Контрольная работа по дисциплине
«Информатика»
Содержание
Теоретическая часть
Вопрос №1. Аппаратное обеспечение.
Процессор.
- Аппаратное обеспечение.
К аппаратному обеспечению
вычислительных систем относятся устройства
и приборы, образующие аппаратную конфигурацию.
Современные компьютеры и вычислительные
комплексы имеют блочно-модульную конструкцию
— аппаратную конфигурацию, необходимую
для исполнения конкретных видов работ,
можно собирать из готовых узлов и блоков.
По способу расположения
устройств относительно центрального
процессорного устройства (ЦПУ — Central
Processing Unit, CPU) различают внутренние и внешние
устройства. Внешними, как правило, являются
большинство устройств ввода-вывода данных
(их также называют периферийными устройствами)
и некоторые устройства, предназначенные
для длительного хранения данных.
К внутренним устройствам
системного блока относится материнская
плата - основная плата персонального
компьютера. На ней размещаются:
- процессор — основная микросхема, выполняющая
большинство математических и логических операций;
- микропроцессорный комплект (чипсет) — набор микросхем, управляющих
работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской
платы;
- шины — наборы проводников, по которым
происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
- оперативная память (оперативное запоминающее устройство,
ОЗУ) — набор микросхем, предназначенных
для временного хранения данных, когда компьютер включен;
- ПЗУ (постоянное запоминающее
устройство) — микросхема, предназначенная для длительного хранения данных,
в том числе и когда компьютер выключен;
- разъемы для подключения дополнительных
устройств (слоты).
Процессор. Общая характеристика.
Процессор — основная микросхема
компьютера, в которой и производятся
все вычисления.
Рис. 1. Внешний вид процессора.
Процессор (микропроцессор,
центральный процессор (ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное
обрабатывающее устройство)) – функционально законченное
программно-управляемое устройство обработки
информации, выполненное в виде одной
или нескольких больших (БИС) или сверхбольших
(СБИС) интегральных схем.
Для процессоров на БИС или
СБИС характерны:
- простота производства (по единой
технологии);
- низкая стоимость (при массовом
производстве);
- малые габариты (пластина площадью
несколько квадратных сантиметров или
кубик со стороной несколько миллиметров);
- высокая надежность;
- малое потребление энергии.
Процессор выполняет следующие
функции:
- чтение и дешифрование команд
из основной памяти;
- чтение данных из ОП и регистров
адаптеров внешних устройств;
- прием и обработка запросов
и команд от адаптеров на обслуживание
ВУ;
- обработка данных и их запись
в ОП и регистрах адаптеров ВУ;
- выработка управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.
Типы процессоров
Все процессоры можно разделить
следующие группы:
- процессоры типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд;
- процессоры типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд;
- процессоры типа MISC (Minimum Instruction Set Computing) с минимальным набором команд и весьма высоким быстродействием;
- многоядерные процессоры
Структура процессора
Состав процессора может существенно
меняться в зависимости от конструктивных
особенностей, своего назначения и производителя.
Тем не менее, существуют элементы процессора,
которые присутствуют в подавляющем большинстве
современных универсальных процессоров.
Рассмотрим некоторые из них.
Процессор имеет сложную
структуру, реализованную в виде системы
электронных логических схем; в качестве основных его компонентов можно выделить: арифметико-логическое
устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), систему прерываний (СПр), устройство управления
общей шиной (УОШ) - системным интерфейсом и специальные
регистры.
УУ служит для управления работой всех
узлов МП посредством выработки и передачи
другим его компонентам управляющих и
синхронизирующих сигналов; система синхронизации
ПК базируется на кварцевом тактовом генераторе (ТГ). При включении ПК кварцевый ТГ, имеющий
строго определенные размеры, начинает
вибрировать с постоянной частотой, достигающей 100 МГц ,133 МГц, ...1,8ГГц, 2,8 ГГц и более. Каждое колебание
ТГ генерирует импульс напряжения, эти
регулярно повторяющиеся импульсы совместно
с другими сигналами управляющих схем
задают темп работы всех компонентов
системной платы и обеспечивают синхронное
срабатывание различных ее электронных
элементов. Для передачи синхронизирующих
и управляющих сигналов служит специальная шина управления (ШУ). УУ действует по заданной программе, т.е.
определяет по виду команды какую необходимо
выполнить операцию с какими операндами
и куда поместить результат, а за тем - где взять
следующую команду.
АЛУ предназначено для выполнения арифметических
и логических операций над данными и адресами памяти, хранящимися
в специальных регистрах и общего назначения;
регистры представляют собой сверхоперативную память, работающую со скоростью процессора.
АЛУ производит обработку цифровых информационных
потоков, в нем выполняются не только арифметические
операции такие как +, -, *, / и т.п., но и некоторые логические операции, а также АЛУ вырабатывает некоторые
управляющие сигналы, которые позволяют
машине в зависимости от результата операции
выбрать путь последующих действий.
Вся обрабатываемая и передаваемая информация
пересылается по шине данных (ШД), связывающей все основные узлы системной
платы, кроме ТГ. Система
прерываний (СПр) представляет собой систему (в основе которой лежит специальный
регистр, описывающий состояние МП), позволяющий прерывать работу МП практически в любой
момент для немедленной обработки некоторого
поступившего в данный момент запроса,
либо постановки его в очередь прерываний.
После обработки прерывания СПр обеспечивает
восстановление прерванного процесса
обработки с точки, непосредственно
следующей за точкой прерывания. Важным
компонентом процессора является Устройство
управления общей шиной - системным интерфейсом
(СИ), содержащим шины, управления, данных и адресации.
Основные параметры процессора.
Основными параметрами процессоров
являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая
тактовая частота, коэффициент внутреннего
умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти. Рабочее
напряжение процессора обеспечивает
материнская плата, поэтому разным маркам
процессоров соответствуют разные материнские
платы (их надо выбирать совместно). По-мере
развития процессорной техники происходит
постепенное понижение рабочего напряжения.
Ранние модели процессоров х86 имели рабочее
напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было
понижено до 3,3 В, а в настоящее время оно
составляет менее 2 В. Понижение рабочего
напряжения позволяет уменьшить расстояния
между структурными элементами в кристалле
процессора до десятитысячных долей миллиметра,
не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально
квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение
в процессоре, а это позволяет увеличивать
его производительность без угрозы перегрева.
Разрядность процессора показывает, сколько бит данных
он может принять и обработать в своих
регистрах за один раз (за один такт).
Первые процессоры х86 были 16-разрядными.
Начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядную
архитектуру. Современные процессоры
семейства Intel Pentium остаются
32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной
шиной данных (разрядность процессора
определяется не разрядностью шины данных,
а разрядностью командной шины). В ближайшем
будущем предполагается проникновение
64-разрядных процессоров на персональные
компьютеры.
В основе работы процессора
лежит тот же тактовый принцип, что и в
обычных часах. Исполнение каждой команды
занимает определенное количество тактов.
В настенных часах такты колебаний задает
маятник; в ручных механических часах
их задает пружинный маятник; в электронных
часах для этого есть колебательный контур,
задающий такты строго определенной частоты.
В персональном компьютере тактовые импульсы
задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный
комплект (чипсет), расположенный на
материнской плате. Чем выше частота тактов,
поступающих на процессор, тем больше
команд он может исполнить в единицу времени,
тем выше его производительность. Первые
процессоры х86 могли 3.3. Системы,
расположенные на материнской плате 83 работать с
частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты некоторых процессоров уже
превосходят 3 миллиарда тактов в секунду
(3 ГГц).
Тактовые сигналы процессор
получает от материнской платы, которая,
в отличие от процессора, представляет
собой не кристалл кремния, а большой набор
проводников и микросхем. По чисто физическим
причинам материнская плата не может работать
со столь высокими частотами, как процессор.
Сегодня базовая частота материнской
платы составляет 100-200 МГц. Для получения
более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение
частоты. Коэффициент внутреннего умножения
в современных процессорах может достигать
10-20 и выше. Обмен данными внутри процессора
происходит в несколько раз быстрее, чем
обмен с другими устройствами, например
с оперативной памятью.
Для того чтобы уменьшить количество
обращений к оперативной памяти, внутри
процессора создают буферную область
— так называемую кэш-память. Это
как бы сверхоперативная память. Когда
процессору нужны данные, он сначала обращается
в кэш-память, и только если там нужных
данных нет, происходит его обращение
в оперативную память. Принимая блок данных
из оперативной памяти, процессор заносит
его одновременно и в кэш-память. «Удачные»
обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш.
Процент попаданий тем выше, чем больше
размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные
процессоры комплектуют повышенным объемом
кэш-памяти. Нередко кэш-память распределяют
по нескольким уровням. Кэш первого уровня
выполняется в том же кристалле, что и
сам процессор, и имеет объем порядка десятков
Кбайт. Кэш второго уровня находится либо
в кристалле процессора, либо в том же
узле, что и процессор, хотя и исполняется
на отдельном кристалле. Кэш-память первого
и второго уровня работает на частоте,
согласованной с частотой ядра процессора.
Кэш-память третьего уровня выполняют
на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают
на материнской плате вблизи процессора.
Ее объемы могут достигать нескольких
Мбайт, но работает она на частоте материнской
платы.
Микропроцессорная
память.
Микропроцессорная память –
память небольшой емкости, но чрезвычайно
высокого быстродействия (время обращения
к МПП, т.е. время необходимое на поиск,
запись или считывание информации из этой
памяти, измеряется наносекундами – тысячными
долями микросекунды).
Она предназначена для кратковременного
хранения, записи и выдачи информации,
непосредственно в ближайшие такты работы
машины участвующей в вычислениях; МПП
используется для обеспечения высокого
быстродействия машины, ибо основная память не всегда
обеспечивает скорость записи, поиска
и считывания информации, необходимую
для эй работы быстродействующего микропроцессора.
Микропроцессорная память
состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее машинного
слова. Количество и разрядность регистров
в разных микропроцессорах различны: от 14 двухбайтных регистров у МП 8086 до нескольких десятков разной
длины у МП Pentium.
Регистры микропроцессора делятся на регистры общего
назначения и специальные.
Специальные
регистры применяются для хранения
различных адресов (адреса команды, например),
признаков результатов выполнения операций
и режимов работы ПК (регистр флагов, например)
и др.
Регистры общего назначения являются универсальными
и могут использоваться для хранения
любой информации, но некоторые из них
тоже должны быть обязательно задействованы
при выполнении ряда процедур.
Интерфейсная часть микропроцессора
Интерфейсная часть МП предназначена
для связи и согласования МП с системной
шиной ПК, а также для приема, предварительного
анализа команд выполняемой программы
и формирования полных адресов операндов
и команд.
Интерфейсная часть включает в свой состав
адресные регистры МПП, узел формирования
адреса, блок регистров команд, являющийся
буфером команд в МП, внутреннюю интерфейсную
шину МП и схемы управления шиной и портами
ввода-вывода.
Порты ввода-вывода — это пункты системного интерфейса
ПК, через которые МП, обмениваются информацией
с другими устройствами. Всего портов
у МП может 65536. Каждый порт имеет адрес
— номер порта, соответствующий адресу
ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода,
использующего этот порт, а не частью всё
памяти компьютера.
Порт устройства содержит аппаратуру
сопряжения и два регистра памяти – для
обмена данными и обмена управляющей информацией.
Некоторые внешние устройства используют
и основную память для хранения больших
объемов информации, подлежащей обмену.
Многие стандартные устройства (НЖМД,
НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор
и др.) имеют постоянно закрепленные за
ними порты ввода-вывода.