Вопросы по «ЭВМ и вычислительные системы» (стр. 6 )

Организация запоминающей среды.

Hc –коэрцитивная сила необходимая для того, чтобы изменить намагниченность и превысить Hc. Процесс рассматривается на основе петли гистерезиса, которая имеет форму близкую к прямоугольнику. Запоминание двоичных кодов основано на наличии у сердечников двух устойчивых состояний остаточного намагничивания противоположных знаков (ферромагнетики). Остаточная намагниченность, соответствующая единице (+Br), соответствующая нулю (-Br). Запись единицы в сердечник происходит подачей тока, создающей поле +Hm превышающее коэрцитивную силу сердечника +Hc, при этом сердечник после снятия поля устанавливается в состояние +Br. Для записи нуля во входную обмотку подается импульс тока создающий поле - Hm, после снятия, которого сердечник перейдет в состояние - Br.

Полупроводниковые запоминающие устройства.

По сравнению с ферритовыми имеют ряд достоинств:

большее быстродействие; компактность; дешевизна;

совместимость по сигналу с логическими схемами.

Недостаток заключается в их энергозависимости.

По типу ЗУ делят на:

биполярные (на основе биполярных транзисторов, построенных на основе ТТЛ, ЭСЛ схемах);

МОП ЗУ (на основе МОП транзисторов).

В биполярных интегральных ЗУ в качестве ЗЭ используется статический триггер на двух многоэмиттерных транзисторах.

       

Эмиттеры 1.1,2.1 – являются парафазными информационными входами ЗЭ и служат для записи информации в триггер. Адресные эмиттеры 1.2,2.2,1.3,2.3 образуют два связных входа выборки.

0.4В ~0, 2.4B ~ 1, 1.5B ~ промежуточное состояние.

Состояния нуля и единицы распознаются по наличию тока в разрядной линии нуль (открыт Т1), или в разрядной линии единица (открыт Т2). В режиме хранения, когда ЗЭ не выбран, эмиттерный ток открытого транзистора замыкается на землю через адресные эмиттеры, адресные линии и адресные дешифраторы, находятся под потенциалами логического нуля. При этом информационные эмиттеры должны быть заперты, для чего на них подается 1,5В, которые больше потенциалов адресных эмиттеров. При выборке ЗЭ на его адресный эмиттеры с адресных дешифраторов подается логическая единица (напряжение 2,4В), превышающий потенциал информационного эмиттера. Поэтому информационные эмиттеры остаются запертыми, а коллекторный ток открытого транзистора течет в его информационный эмиттер, чем обеспечивает считывание из ЗЭ или запись в него.

Считывание происходит без разрушения хранимой информации в ЗЭ. При считывании на входы обоих усилителей записи подается логический ноль, в результате на их выходах оказывается потенциал логической единицы, запирающий усилители записи, тем самым, предотвращающий ответвления в них тока считывания (тока информационных эмиттеров). Для записи в ЗЭ нуля или единицы соответствующего усилителя записи с его выхода на подключенный информационный эмиттер подключается потенциал логического нуля, а на другой информационный эмиттер продолжает поступать, с его невозбужденного усилителя потенциал 1,5В. при записи единицы триггер, который перед этим находился в состоянии единицы (открыт Т2) подача потенциала низкого уровня на эмиттер 2.1 не меняет состояние триггера. Если находился в состоянии нуля до записи (открыт Т1), то при подаче потенциала низкого уровня откроется Т2, а Т1 закроется и триггер переходит в состояние единицы.

Интегральная микросхема биполярных ЗУ строится на основе кристалла кремния. В нем образуется массивы ЗЭ (т. е. триггеров с соответствующими соединениями, с адресными дешифраторами, усилителями формирования чтения, записи, схемы для управления выборкой). В настоящее время биполярные ЗУ дороже и, следовательно, используются в качестве СОЗУ. Для построения ОЗУ используются МОП транзисторы с быстродействием 10-100 нсек. Этот тип относится к динамическим МОП ЗУ.

Стековая память. ПЗУ

Стековая память реализует безадресное задание оператора и является эффективным элементом архитектуры. В такой памяти ячейки образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны разрядными цепями передачи слов. Запись нового слова производится в верхние ячейки, при этом все ранее записанные слова сдвигаются вниз в соседние ячейки с большим номерами. Считывание и запись возможны только из верхней ячейки, причем считывание сопровождается удалением. Считывание элементов производится с уменьшением индекса. Стек реализует правило «последний пришел, первым обслуживается». Иногда стековая память снабжается счетчиком, показывающим количество записанных слов. Чаще всего такая память организуется с использованием адресной памяти. Счетчик стека отсутствует, т. к. используется указатель стека.  Постоянно запоминающее устройство. В рабочем режиме допускает только считывание хранимой информации. В зависимости от типа ПЗУ, занесение информации в него производится или в процессе изготовления, или в эксплуатационных условиях (путем программ настройки). Во втором случае такие ПЗУ называют программируемыми. ПЗУ строят как адресное ЗУ. Функционирование можно рассматривать как выполнение однозначного преобразования k – разрядного адреса ячейки ЗМ в n – разрядный код хранящейся в ней информации. В соответствии со схемой функционирования ПЗУ можно считать преобразователем кодов или комбинационной схемой.

