20. Буферные элементы. Шинная организация современного компьютера.

Буферные элементы

Микросхемы, которые не выполняют логических функций, а формируют цифровые сигналы, усиливают импульсы по току, называются буферными. Они обслуживают шины данных, выполняя системные функции, т. е. отключают от шины неиспользуемые в данный момент приемники и передатчики цифровых слов.

Буферные усилители могут передавать сигнал без инверсии либо с инверсией. Некоторые элементы имеют вывод разрешения по входу EI или выходу ЕО. Очень удобны для обслуживания шин данных оказались буферные усилители с тремя состояниями: это - два обычные выходные состояния высокого и низкого уровней, а также размыкание выхода по специальной команде - третье состояние - Z. Выходное сопротивление элемента в этом состоянии составляет сотни килоом.

На материнской плате ПК шина - это внешне незаметная группа печатных проводов. Применяются следующие типы шин:

PCI (Peripheral Computer Interconnect) – основная в наши дни шина для подключения периферийных устройств к ПК (рис. 3.7). Это надежная синхронная 32/64-разрядная шина. Частота ее работы была увеличена с 33 до 150 МГц и выше. Поддерживает подключение до четырех устройств, но с помощью мостов (PCI Bridges) их число можно увеличить. Слоты шины уменьшенного (по сравнению с ISA) размера имеют 94 контакта.

ISA (Industry Standard Architecture) – устаревшая шина ПК IBM PC XT, имеющая разрядность данных 8 бит и адресов 20 бит (у ПК AT она была увеличена до 16 и 24 бит соответственно). Разъемы расширения шины имели 62 контакта (плюс 36 для AT). Вариант EISA (Extended ISA) имел уже 32-разрядную шину данных;

MCA (MicroChanel Architecture) – шина компьютеров IBM PS/2 с закрытой архитектурой. Эта шина также уже не применяется;

Со временем для ускорения работы видеоадаптера и жесткого диска были введены так называемые локальные шины (local bus):

VLB (VESA Local Bus) – локальная ускоренная 32-разрядная шина, введенная после создания процессоров Intel 486. В настоящее время устарела и в новых ПК не применяется;

AGP (Accelerated Graphic Port) – новая ускоренная шина (графический порт) для подключения видеоадаптера, имеющая 66 контактов. Тактовая частота порта 66,66 МГц. Появились порты с ускорением в два раза AGP2 и даже в четыре раза – AGP4.

Широкое применение получила высокоскоростная универсальная последовательная шина – USB. Она хорошо дополняет традиционные порты ПК – последовательный порт RS-232 (COM) и параллельный (LPT).

21. Понятие архитектуры компьютера. Структура компьютера. Понятие о cisc и risc.

Архитектура вычислительной машины (Архитектура ЭВМ) — концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Структура компьютера:

—системного блока;

—клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;

—монитора

Системный блок:

·        электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессоры, оперативная память, контроллеры устройств);

·        блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

·        накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);

·        накопитель на жестких магнитных дисках, предназначенные для чтения и записи на несъемные жесткие магнитные диски (винчестер).

Микропроцессор

Параметры процессора:

·        разрядность – ширина "такта", по которому передается компьютерная информация: 8, 16, 32 или 64 бита;

·        тактовая частота, характеризующая число команд, выполняемых процессором за одну секунду (измеряется в мегагерцах (МГц)). Обычно тактовая частота соответствует 160…200МГц.

Микропроцессор включает в себя:

·        арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняет операции (микрооперации), необходимые для выполнения команд микропроцессора;

·        устройство управления (УУ) – управляет всеми частями компьютера посредством принципов программного управления;

·        микропроцессорная память (МПП). В микропроцессоре есть несколько ячеек собственной памяти, они называются регистрами. Некоторые из них предназначены для хранения операндов – величин, участвующих в текущей операции. Такие регистры называются регистрами общего назначения (RON).

Основной памятью компьютера:

-                 оперативное запоминающее устройство (RAM) хранит работающую программу и данные;

-                 постоянное запоминающее устройство (ROM)  - хранит информацию, которая необходима для постоянной работы.

Внешней памятью:

-                 накопители на жестких магнитных дисках

Понятие о CISC и RISC.

CISC и RISC архитектуры являются основными архитектурами команд современных ЭВМ. Основоположником CISC-архитектуры (Complete Instruction Set Computer - компьютер с полным набором команд) считается фирма IBM с архитектурой IBM/360.

Стратегия CISC-архитектуры

Стратегия CISC-архитектуры формировалась в большой степени  по желанию программистов иметь в своем распоряжении как можно больший набор команд для упрощения программирования. За первое десятилетие компьютерной эры список команд ЭВМ расширился от нескольких десятков (ЭВМ Урал-1 имел 32 команды) до нескольких сотен (модели семейства IBM/370 используют около 200 команд). Лидером в разработке CISC-процессоров считается компания Intel.

Для CISC-процессоров характерно:

небольшое число регистров общего назначения;

большое количество машинных команд,

наличие сложных (многотактных) команд, функционально аналогичных операторам языков программирования высокого уровня,

большое количество способов адресации,

большое количество форматов команд различной разрядности,

преобладание двухадресного формата команд,

наличие команд обработки типа регистр-память.

Использование CISC-архитектуры упрощает компиляцию программ и уменьшает размеры исполняемых модулей. В какой то мере, архитектура CISC позволила фирме Intel занять на массовом рынке относительно недорогих PC ведущее положение. Но в архитектуре CISC плохо реализуются новейшие технические решения по повышению быстродействия процессоров. Это использование конвейерной, суперконвейерной и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.

Стратегия RISC архитектуры

Основой современных высокопроизводительных ЭВМ (рабочие станции, супер-ЭВМ и т.д.) является архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer - компьютер с сокращенным набором команд).

Зачатки этой архитектуры можно обнаружить в компьютерах  CDC 6600. Значительную роль в становлении архитектуры RISC сыграла фирма IBM. Её сотрудник Джон Кук продемонстрировал, что использование в программе только простых команд в формате регистр-регистр позволяет увеличить скорость выполнения большинства вычислительных задач в 2-3 раза. Кроме этого, было замечено, что 80%  кода программ содержат 20%  простейших команд. Было доказано, что удаление из системы команд сложных операций позволяет уменьшить объём аппаратуры процессора примерно в 10 раз без ощутимого снижения быстродействия.

В первых ЭВМ главными требованиями архитектуры RISC являлись следующие:

1. Любая операция должна выполняться за один такт.

2. Система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых команд одинаковой длины.

3. Операции обработки данных реализуются только в формате регистр-регистр. Обмен между регистрами и памятью выполняется только командами загрузки-записи.

В дальнейшем эти требования были несколько смягчены. Выполнение команды за один такт стало трактоваться как загрузка конвейера команд в темпе "команда за такт". Набор команд современных RISC-процессоров возрос и содержит до 150 команд и более.

Незыблемым для архитектуры RISC остается только требование: обработка данных ведется только командами в формате регистр-регистр.

Среди других особенностей RISC архитектур следует отметить:

наличие достаточно большого файла РОНов (32 и более регистров),

для обработки используются трехадресные регистровые команды,

команды регистр-память используются только для загрузки (Ld) РОНов из памяти и сохранения (ST)  содержимого РОНов в памяти,

как следствие упрощения команд, использование аппаратной, а не микропрограммной логики выполнения команд,

В последних разработках МП компании Intel, начиная с МП Pentium Pro, а также ее последователей и конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах.