4. Физические основы эвм: понятие транзистора, электронные логические вентили.

Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) составляют базу микросхем среднего и высокого быстродействия. Основа — биполярные транзисторы. Работа его основана на переносе зарядов одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки. Основные функции — выполняет роль ключа в сети или усилителя тока. Основная особенность: управляется током. В ТТЛ также нередко используется многоэмиттерный транзистор (МЭТ). Основные-особенности: Высокое быстродействие

Высокое энергопотребление

Низкая помехоустойчивость

В основе построения компьютеров, а точнее аппаратного обеспечения, лежат так называемые вентили. Они представляют собой достаточно простые элементы, которые можно комбинировать между собой, создавая тем самым различные схемы. Вентиль — это устройство, которое выдает результат булевой операции от введенных в него данных (сигналов). Простейший вентиль представляет собой транзисторный инвертор, который преобразует низкое напряжение в высокое или наоборот (высокое в низкое). Это можно представить как преобразование логического нуля в логическую единицу или наоборот. Т.е. получаем вентиль НЕ. Соединив пару транзисторов различным способом, получают вентили ИЛИ-НЕ и И-НЕ. Эти вентили принимают уже не один, а два и более входных сигнала. Выходной сигнал всегда один и зависит (выдает высокое или низкое напряжение) от входных сигналов. В случае вентиля ИЛИ-НЕ получить высокое напряжение (логическую единицу) можно только при условии низкого напряжении на всех входах. В случае вентиля И-НЕ все наоборот: логическая единица получается, если все входные сигналы будут нулевыми. Как видно, это обратно таким привычным логическим операциям как И и ИЛИ. Однако обычно используются вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ, т.к. их реализация проще: И-НЕ и ИЛИ-НЕ реализуются двумя транзисторами, тогда как логические И и ИЛИ тремя. Транзистору требуется очень мало времени для переключения из одного состояния в другое (время переключения оценивается в наносекундах). И в этом одно из существенных преимуществ схем, построенных на их основе.

5.

Схемная реализация элементарных логических операций - инвертор.

Инвертор — логическая схема, реализующая операцию отрицания (инверсию). Эта схема имеет только один вход и один выход.

Дизъюнктор — логическая схема, реализующая операцию дизъюнкции (логического сложения). Даная схема имеет один выход и два или более входов.

Конъюнктор — логическая схема, реализующая логическую операцию конъюнкции (логического умножения). Даная схема имеет один выход и два или более входов.

Сумматор — это электронный логический элемент, выполняющий суммирование двоичных чисел. Он является центральным узлом арифметико-логического устройства процессора. Условное обозначение простейшего одноразрядного сумматора (полусумматора) следующее:

У него на входе ряд двоичных чисел А и В, на выходе — результат сложения: значение (разряд) суммы S и перенос Р.

Триггер — электронный логический элемент, являющаяся памятью компьютера для хранения одного бита информации. Он может находиться в одном из двух устойчивых состояний и спо- собен почти мгновенно переходить из одного электрического состояния в другое и наоборот.

Самый распространенный триггер — SR-триггер (S и R — соответственно от английских слов set — «установка», reset — «сброс»). Условное обозначение SR-триггера:

Он имеет два входа S и R и два выхода Q и Q. Причем один вы- ходной сигнал является логическим отрицанием другого. Несколько триггеров объединяются в группы — регистры, предназначенные для кратковременного хранения двоичной информации и обработки информации.

Число триггеров в регистре называется разрядностью компьютера, которая может быть равна 8, 16, 32 и 64.

Схемная реализация элементарных логических операций - элемент ИЛИ-НЕ.

Логический элемент ИЛИ-НЕ является инверсией элемента ИЛИ. На выходе появляется 1 только если на обоих входах 0

ИЛИ —НЕ — функцию инверсии логической суммы (функцию Пирса). Таким образом, если логическое произведение равно еди­нице, то элемент И —НЕ выдает нулевой сигнал на своем выхо­де; если логическая сумма равна единице, то элемент ИЛИ —НЕ также выдает нулевой сигнал. В противном случае на выходах эле­ментов данного типа формируется единичный сигнал

Обозначение на схемах	Таблица истинности для элемента ИЛИ-НЕ
	A B Результат 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0

7.

Триггеры: понятие, способы реализации

Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.