По сравнению с ОЗУ конструкция ПЗУ проще, выше быстродействие и надежней, стоимость ниже. В ПЗУ хранятся микропрограммы, программы запуска, тестирования и т. д. ЗМ образуется системой взаимно перпендикулярных линий, в пересечении которых устанавливаются ЗЭ, которые либо связывают (состояние единицы), либо не связывают (состояние нуля) между собой соответствующие адресные и разрядные линии. Дешифратор по коду адреса в РгА  выбирает одну из адресных линий, в который подается сигнал выборки. Сигнал «1» появляется на тех вертикальных линиях, которые имеют связь с возбужденной адресной линией, при этом происходит считывание кода в РгИ. В зависимости от связывающих элементов выделяют следующие виды ПЗУ:

резисторные; емкостные; индуктивные; полупроводниковые.

Наибольшее распространение получили последние. Достоинством полупроводниковых ПЗУ в том, что имеется возможность программирования их в условиях эксплуатации и многократного перепрограммирования. ПЗУ является энергонезависимой.

По типу ЗЭ принято выделять ПЗУ:

биполярные (время выборки ~30нсек., емкость одного кристалла~16кбит); МОП схемы.

По способу занесения информации ПЗУ бывает:

с программируемым в процессе изготовления путем нанесения при помощи фотошаблонов контактных перемычек; с программированием путем выжигания перемычек или пробоем p-n переходов (возможно выполнение пользователем); с электрическим программированием, при котором информация заносится в ЗЭ электрическим путем, а её стирание воздействием на ЗЭ ультрафиолетового излучения. Допускается многократное программирование.

Рассмотрим ПЗУ, которая представлена биполярным транзисторным ЗЭ с выжигаемой перемычкой, которая соединяет адресные и разрядные линии.

На базу транзистора поступает сигнал, который открывает Т и при наличии перемычки на разрядной линии У передается потенциал коллектора 5В.

Пропускная способность процессора и памяти

Рост производительности ЭВМ проявляется в повышении скорости, которая достигается за счет использования более новых быстродействующих электронных схем, специальных архитектурных решений, к которым относятся: конвейерная и веерная обработка информации связанной с работой ОП. Быстродействие ОП также растет, однако это быстродействие все время отстает от быстродействия П, потому что одновременно происходит рост её объема, что делает более трудным уменьшение времени цикла работы ОП. Без согласования пропускных способностей П и ОП невозможно реализовать производительность соответствующую быстродействию П. Для решения указанных проблем используются следующие структурные решения:

конвейеризация процедур цикла выполнения команды. Принцип ак. Глушкова; расслоение ОП путем многомодульного построения с веерной адресацией; буферизация (использование более быстродействующей, чем ОП буферной памяти).

Эта буферная память является структурным элементом процессора и включается между П и ОП. Такая память является скрытой для пользователя (или кэш - память), к ней нет возможности обращения и её обнаружения. Но присутствие её позволяет повысить быстродействие системы в целом. При обращении П к ОП для считывания, в кэш – память передается блок информации из ОП, содержащий нужное слово. Происходит опережающая выборка, т. к. высока вероятность того, что ближайшее обращения будут происходить к словам этого же блока, уже находящихся в кэш. Это приводит к уменьшению среднего времени, которое затрачивается на выбор данных. Эффективность кэш – памяти зависит от её емкости, размера блока, соотношения времени считывания слова из кэш и блока из ОП проявляется в уменьшении среднего времени, которое затрачивается на выборку данных и определяется выражением:

, где tкэш – время считывания слова из кэш; tоп. блок – время считывания блока из ОП;

kср – среднее число обращений к кэш между двумя последовательными обращениями к ОП.

По способу запоминания новой информации выделяют:

запоминание в кэш и ОП одновременно (всегда в ОП есть последняя копия хранящейся в кэш информации); запоминание только в кэш (копирование в ОП происходит только передачи к другим устройствам или вытеснении из кэш).

Организация систем ввода­вывода

В ЭВМ кроме П и памяти, которые образуют обрабатывающее ядро, содержится также разнообразные по выполняемым функциям и принципам действия ПУ, предназначенные для хранения значительных объемов информации (ВЗУ) и для осуществления функций ввода-вывода информации (УВВ). Передача информации из ПУ в ядро ЭВМ называется операцией ввода, а из ядра в ПУ – операцией вывода. Связь устройств между собой в ЭВМ осуществляется с помощью сопряжения, которое называется интерфейсом. Он представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенных для осуществления обмена между устройствами. Характеристики интерфейсов в значительной степени влияют на производительность и надежность ЭВМ.