(Hardware)ГавриловА.В. НГТУ, кафедраПТМ 4 1801 г.–ТкацкийстанокЖозефаМариЖаккарана перфокартах 1822-1838 ...

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра ПТМ 1

Организация компьютера(Hardware)

Лекция 3.Информатика и информационные

технологии


СодержаниеСодержание

Основы компьютерной архитектурыИстория создания компьютераБиты и манипулирование ими в компьютереКомпьютер фон НейманаАппарат прерыванийВнешние устройстваВиртуальная память


История созданиякомпьютера

Слово «Компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений.

1642 г. Блез Паскаль изобрел устройство, механическивыполняющее сложение чисел.

1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструироваларифмометр, выполняющий 4 операции. Появлениепрофессии - счетчик. Счетчик - человек, работающий сарифмометром и выполняющий определеннуюпоследовательность инструкций. Позднеепоследовательность инструкций стали называтьпрограммой.


1801 г. – Ткацкий станок Жозефа Мари Жаккара наперфокартах

1822-1838 гг. - Чарльз Бебидж построилАналитическую машину, которая должна выполнятьвычисления без участия человека. Машина исполнялапрограммы вводимые с помощью перфокарт и имела«склад» (сегодня - память) для запоминания данных ипромежуточных результатов.

1888-1890 гг. – Табулятор Холлерита (производилосьпартиями) Впоследствии (1896) Герман Холлеритосновывает компанию Tabulating Machine Company, в1924 году переименованную в International BusinessMachines Corporation (IBM) после промежуточной сменыимени в 1911


Аналитическаямашина Чарльза

Бебиджа

ЧарльзБебидж


1937 г. Z1 Первая вычислительнаямашина Конрада Цузе на реле

1943 г. Говард Эйкен, используяэлектромеханические реле, построил на фирме IBM машину«Марк-1».1943-1945 гг. Джон Мочли, Преспер Экерт и Джонфон Нейман разработали принципы построения ифункционирования компьютеров. Реализация на базеэлектронных ламп с возможностью хранения программ всвоей памяти.1940-1948 — понимание того, что работа логическихэлектрических схем тождественна булевой алгебреи разработка теории информации Клода Шеннона.



1949 г. Морис Уилкинс создает первый компьютер напринципах фон Неймана.

1950 г. В СССР первая ЭВМ МЭСМ под руководствомС.А.Лебедева

1948 г. изобретение транзисторов.

Вторая половина 50-х появились компьютеры натранзисторах.

Середина 60-х - появление компактных внешнихустройств для компьютеров.

1965 г. первый миникомпьютер на транзисторах PDP-8фирмы Digital Equipment размером с холодильник истоимостью 20000$.

1974 г. Его аналог а СССР – Электроника-100


Принципы фон Неймана


Принципы фон Неймана (2)





1957 — впервые реализован язык программирования высокого уровня, носивший название Фортран.

1957 – впервые разработан язык программирования для обработки списковLISP в рамках исследований по созданию Искусственного Интеллекта

1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрелинтегральные схемы или чипы.

1964 г. Американская Ассоциация Стандартов принимает новый 7-битовыйстандарт для обмена информации ASCII (American Standard Code for InformationInterchange).

1966 г. Роберт Нойс и Гордон Мур основывают корпорацию Intel.

1968 г. первый компьютер на интегральных схемах.

1970 г. изобретение микропроцессора Intel-4004 (разрядность 4 бита).

1975 г. Билл Гейтс и Пол Аллен основали компанию Micro-Soft,

1976 г. Стив Джобс и Стив Возняк основали фирму Apple Computer

1979 г. фирма IBM выходит на рынок производства ПК.


1969 – фирма Honeywell выпустила первый домашнийкомпьютер H316

1982 — самые продаваемые персональные компьютерыZX Spectrum и Commodor 64

(внешняя память на магнитных кассетах, в качествемонитора телевизор)

1984 — первый успешный серийно выпускаемыйперсональный компьютер с манипулятором типа«мышь» и полностью графическим интерфейсом,

названный Apple Macintosh1984 — первый в СССР серийно выпускаемый

персональный компьютер «Агат»1986 – первый ноутбук IBM PC Convertible

1991 - Microsoft выпустила ОС Windows 3.1


Архитектура компьютера.Биты и манипулирование ими.

Компьютер решает задачи в соответствие с алгоритмом, представленным в виде машинного кода – последовательностинулей и единиц.

Бит – двоичный разряд, имеющий два значения – нуль или единицу.

Теоретическим основанием для технических реализаций систем, манипулирующих битами является булева алгебра (или изоморфныеей математические структуры – алгебра высказываний и алгебралогики).

На множестве из двух элементов – 0 и 1 (или «правда» и «ложь», или«да» и «нет») заданы две бинарные операции – конъюнкция and идизъюнкция or, и одна унарная – not.


закон двойного отрицания: not not a = aзакон коммутативности:

a or b = b or aa and b = b and aзакон ассоциативности:a or (b or c) = (a or b) or ca and (b and c) = (a and b) and cзакон дистрибутивности:a or (b and c) = (a or b) and (a or c)a and (b or c) = (a and b) or (a and c)правила де Моргана:not (a or b) = not a and not bnot (a and b) = not a or not b

Свойствалогическихопераций:

Биты и манипулирование ими.

01111110011101000000xororandba

Дополнительная операция – «исключающее или» xor

Таблицаистинности:

a not

0 1

1 0



Абстрактные устройства, реализующие логические операции(вентили):

and or xor not

B

A

B

C=A and B

A

A

C=A and BB

Техническая реализация вентилей:


A B S C0 0 0 01 0 1 00 1 1 01 1 0 1

A B Cin S Cout0 0 0 0 00 0 1 1 00 1 0 1 01 0 0 1 00 1 1 0 11 0 1 0 11 1 1 1 1

Двоичный полусумматор:

Полный двоичный сумматор:



Биты и манипулирование ими.Триггер:

Вход A Вход B

Выход C

10

1

11

1

1

1

1

0 01

Подача сигнала на вход B устанавливаеттриггер в состояние 1. После снятиянапряжения с этого входа триггер остаетсяв этом состоянии. Для перехода триггерав состояние 0 необходимо подать сигнална вход A.



Техническая реализация триггера дорогостоящая, поэтому биты с помощьютриггеров хранят в небольшой по объему памяти, но с большимбыстродействием. Эта статическая память – SRAM, используется вперсональных компьютерах для регистров и кэшей.

Оперативная память основа на технологии динамической памяти – DRAM, использующей конденсаторы для хранения бит.

Элемент DRAM:

И егосхематическоеизображение:

Декодер столбцов

Декодер

строк

Выходной буферЛинии

адреса

Линии данных

КомпьютерКомпьютер фонфон НейманаНейманаСтруктура, основные компоненты компьютера фон

Неймана

Принципы построения компьютера фон Неймана1. Принцип двоичного кодирования2. Принцип программного управления3. Принцип хранимой программы

ОЗУЦП

АЛУ УУВнешниеустройства

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство,АЛУ – арифметико-логическое устройство,УУ – устройство управления, ЦП – центральный процессор


Архитектура ПК


Архитектура ПК (2)

ОперативноеОперативное запоминающеезапоминающееустройствоустройство

ОЗУ предназначено для хранения программы, выполняющейся в компьютере.При выполнении программы выполняются две операции: чтение (данных-значения переменной или выполняемой команды) и запись (данных-значенияпеременной).

N–1…10

Адрес ячейки

Тег — поле служебной информации (избыточная информация для контроляданных при чтении)Машинное слово — поле программно изменяемой информации.

Машинное словоТегячейка памяти

Каждая ячейка имеетуникальный адрес в ОЗУ


Машинное слово-команда

Машинное слово может содержатьКомандуДанные

Машинное слово-команда содержит (явно или нет): Код команды (что делать)Адрес операнда(ов) (с чем делать) или информация для его (их) вычисленияПримеры:

ADD Op1, Op2 – Прибавляет к первому операнду второй операнд. Староезначение первого операнда при этом уничтожается, второй операндостается неизменным.JMP Op1 – безусловный переходMOV Op1, Op2 – копирование второго операнда в первыйINT Op1 – вызов программного прерывания заданного в Op1 типа

Может быть разной длины (1, 2, 4, 8 байтов)Минимальная адресуемая единица информации – байт (8 двоичных разрядов)

ОперативноеОперативное запоминающеезапоминающее устройствоустройствоИспользование содержимого поля служебной информации

(тега)1. Контроль за целостностью данных

10111010101010101

При записи слова в память контрольная сумма бит = 9 (1001b) ⇒ тег = 1.

Ошибки нет

При чтении машинного слова 16 бит вычисляетсясумма бит = 9 (1001b) и сверяется со значением тега.

тег

10011010101010101 Ошибка

При чтении машинного слова 16 битвычисляется сумма бит = 8 (1000b), а тег = 1

Пример контроля за целостностью данных по четности

⇒ Сбой в работе ОЗУ

10001010101010101 Ошибка не видна

При чтении машинного слова 16 битвычисляется сумма бит = 7 (111b), и тег = 1 ⇒ Ошибка будет не выявлена

ЦентральныйЦентральный процессорпроцессорПроцессор или центральный процессор (ЦП) компьютера обеспечивает последовательное выполнениемашинных команд, составляющих программу, размещенную в оперативной памяти.

Структура организации центрального процессора

Кэш памяти L1 УУ АЛУ

Регистроваяпамять

ЦентральныйЦентральный процессорпроцессорУстройство управления (control unit) — координируетвыполнение команд программы процессором.

Арифметико-логическое устройство (arithmetic/logic unit) —обеспечивает выполнение команд, предусматривающихарифметическую или логическую обработку операндов.

Регистровая память (register memory) — совокупность устройствпамяти процессора - регистров. Временное хранение управляющейинформации, операндов и результатов выполняемых команд.

Кэш-память (cache memory) — высокоскоростное устройствопамяти, используемое для буферизации работы процессора соперативной памятью.

ЦентральныйЦентральный процессорпроцессор

Регистровая память

Регистры общегоназначения (РОН)

Специальные регистры(основные):

• счетчик команд (program counter) СчК

• указатель стека (stack pointer)• слово состояние процессора

(processor status word)• сегментные регистры• .........................

Регистровая память


Назначение регистровРОНы служат для временного хранения данных каксверхоперативная (сверхбыстрая) памятьСпециальные регистры:

Счетчик команд (СчК) содержит адрес следующей команды вОЗУ, которую надо выбрать и выполнитьУказатель стека содержит адрес в ОЗУ стека – областипамяти для сохранения состояний прерываемых программСлово состояния процессора содержит: информацию орезультате последней операции в процессоре (результатравен 0, отрицателен, в результате операции произошелперенос из старшего разряда, произошло арифметическоепереполнение); уровень прерывания; информация опредыдущем режиме работы и о текущем режиме работыпроцессораСегментные регистры содержат адреса в ОЗУ сегментовпрограмм

ЦентральныйЦентральный процессорпроцессорРабочий цикл процессора

.…

да

Условие

невы

полняется

Передачауправления

Логическая илиарифметическая

операция

Выборка команды по значениюСчК, формирование адреса

следующей команда: СчК = СчК+1

Анализ кода операции

Вычисление адресовоперандов и их

значений

АЛУВыполнениекоманды

Анализусловияперехода

Вычислениеисполнитель-ного адресаоперандаАперехода,

СчК = Аперехода


КомментарииКомментарии кк рисункурисункуПри последовательном выполнениикоманд СчК (адрес очередной команды) увеличивается на 1 (условная величинадля простоты объяснения, т.к. командымогут быть разной длины – 1, 2, 4, 8 байтов), обеспечивая переход кследующей командеПри переходе (условном или безусловном) происходит занесение в СчК адреса местав ОЗУ, куда надо перейти в рамкахвыполняемой программы

ЦентральныйЦентральный процессорпроцессорКэш-память (cache memory) первого уровня (L1)

1. Обмен данными между кэшем и оперативной памятьюосуществляется блоками фиксированного размера

2. Адресный тег блока — содержит служебную информацию облоке (соответствие области ОЗУ, свободен/занят блок, …)

3. Нахождение данных в кэше – попадание (hit). Если искомыхданных нет в кэше, то фиксируется промах (cache miss)

