1. Архитектурные принципы построения ЗВМ. Классификация ЭВМ, процессоров.
1. Принцип программного управления позволяет автоматизировать процесс вычисления.
2. Принцип хранения программы во внутренней памяти, автоматизирует управление вычислительным процессом.
ЭВМ: ЦПУ, ОП, Устройства I/O, периферия
Варианты организации ЭВМ:
1.
I/O CPU RAM
Все функции управления лежат на CPU. CPU - разделяемый ресурс.
 |
2. CPU SYS BUS
RAM I/O …
Процессор берет на себя функции управлением I/O; SYS BUS – РАЗДЕЛЯЕМЫЙ РЕСУРС
3. 2
CPU СОПРОЦЕССОР
I/O
1 3
RAM
I/O
1,2,3 интерфейсы; разделяемый ресурс RAM.
Для разделяемого ресурса, нужен арбитр который будет выбирать устройство.
Основной принцип – медленному устройству наивысший приоритет.
Может еще быть внутренняя сверхоперативная память(cashe)
|
 |
ОУ ALU + набор регистров (конвейер)
 |
УУ либо конечный автомат, либо МУУ
 |  |
1. ОУ одно многофункциональное ОУ
СУМ/ВЫЧ адр-ое ОУ
2. ОУ конвейер
 |  | |
УМН/ДЕЛ + - * / Float
Данные с фиксир. point точкой
RISC – все команды обработки данных RG-RG
CISC – компьютеры ориентированные на обработку данных хранимых в RAM.
В RISC должен быть RGF (РОН) архитектура плотно связана с внутренней архитектурой CPU.
1. Правило 80/20: 80% кода программы исп-ет всего 20% команд системы «Рег-Рег» => можно сделать набор простых команд
2. Требование: любая операция должна выполняться за 1 такт
Микропроцессор Intel – CISC планируется разработка 64-разрядных процессоров;
За 1 такт должен сформироваться полноразрядный результат (64).
У AMD CPU внутри своя система команд, направленная на выполнение RISC-процедур. Для RISC характерно наличие большого кол-ва регистров (от десятков до сотен). Классификация ЭВМ (по области применения):
- ПК – на основе БИС, СБИС. Появились в результате эволюции миникомпьютеров
- Миникомпьютеры – прароди– разрядных машин (рабочие станции). Более мощные чем ПК.
- Х-терминалы – комбинация бездисковых рабочих станций и стандартных ASCII-терминалов. Промежуточное положение между ПК и рабочими станциями. Используется в сети.
- Серверы – прикладные многопользовательские системы., включают системы управления базами данных, сетевые приложения и системы обслуживания коммуникаций и многое другое. -Мейнфреймы – наиболее мощные (не считая суперкомпьютеров) вычислительные системы общего назначения, обеспечивающие непрерывный круглосуточный режим эксплуатации (многопроцессорные системы).
2. Основные характеристики ЭВМ.
Важнейшими эксплуатационными характеристиками ЭВМ являются ее производительность Р и общий коэффициент эффективности машины:
Э=Р/(Сэвм + Сэкс), где
Сэвм – стоимость машины
Сэкс – затраты на ее эксплуатацию за определенный период времени.
Оценка производительности – сложная проблема. В настоящее время Р ЭВМ общего назначения оценивается упрощенно по скоростным выполнения некоторых смесей команд.
Производительность – среднее кол-во команд выполняемых в единицу времени. Зависит от быстродействия и режима работы (одно - многопрограммный) + от состава номенклатуры оборудования. Также влияет и качество ОС.
V
S2 S S1/2 производительность от кол-ва оборудования
 |
S
Для оценки производительности ЭВМ вводят весовые коэффициенты отдельных видов команд.
Сложение и вычитание с фиксир. запятой – 33
Умножение – 0,6
Деление – 0,2
Сложение и вычитание с плав. запятой – 7,3
Умножение – 4,0
Деление – 1,6
К более частным характеристикам относятся:
- Операционные ресурсы – то, что может делать ЭВМ: системные команды (перечень команд, определяющих номенклатуру вып. Операций + способы адресации) и способы представления информации.
- Емкость памяти
- Быстродействие (скорость работы ЭВМ зависит от тактовой частоты, либо от алгоритмов. Тактовая частота – время выполнения одной операции.)
- Надежность (достоверность полученного результата)
- Стоимость
3. Классификация, функции устройств управления.