При изготовлении триггеров применяются преимущественно полупроводниковые приборы (обычно биполярные и полевые транзисторы), в прошлом — электромагнитные реле, электронные лампы. В настоящее время логические схемы, в том числе с использованием триггеров, создают в интегрированных средах разработки под различные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Используются, в основном, в вычислительной технике для организации компонентов вычислительных систем: регистров, счётчиков, процессоров, ОЗУ.

Функциональная структура компьютера и основные концепции функционирования ЭВМ.

Как следует из рис. 3.1, компьютер состоит из пяти главных, функционально не­зависимых частей:

устройство ввода,

устройство памяти,

арифметико-логическое устройство,

устройство вывода и

устройство управления.

Устройство ввода при­нимает через цифровые линии связи закодированную информацию от операто­ров, электромеханических устройств типа клавиатуры или от других компьюте­ров сети. Полученная информация либо сохраняется в памяти компьютера для последующего применения, либо немедленно используется арифметическими и логическими схемами для выполнения необходимых операций. Последователь­ность шагов обработки определяется хранящейся в памяти программой. Полу­ченные результаты отправляются обратно, во внешний мир, посредством устрой­ства вывода. Все эти действия координируются блоком управления. На рис. 3.1. намеренно не показаны связи между функциональными устройствами. Объясня­ется это тем, что такие связи могут быть по-разному реализованы. Как именно, вы поймете несколько позже. Арифметические и логические схемы в комплексе с главными управляющими схемами называют процессором, а все вместе взятое оборудование для ввода и вывода часто называют устройством ввода-вывода (input-output unit).

Теперь обратимся к обрабатываемой компьютером информации. Ее удобно разделять на две основные категории: команды и данные. Команды, или машин­ные команды, — это явно заданные инструкции, которые:

• управляют пересылкой информации внутри компьютера, а также между компьютером и его устройствами ввода-вывода;

• определяют подлежащие выполнению арифметические и логические операции.

Список команд, выполняющих некоторую задачу, называется программой. Обыч­но программы хранятся в памяти. Процессор по очереди извлекает команды про­граммы из памяти и реализует определяемые ими операции. Компьютер полно­стью управляется хранимой программой, если не считать возможность внешнего вмешательства оператора и подсоединенных к машине устройств ввода-вывода.

8.1

Как было сказано в разделе 3.1, действиями компьютера управляют инструкции. Для выполнения конкретной задачи в память записывается соответствующая программа, состоящая из множества команд. Команды по очереди пересылаются из памяти в процессор, который их выполняет. Данные, используемые в качестве операндов команд, также хранятся в памяти

Процессор: определение, классификация.

Процессор – это главная микросхема компьютера, его 'мозг'. Он выполняет программный код, находящийся в памяти и руководит работой всех устройств компьютера. Чем выше скорость работы процессора, тем выше быстродействие компьютера. Процессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами. Именно в регистры помещаются команды, которые выполняются процессором, а также данные, которыми оперируют команды. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных для их последующего выполнения.

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно

9.1

Прежде чем рассматривать ситуацию микропроцессоров, определим диапазон устройств, попадающих под эту категорию и их виды. Классифицировать микропроцессоры можно по разным признакам. По целевому предназначению можно выделить такие виды:    –процессоры- для серверов и суперкомпьютеров;    –процессоры для персональных компьютеров;    –процессоры для ноутбуков;    –процессоры для мобильных систем;    –процессоры для встраиваемых систем.

По виду архитектуры можно выделить процессоры с полным (CISC) и сокращенным (RISC) набором команд; по числу ядер: одноядерные и многоядерные.

Различными производителями микропроцессоров были разработаны свои архитектуры под процессоры для конкретного предназначения, например архитектура x86 была разработана Intel, сейчас повсеместно используется в настольных компьютерах, позже было разработано расширение для 64-разрядных компьютеров – архитектура х64, сохраняющая обратную совместимость с х86; сейчас процессоры для ПК на базе этих архитектур разрабатывают Intel и AMD. Другими примерами архитектур могут служить PowerPC (от IBM) и SPARC (от Sun), ориентированные на процессоры для высокопроизводительных серверов, рабочих станций и суперкомпьютеров.

Далее будем рассматривать только микропроцессоры архитектур х86 и х86-64, используемые для производства персональных компьютеров и ноутбуков, и ситуацию на рынке среди них.