4. При возникновении промаха происходит обновлениесодержимого кэша — вытеснение. Стратегии вытеснения:

• случайная• вытеснение наименее используемого (LRU — Least-Recently

Used)

ЦентральныйЦентральный процессорпроцессор

• Сокращается количество обращений к ОЗУ

• Существенно увеличивается скорость доступа кпамяти в случае использования ОЗУ с «расслоением», так как обмены блоков с памятью будут проходитьпрактически параллельно

Следствие использования кэш-памяти (cache memory)

Проблемы, возникающие при использовании кэша• Усложнение логики процессора

АппаратАппарат прерыванийпрерыванийПрерывание — событие в компьютере, привозникновении которого в процессоре происходитпредопределенная последовательность действий.

•Внутренние — инициируются схемами контроляработы процессора

•Внешние — события, возникающие в компьютере врезультате взаимодействия центрального процессора свнешними устройствами, а также, программныепрерывания, инициируемые выполняемойпрограммой при выполнении специальной команды

Типы прерываний

АппаратАппарат прерыванийпрерыванийЭтап аппаратной обработки прерываний

Завершение текущей команды

Блокировка прерываний. Сохранение актуального состояния

процессора

прерывание

Программный этап обработкипрерывания

АппаратАппарат прерыванийпрерыванийПрограммный этап обработки прерываний

…

да

нет

нет

Идентификация типа прерывания

Прерывание«короткое» обработка

Выход из прерывания: восстановление состоянияпроцессора в точкепрерывания, возврат, снятиеблокировки прерываний

«Полное» сохранение регистров

Фатальноепрерывание

да

Снятие блокировкипрерывания

Снятие блокировки прерывания

Завершение обработки прерывания

Завершениепрерванной программы


Многоядерные процессоры

ВнешниеВнешние устройстваустройства

ВнешниеВнешние устройстваустройства

Внешние устройства

Внешнииезапоминающиеустройства

Устройства ввода иотображения информации

Устройства приема ипередачи данных

Устройствапоследователь-ного доступа

Устройствапрямогодоступа

Магнитнаялента

Магнитныйдиск

Магнитныйбарабан

Оптическиедиски

Печатающиеустройства

Барабанные

Струйные

Графопостроители

Мониторы

CRT

TTF(LCD)

Устройства вводаинформации

Сканеры

Клавиатуры

Мышь

Модем

Факс

Сетеваякарта

Частичная иерархия внешних устройств

Флэш-память

ВнешниеВнешние устройстваустройстваВнешние запоминающие устройства (ВЗУ)

Обмен данными:• записями фиксированного размера — блоками• записями произвольного размера

Доступ к данным:• операции чтения и записи (жесткий диск, CD-RW, DVD-RW)• только операции чтения (CD-ROM, DVD-ROM, …)

Последовательного доступа:• Магнитная лента

Прямого доступа:• Магнитные диски• Магнитный барабан• Флэш-память

УстройствоУстройство последовательногопоследовательногодоступадоступа

Магнитная лента

Маркерконцаленты

Маркерконца i-ойзаписи

Маркерначала i-ойзаписи

Маркерначалаленты

i-ая запись

УстройствоУстройство прямогопрямого доступадоступаМагнитные диски (hard disk)

штанга

сектор

Условныйцилиндр

головка

Операции, необходимые для начала чтения (позиционирование)1. Установка головки на требуемую дорожку2. Поворот для совмещения головки с началом сектора

УстройствоУстройство прямогопрямого доступадоступаМагнитный барабан

трексектор

головки

Операции, необходимые для начала чтения (позиционирование)1. Поворот для совмещения головки с началом сектора


УстройствоУстройство прямогопрямого доступадоступа

компьютерное запоминающееустройство с функциями жёсткогодиска, но без движущихсямеханических частейразновидность полупроводниковойтехнологии электрическиперепрограммируемой памяти(EEPROM).

Флэш-память (flash memory) - Твердотельный накопитель

обращение квнешнемуустройству

МоделиМодели синхронизациисинхронизации припри обменеобмене ссвнешнимивнешними устройствамиустройствамиСинхронная организация обмена

завершениеобмена с ВУ

выполнениепроцесса1

приостановка выполненияпрограммы, ожиданиезавершения обмена

завершение обработкипрерывания

обработкапрерывания

1 Примечание: процесс выполняется до возникновения следующего прерывания

Асинхронная организация обмена



ПотокиПотоки данныхданных ии управлениеуправлениевнешнимивнешними устройствамиустройствами

ЦП Внешнееустройство

ОЗУ

1. Непосредственное управление внешнимиустройствами центральным процессором

ОЗУ ЦП контроллер внеш-него устройства

Внешниеустройства

2. Синхронное управление внешними устройствами сиспользованием контроллеров внешних устройств

3. Асинхронное управление внешними устройствами сиспользованием контроллеров внешних устройств

ПотокиПотоки данныхданных ии управлениеуправлениевнешнимивнешними устройствамиустройствами

4. Использование контроллера прямого доступа кпамяти (DMA) при обмене.

5. Управление внешними устройствами сиспользованием процессора или каналаввода/вывода.

ОЗУВнешнееустройствоЦП

DMA контроллер+

контроллер илипроцессор

ввода/вывода

ЦП:

ИерархияИерархия устройствустройств храненияхраненияинформацииинформацииРОН

КЭШ L2

ОЗУ

ВЗУ прямого доступа с внутренней кэшбуферизации (оперативный доступ к данным)

ВЗУ прямого доступа без кэш буферизации(оперативный доступ к данным)

ВЗУ долговременного хранения данных(архивы, резервные копии...)

КЭШ L1

Увеличениеёмкости

Увеличениевременидоступа

Уменьшение

скорости

чтения

/записи

Увеличениевременихранения

инфо

рмации

ВиртуальнаяВиртуальная памятьпамять. . БазированиеБазирование

Исходный текстпрограммы Транслятор Объектный

модуль

Библиотека объектных модулей, редактор внешних связей

Исполняемыймодуль

Проблема – установление соответствия междупрограммной адресацией и физической памятью

В исполняемом модуле используется программная(логическая или виртуальная) адресация


Аппарат виртуальной памяти — аппаратные средствакомпьютера, обеспечивающие преобразование(установление соответствия) программных адресов, используемых в программе в адреса физической памяти, в которой размещена программа во время выполнения.

Базирование адресов — реализация одной из моделейаппарата виртуальной памяти.


Аисп.прог. (адрес в команде)

Базирование адресов — решение проблемыперемещаемости программы по ОЗУ.

Абсолютный адрес⇒ Аисп.

физ. = Аисп.прог.

Относительный (адресотносительно начала

программы) ⇒ Аисп.

физ. = Аисп.прог. + <Rбазы>


Базирование адресов — отображение виртуальногоадресного пространства программы в физическуюпамять «один в один».

Программное (виртуальное) адресное пространство

0

L -1Физическая память


ВиртуальнаяВиртуальная памятьпамять. . СтраничнаяСтраничнаяорганизацияорганизация памятипамяти

В случае, когда размер программыбольше доступной оперативной памяти, выручает страничная организациявиртуальной памяти с подкачкой (извнешней памяти в оперативную) нужной страницыНеобходимая вещь для многозадачныхи многопользовательскихоперационных систем


ВиртуальнаяВиртуальная памятьпамять. . СтраничнаяСтраничная организацияорганизация

памятипамяти (2)(2)Виртуальная память находится на диске. ОСWindows выделяет для нее место. Объем ееможно задавать. Обычно ее объем большеобъема ОЗУ. Механизм виртуальной памяти (аппаратно-программный) позволяет по мере необходимостиподгружать требуемую страницу (порцию) программы или данных в оперативную память, выгружая пока не нужную (замещение страницы).

ВиртуальнаяВиртуальная памятьпамять. . СтраничнаяСтраничнаяорганизацияорганизация памятипамяти ((33))

0-я страница

1-я страница

...

...

Страницы - блоки фиксированногоразмера. Размер страницы — 2k

номер страницы номер в странице

Количество страницограничено размеромполя «номер страницы»

k k-1 0Структура адреса

(Hardware)ГавриловА.В. НГТУ, кафедраПТМ 4 1801 г.–ТкацкийстанокЖозефаМариЖаккарана перфокартах 1822-1838 ...

Documents