УУ – устройство, которое формирует сигналы для всех устройств ЭВМ.
Под управляющим сигналом понимается просто функциональный сигнал.
В CPU основная единица управления информацией является команда.
 |
КОП Адрес
Способ адресации иногда явно задается в адресном поле, иногда формат команды спрятан в КОП.
Этапы управления:
1. чтение команды и хранение
2. дешифрация команды
3. формирование адреса следующей команды
4. чтение операндов
5. исполнение
6. запись результата
7. формирование следующего адреса
цикл – время выполнения операции
такт - время выполнения микрооперации
Классификация УУ:
1. синхронные – длительность цикла постоянна
2. синхронно - асинхронные – длительность цикла переменная, длительность такта постоянная.
3. Асинхронные – переменная длительность цикла и такта.
Различают следующие виды управления:
1. централизованное
3. смешанное (после каждой ступени конвейера свое МУУ, которое управляется центральным УУ)
С точки зрения методов используемых для формирования функциональных сигналов, выделяют:
1. Схемно-логическое. Последовательность формирования функциональных сигналов задается схемой соединенных элементов.
2. Микропрограммное. Правила формирования функциональных сигналов хранятся в памяти УУ.
Схемно-логические УУ быстрее микропрограммных и более удобны с точки зрения проектирования и производства.
По кол-ву адресов (ОП) в команде:
- 
0
- 
1
- 2 адресные машины КОП S1 S2
- 3
- 4х двухадресная
CISC структура – 3х адресная
4ый адрес – адрес слова команды
RISC – 1но адресная
Напрямую можно адресовать маленькую ОП, либо использовать переменную длину команды
4. Структуры команд ЭВМ. Адресность ЭВМ. Место адресного сопроцессора в структуре ЭВМ.
Команды традиционного машинного уровня можно разделить на несколько типов
1. Арифметические и логические. Целочисленные арифметические и логические операции: сложение, вычитание, логическое сложение, логическое умножение и т. д.
2. Пересылки данных. Операции загрузки/записи.
3. Управление потоком команд. Безусловные и условные переходы, вызовы процедур и возвраты.
4. Системные операции. Системные вызовы, команды управления виртуальной памятью и т. д.
5. Операции с плавающей точкой. Операции сложения, вычитания, умножения и деления над вещественными числами.
6. Десятичные операции. Десятичное сложение, умножение, преобразование форматов и т. д.
7. Операции над строками. Пересылки, сравнения и поиск строк
Этапы исполнения команд:
1. чтение команды
2. декодировка
3. формирование адреса операнда
4. чтение операнда
5. исполнение
6. формирование адреса результата
7. запись результата
Машину называют адресной, если в системе имеются адресные команды, если таковых нет, то машина называется безадресной.
Основные виды адресации:
Метод адресации | Пример команды | Смысл команды метода | Использование |
Регистровая | Add R4,R3 | R4<--R4+R3 | Требуемое значение в регистре |
Непосредственная или литеральная | Add R4,#3 | R4<--R4+3 | Для задания констант |
Базовая со смещением | Add R4,100(R1) | R4<--R4+M[100+R1] | Для обращения к локальным переменным |
Косвенная регистровая | Add R4,(R1) | R4<--R4+M[R1] | Для обращения по указателю или вычисленному адресу |
Индексная | Add R3,(R1+R2) | R3<--R3+M[R1+R2] | Иногда полезна при работе с массивами: R1 - база, R3 – индекс |
Прямая или абсолютная | Add R1,(1000) | R1<--R1+M[1000] | Иногда полезна для обращения к статическим данным |
Косвенная | Add R1,@(R3) | R1<--R1+M[M[R3]] | Если R3-адрес указателя p, то выбирается значение по этому указателю |
Автоинкрементная | Add R1,(R2)+ | R2<--R2-d R1<--R1+M[R2] | R1<--R1+M[R2] Аналогична предыдущей. Обе могут использоваться для реализации стека |
Базовая индексная со смещением и масштабированием | Add R1,100(R2)[R3] | R1<--R1+M[100]+R2+R3*d | Для индексации массивов |
5. Этапы исполнения команд; рабочий цикл процессора. Конвейер команд.
Этапы исполнения команд:
1. чтение команды
2. декодировка
3. формирование адреса операнда
4. чтение операнда
5. исполнение
6. формирование адреса результата
7. запись результата
Функционирование процессора в основном состоит из повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует выполнению одной команды программы. Завершив рабочий цикл текущей программы, процессор переходит к выполнению рабочего цикла для сл. команды программы.
Рабочий цикл начинается с распознавания состояния процессора: счет или ожидание. Далее проверяется наличие незамаскированных прерываний. В состоянии ожидания никакие программы не выполняются, процессор ждет запроса прерывания, после которого переходит в состояние счет.
В состоянии счет при наличии незамаскированных прерываний происходит выход из нормального рабочего цикла и переход к процедуре обработки запросов прерывания
При отсутствии в состоянии счет незамаскированных прерываний последовательно выполняются этапы рабочего цикла: выборка очередной команды и определение по коду операции команды ее группы, подготовка операндов, обработка операндов в АЛУ и запоминание результата.
На этапе выборки очередной команды образуется (по порядку) адрес следующей команды, при этом содержимое счетчика команд увеличивается на число байт в очередной команде.
В процессе выполнения операции, заданной командой, формируется признак результата операции, используемый командами условного перехода при организации ветвлений.
При выполнении команд передачи управления проверяется заданное командой условие. Если оно не выполняется, то следующую команду указывает продвинутый адрес, ранее установленный в регистре слова состояния программы. Если условие выполняется или имеется один из вариантов безусловного перехода то адрес передается от (регистр ССП).
Команды в/в инициируют в канале операцию обмена инф-ией м/у ядром ЭВМ и ПУ. Процессор выполняет лишь операцию опроса устройств: если они свободны, то проц. выдает в канал инф-ию., необходимую для начала операции в/в. В противном случае процессор переключается в состояние ожидания и ждет сигнала прерывания от этого канала. Системные команды осуществляют переключение состояния процессора путем загрузки нового ССП.
Конвейер команд – это совмещение во времени отдельных операций (этапов) рабочего цикла.
Классический вариант исполнения — последовательный. В этом случае используется конвейерный способ исполнения команд. Для последовательного способа характерна следующая структура:
Чтобы создать конвейер, ФБ нужно разбить на несколько независимых. Каждый ФБ должен иметь собственное УУ и должно существовать одно центральное.
Можно поставить между блоками дополнительные буферные регистры, это позволит сгладить неравномерность поступления команд по времени. Лучшим выходом будет, если буферный регистр заменить последовательностью регистров, образующих стек типа FIFO.
Конвейер:
см. этапы команд.
ž - конфликт, т. к. необходимо прочитать 2 слова из ОП одновременно.
Å - конфликт, т. к. в АЛУ необходимо выполнить, 2 операции одновременно. Если бы было два ФБ, то конфликта бы не было.
Причины возникновения конфликтов – разное время, на выполнения различных команд. Чем меньше степень разбиения, тем больше конфликтов конвейера. Сколько уровней конвейера, столько команд может выполняться одновременно.
ФБ должен транслировать данные со входа на выход. При NOP – на выход ничего не подается.
Факторы, снижающие производительность конвейера:
1. Когда для вычисления следующей операции требуется результат предыдущей.
2. При ветвлении
3. При прерываниях и переключениях программы.
4. Различное время использования различных этапов и команд.
6. Схемно-логические устройства управления, принципы построения.
В данном случае для каждой операции, задаваемой кодом операции команды, строится набор комбинационных схем, которые в нужных тактах возбуждают соответствующие управляющие сигналы. Правило формирования упр сигналов хранятся в спец памяти (микропрограммной). Схемно-логические УУ быстрее микропрограммных и более выгодны при построении специализированных устройств, выполняющих несколько алгоритмов.
Есть УУ с «жесткой» логикой и УУ на ПМЛ (програм лог матрицы).
В состав первой входят регистр кода операции, являющийся частью РгК, счетчик тактов, DC тактов и DC кода операций, а так же логические схемы образования упр сигналов.
1
Регистр кода DC кода Логическая схема Формирователи
операций операций t образования функциональных
функциональных сигналов
Счетчик DC такт 1 сигналов
тактов тактов
такт n
блок синхронизации
Структура УУ
Фрагмент схемы образования
упр сигналов
 |
Так же возможно введение оповещающих сигналов, отражающих код вычислительного процесса. Для этого в качестве лог элементов берутся многовходовые и на них заводятся требуемые сигналы.
Недостаток: одинаковое число тактов для всех команд, что ведет к выравниванию всех тактов по самому длинному. Для устранения недостатка используются схемы с несколькими счетчиками тактов. Построение управляющих автоматов жесткой логики выполняется на основе интерпретации микропрограмм автомата.
Работу ОБ можно описать микропрограммой на языке микроопераций или в виде графа. По полученной микропрограмме строится соответствующий автомат типа Мура или Мили.
7. Структура, функционирование микропрограммных устройств управления. Виды микропрограммного управления (МПУ) и их сравнительная оценка.
В МУУ каждой выполняемой операции ставится в соответствие совокупность хранимых в памяти слов микрокоманд, содержащих информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в течение одного машинного такта и указания для выбора следующего слова.
Структура МУУ.
DB
 |
RGCom
 |
ПНА ПНА – преобразователь информационного (начального) адреса
микропрограммы
Признак
состояния
SEQ
MUX сс СР
 |
|
МПП
 |
СР
RGMK
 |  |
 |  |
Синхросигнал CP определяет такты работы УУ. Принцип работы: пусть в такте i-1 в RG Com записана очередная команда. В следующем такте происходит выбор этой команде из RG Com и получение адреса очередной МК из ПНА. В следующем i+1 такте происходит выбор микрокоманды из МПП и занесение МК в RG МК.
Виды МПУ:
Горизонтальное, вертикальное и смешанное.
Горизонтальное микропрограммирование – каждому разряду операционной части МК ставится в соответствие определенная микрооперация. Если в разряде «1» , то соответствующая микрооперация выполняется независимо от значения других разрядов. При таком способе операционная часть микрокоманды содержит m разрядов, m – общее число микроопераций.
Достоинство: возможность одновременно выполнять в одном такте любой набор из m микроопераций;
Простота формирования функциональных сигналов.
Недостатки: большая длина микрокоманды.
Вертикальное – МО определяется не состоянием одного из разрядов МК, а двоичным кодом, содержащимся в операционной части МК, при этом отдельный код задает отсутствие МО; число разрядов ОЧ (опер части) Nоч=log(m+1).
Достоинство: небольшая длина МК.
Недостатки: нужны сложные DC, на большое число МО, в каждой МК указывается лишь одна МО.
Смешанная – множество МО V разбивается на n подмножеств (полей). МО внутри каждого подмножества кодируются либо горизонтальным, либо вертикальным способом. Например, внутрь группы помещают несовместимые МО, а между группами совместимые. В таком случае внутри группы вертикальное кодирование, между группами горизонтальное.
Золотая середина.
8. Структуры микрокоманд. Проектирование операционного поля микрокоманд.
Для общего случая:
КОП | Адр часть | Длительность |
КОП задает правило формирования функциональных сигналов для всех устройств, кроме SEQ и блока синхронизации;
Адр. Часть – правило формирования следующего МК;
Длительность – для управления блоком синхронизации (асинхронные)
В конкретном случае некоторые поля могут отсутствовать
- Длительность (синхронные)
- только КОП
- только адр часть
Различают 4 вида формирования МК-КОП:
1) горизонтальный, 2) вертикальный, 3) смешанный, 4) двухуровневый
Основные затраты оборудования зависят МПП:
1. Кол-во оборудования (емкость)
2. Производительность (задать одновременное выполнение нескольких элементарных действий)
3. Быстродействие (совместимые и несовместимые операции)
- Алгоритмические – функционально совместимые, но алгоритмически одновременно их выполнять не надо;
- Функциональные – такие которые одновременно выполнять нельзя (запись и сброс RG)
Горизонтальный – каждому управляющему сигналу ставится в соответствие один разряд МК
1. (-) Большая разрядность МПП
2. (+) Max производительность. Одна МК задает сразу большое выполнение элементарных действий
Вертикальный если всего 250 МК, то достаточно 8 разрядов КОП
1. (+) МК короткая
2. (-) минимальная производительность (1 элементарное действие)
3. (-) низкое быстродействие
Смешанный – все множество делится на группы. Внутрь группы помещают несовместимые МО, а между группами совместимые. В таком случае внутри группы вертикальное кодирование, м/у группами горизонтальное.
1. Золотая середина
2. Не хуже, чем горизонтальное.
3. Чуть хуже, чем вертикальное
Алгоритмы распределения МК по полям:
- Метод прямого включения (разрядность <100)
- Метод нахождения мах совместимых подмножеств (Загревского) >100
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