Функциональная и структурная организация процессора intel 8086

Родоначальником архитектуры процессоров Intel x86 является процессор Intel 8086 (1978 год). Intel 8086 представляет собой 16-битовую архитектуру со всеми внутренними регистрами, имеющими 16-битовую разрядность. К процессорам этого класса относятся микропроцессоры: Intel 80286 (24 битная архитектура), 80386 (32 битная архитектура), 80486 (32-битовые процессоры с внутренней кэш-памятью и встроенным сопроцессором (только DX)), Pentium, Pentium II и т.д.

Особенностью этих процессоров является преемственность на уровне машинных команд: программы, написанные для младших моделей процессоров, без каких-либо изменений могут быть выполнены на более старших моделях. При этом базой является система команд процессора 8086.

Структуру центрального процессора Intel 8086 можно разделить на два логических блока

· блок исполнения (EU: Execution Unit);

· блок интерфейса шин (BIU:Bus Interface Unit).

В состав EU входят: арифметическо- логическое устройство ALU, устройство управления CU и десять регистров. Устройства блока EU обеспечивают обработку команд, выполнение арифметических и логических операций.

Блок BIU включает устройство управления шинами, блок очереди команд, регистры сегментов и предназначен для выполнения следующих функций:

· управление обменом данными с EU, памятью и внешними устройствами ввода/вывода;

· адресация памяти;

· выборка команд (осуществляется с помощью блока очереди команд Queue, который позволяет выбирать команды с упреждением).

Структура микропроцессора Intel 8086

11.Концепция функционирования процессора, процесс выполнения команд

12.Организация тракта данных внутри процессора с одной шиной

13.Организация пересылки данных между регистрами в процессоре.

14.Организация процесса выборки слова из памяти процессором и записи в память.

15.Память ЭВМ: иерархия памяти, классификация типов памяти

Память ЭВМ должна иметь большую информационную емкость, малое время обращения (высокое быстродействие), высокую надежность и низкую стоимость. Но с увеличением емкости снижается быстродействие и растет стоимость. [1] Деление памяти на ОЗУ и ВЗУ не снимает это противоречие полностью, так как различие в быстродействии процессора, ОЗУ и ВЗУ очень велико. Поэтому обмен информацией производится через дополнительные буферные устройства, то есть память ЭВМ имеет иерархическую многоуровневую структуру. Чем больше быстродействие ЗУ, тем выше стоимость хранения 1 байта, тем меньшую емкость имеет ЗУ. Иерархия памяти имеет следующий вид (Рис. 1):

Рисунок 1 – Четырехуровневая организация памяти

Виды памяти:

1) регистры микропроцессорной памяти, а также кэш-память первого и второго уровня;

2) внутренняя память ПЗУ, ОЗУ;

3) внешняя память;

4) массовая или архивная память.[3]

Эта система запоминающих устройств работает как единое ЗУ с большой емкостью (за счет внешних ЗУ) и высоким быстродействием (за счет внутренних ЗУ).

Микропроцессорная память – высокоскоростная память небольшой емкости, входящая в МП и используемая АЛУ для хранения операндов и промежуточных результатов вычислений. КЭШ-память – это буферная, не доступная для пользователя память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в медленно действующих запоминающих устройствах. 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.

Внутренняя память состоит из ПЗУ (ROM – Read Only Memory) и ОЗУ (RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом). ПЗУ состоит из установленных на материнской плате микросхем и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы (ОС), программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS – Base Input-Output System) и др. Из ПЗУ можно только считывать информацию, емкость ПЗУ – сотни Кбайт. Это энергонезависимая память, – при отключении ЭВМ информация сохраняется.

Внешняя память относится к внешним устройствам ЭВМ и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться. В ВЗУ хранится программное обеспечение ЭВМ. Внешняя память: НЖМД и ЖМД, НГМД и ГМД (магнитный диск), стример (НМЛ – накопитель на магнитной ленте), оптические накопители для CD-ROM и DVD-дисков. [4]

Информационная структура внешней памяти – файловая. Наименьшей именуемой единицей является файл, – наименованная совокупность однородных данных. Информация в файле состоит из битов и байтов, но они не имеют адресов, так как носитель (магнитный диск) не дискретный. [5]

15.1.

ОЗУ(Оперативная память) — в информатике — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.). Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кеш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

ВЗУ(Внешние запоминающие устройства).

СОЗУ(Сверхоперативное запоминающее устройство или память процессора или кэш память)

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, англ. ROM — Read-Only Memory) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных