некотором более медленном и дешевом запоминающем устройстве (например, жестком диске). Виртуальная организация памяти позволяет программисту работать, не заботясь о емкости реальной памяти. В системах виртуальной памяти диск превращается в основную память, а RAM (реальная память) содержит код и данные, используемые процессорами.

Механизм виртуальной памяти, реализованный на процессоре 80286, позволяет организовать виртуальную память большого объема при относительно небольших размерах оперативной и дисковой памяти. Основная идея виртуальной памяти заключается в хранении и обновлении на диске сегментов программы и загрузки их в оперативную память по мере необходимости. Процесс загрузки и выгрузки сегментов называется свопингом.

В версиях DOS6.x появилась утилита MEMMAKER, которая автоматически оптимизирует использование верхней памяти. Поскольку эта память фрагментирована, то не всегда удается вручную загрузить туда все желаемые резиденты. Кроме того, некоторые резидентные программы могут менять свой размер после загрузки. MEMMAKER просчитывает все возможные комбинации распределения программ по блокам верхней памяти (их может быть несколько десятков тысяч) и выбирает из них оптимальную. Следует отметить, что с этой задачей MEMMAKER справляется далеко не лучшим образом, поскольку он не обрабатывает командные файлы, вызываемые из файла AUTOEXEC.BAT, а также не способен изменить порядок загрузки драйверов и резидентов, что могло бы привести к более удачному варианту их размещения в верхней памяти. Однако существует специально разработанные драйверы оптимизации, позволяющие добиться лучших результатов: QEMM386, 386MAX и др.

2.4.1.3 Общая характеристика способов реализации

запоминающих устройств

В общем случае под запоминающим устройством (ЗУ) можно понимать любое устройство, которое хранит информацию для дальнейшего использования. При таком понимании ЗУ ПЭВМ можно разделить на два класса.

Первый класс ЗУ представляет собой память, которая хранит команды и данные, обрабатываемые МП непосредственно, т. е. в любой момент времени МП имеет доступ к любой команде или данным, например, ЗУПВ (ЗУ произвольной выборки - ОЗУ, ПЗУ).

Второй класс состоит из средств, которые могут хранить информацию, но ее необходимо передавать в память первого класса прежде, чем к ней может обратиться МП, например, внешние ЗУ (НГМД, НЖМД и др.).

Рис. 2. 19. Конструктивные особенности ОЗУ

ОЗУ ПЭВМ может состоять из одной или нескольких плат, которые подключены к системной шине (рис. 2.19, 2.20).

Микросхемы ЗУПВ имеют организацию MЧN, где М - количество адресуемых слов; N - количество разрядов в слове.

Под длительностью цикла обращения понимается минимальный временной интервал от момента поступления стабильного адреса слова до получения стабильных данных. Эта характеристика отражает быстродействие ЗУПВ.

Рис. 2.20.Структура обращения к оперативной памяти

2.4.2 Регистровая кэш-память

В качестве элементной базы основной памяти в большинстве ВМ служат микросхемы динамических ОЗУ, на порядок уступающие по быстродействию центральному процессору. В результате процессор вынужден простаивать несколько тактовых периодов, пока информация из ИМС-памяти установится на шине данных ВМ. Если ОП выполнить на быстрых микросхемах статической памяти, стоимость ВМ возрастет весьма существенно. Экономически приемлемое решение этой проблемы было предложено М. Уилксом в 1965 г. в процессе разработки ВМ Atlas и заключается в использовании двухуровневой памяти, когда между ОП и процессором размещается небольшая, но быстродействующая буферная память. В процессе работы такой системы в буферную память копируются те участки ОП, к которым производится обращение со стороны процессора, т. е. производится отображение участков ОП на буферную память. Выигрыш достигается за счет ранее рассмотренного свойства локальности: если отобразить участок ОП в более быстродействующую буферную память и переадресовать на нее все обращения в пределах скопированного участка, можно добиться существенного повышения производительности ВМ.

Уилкс М. называл рассматриваемую буферную память подчиненной (slave memory). Позже распространение получил термин кэш-память (от англ. cache - убежище, тайник), поскольку такая память обычно скрыта от программиста в том смысле, что он не может ее адресовать и может даже вообще не знать о ее существовании. Впервые кэш-системы появились в машинах модели 85 семейства IBM 360.

В общем виде использование кэш-памяти можно пояснить следующим образом. Когда ЦП пытается прочитать слово из основной памяти, сначала осуществляется поиск копии этого слова в кэш-памяти. Если такая копия существует, обращение к ОП не производится, а в ЦП передается слово, извлеченное из кэш-памяти. Данную ситуацию принято называть успешным обращением, или попаданием (hit). При отсутствии слова в кэше, т. е. при неуспешном обращении - промахе (miss) требуемое слово передается в ЦП из основной памяти, но одновременно из ОП в кэш-память пересылается блок данных, содержащий это слово.

На рисунке 2.21 приведена структура системы с основной и кэш-памятью. ОП состоит из 2n адресуемых слов, где каждое слово имеет уникальный n-разрядный адрес. При взаимодействии с кэшем эта память рассматривается как М блоков фиксированной длины по К слов в каждом (М = 2n/К). Кэш-память состоит из С блоков аналогичного размера (блоки в кэш-памяти принято называть строками), причем их число значительно меньше числа блоков в основной памяти (С<< М). При считывании слова из какого-либо блока ОП этот блок копируется в одну из строк кэша. Поскольку число блоков ОП больше числа строк, отдельная строка не может быть выделена постоянно одному и тому же блоку ОП. По этой причине каждой строке кэш-памяти соответствует тег (признак), содержащий сведения о том, копия какого блока ОП в данный момент хранится в данной строке. В качестве тега обычно используется часть адреса ОП.

На эффективность применения кэш-памяти в иерархической системе памяти влияет целый ряд моментов. К наиболее существенным из них можно отнести:

- емкость кэш-памяти;

- размер строки;

- способ отображения основной памяти на кэш-память;

- алгоритм замещения информации в заполненной кэш-памяти;

- алгоритм согласования содержимого основной памяти и кэш-памяти;

- число уровней кэш-памяти.

Рис. 2.21. Структура системы с основной памятью и кэш-памятью

Современные технологии позволяют разместить кэш-память и ЦП на общем кристалле. Такая внутренняя кэш-память строится по технологии статического ОЗУ и является наиболее быстродействующей. Емкость ее обычно не превышает 64 кбайт. Попытки увеличения емкости приводят к снижению быстродействия, главным образом из-за усложнения схем управления и дешифрации адреса. Общую емкость кэш-памяти ВМ увеличивают за счет второй (внешней) кэш-памяти, расположенной между внутренней кэш-памятью и ОП. Такая система известна под названием двухуровневой, где внутренней кэш-памяти отводится роль первого уровня (L1), а внешней - второго уровня (L2). Емкость L2 обычно на порядок больше, чем у L1, а быстродействие и стоимость - несколько ниже. Память второго уровня также строится, как статическое ОЗУ. Типичная емкость кэш-памяти второго уровня - 256 и 512 кбайт, реже 1 Мбайт, а реализуется она, как правило, в виде отдельной микросхемы, хотя в последнее время L2 часто размещают на одном кристалле с процессором, за счет чего сокращается длина связей и повышается быстродействие.

При доступе к памяти ЦП сначала обращается к кэш-памяти первого уровня. В случае промаха производится обращение к кэш-памяти второго уровня. Если информация отсутствует и в L2, выполняется обращение к ОП и соответствующий блок заносится сначала в L2, а затем и в L1. Благодаря такой процедуре часто запрашиваемая информация может быть быстро восстановлена из кэш-памяти второго уровня.

Потенциальная экономия за счет применения L2 зависит от вероятности попаданий как в L1, так и в L2. Использование кэш-памяти второго уровня существенно улучшает производительность.

В большинстве семейств микропроцессоров предусмотрены специальные ИМС контроллеров внешней кэш-памяти, например микросхема 82491 - для Intel Pentium. Для ускорения обмена информацией между ЦП и L2 между ними часто вводят специальную шину (шину заднего плана), в отличие от шины переднего плана, связывающую ЦП с основной памятью.

Количество уровней кэш-памяти не ограничивается двумя. В некоторых ВМ уже можно встретить кэш-память третьего уровня (L3) и ведутся активные дискуссии о введении также и кэш-памяти четвертого уровня (L4). Характер взаимодействия очередного уровня с предшествующим аналогичен описанному для L1 и L2. Таким образом, можно говорить об иерархии кэш-памяти. Каждый последующий уровень характеризуется большей емкостью, меньшей стоимостью, но и меньшим быстродействием, хотя оно все же выше, чем у ЗУ основной памяти.

2.4.3 Внешняя память

2.4.3.1 Классификация внешних запоминающих устройств

Носитель - материальный объект, способный хранить информацию.

Устройства внешней памяти, или внешние запоминающие устройства, весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: виду носителя, типу конструкции, принципу записи и считывания информации, методу доступа и т. д.

Один из возможных вариантов классификации ВЗУ - по виду носителей и типу конструкции - приведен на рисунке 2.22.

Рис. 2.22. Классификация внешних запоминающих устройств

В зависимости от вида носителя все ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители.

Накопители на магнитной ленте по типу конструкции, в свою очередь, бывают двух видов: накопители на бобинной магнитной ленте (НБЛМ) и накопители на кассетной магнитной ленте (НКМЛ - стримеры). В ПК используются только стримеры.

Диски по методу считывания относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Понятие "прямой" доступ означает, что ПК может "обратиться" к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка чтения накопителя.

Накопители на дисках более разнообразны (табл. 2.4):

Таблица 2.4 Сравнительные характеристики дисковых накопителей

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9