Модели выполнения команд процессором: последовательная, конвейерная и суперскалярная.

Прежде рассмотрим, из каких этапов состоит выполнение любой команды процессором.

Процедуру выполнения практически любой инструкции можно разбить на как минимум пять непересекающихся этапов:

- чтение из памяти (из программы извлекается инструкция, которую нужно выполнить);

- декодирование инструкции (процессор "соображает", что от него хотят, и переправляет запрос на нужное исполнительное устройство);

- подготовка исходных данных для выполнения инструкции;

- выполнение инструкции;

- сохранение полученных результатов.

На каждое из указанных действий дается 1 (один) такт.

Учитывая такую структуру инструкции, последовательную модель выполнения команд процессором можно представить в следующем виде:

Последовательное выполнение команд
Этап	Ч1	Д1	П1	В1	С1	Ч2	Д2	П2	В2	С2	…
Такт	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11

Конвейерная (или скалярная) модель выполнения команд процессором (для процессоров с одним естественным конвейером – процессоры Intel до 486 включительно):

Конвейерное выполнение команд
Устройство чтения	Ч1	Ч2	Ч3	Ч4	Ч5	Ч6	Ч7
Устройство декодирования		Д1	Д2	Д3	Д4	Д5	Д6	Д7
Устройство подготовки			П1	П2	П3	П4	П5	П6	П7
Устройство выполнения				В1	В2	В3	В4	В5	В6	В7
Устройство сохранения					С1	С2	С3	С4	С5	С6	С7
Такт	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11

Суперскалярная модель выполнения команд процессором (процессор имеет более одного конвейера, способных обрабатывать инструкции параллельно; Pentium является двухпотоковым процессором (имеет два конвейера), Pentium Pro – трехпотоковым):

Конвейерное выполнение команд
Устройство чтения	Ч1	Ч2	Ч3	Ч4	Ч5	Ч6	Ч7
Устройство декодирования		Д1	Д2	Д3	Д4	Д5	Д6	Д7
Устройство подготовки			П1	П2	П3	П4	П5	П6	П7
Устройство выполнения				В1	В2	В3	В4	В5	В6	В7
Устройство сохранения					С1	С2	С3	С4	С5	С6	С7
Устройство чтения	Ч1	Ч2	Ч3	Ч4	Ч5	Ч6	Ч7
Устройство декодирования		Д1	Д2	Д3	Д4	Д5	Д6	Д7
Устройство подготовки			П1	П2	П3	П4	П5	П6	П7
Устройство выполнения				В1	В2	В3	В4	В5	В6	В7
Устройство сохранения					С1	С2	С3	С4	С5	С6	С7
Такт	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11

Все микропроцессоры разделяются на группы по типам архитектур:

CISC (Complex Instruction Set Command) – архитектура вычислений с полной системой команд;

RISC (Reduced Instruction Set Command) – архитектура вычислений с усеченной системой команд;

VLIW (Very Length Instruction Word) – со сверхдлинным командным словом.

Архитектура CISC

Архитектура CISC появилась в 1978 году. Тогда процессоры представляли собой скалярные устройства (то есть могли в каждый момент времени выполнять только одну команду), при этом конвейеров практически не было [3, с.141].

Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex Instruction Set Computers — архитектура вычислений с полной системой команд) реализуют на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности, от простых, характерных для микропроцессора первого поколения, до очень сложных. Большинство современных процессоров для персональных компьютеров построено по архитектуре CISC.

Микропроцессор CISC использует набор машинных инструкций, полностью соответствующий набору команд языка ассемблера. Вычисления разного типа в нем могут выполняться различными командами, даже если они приводят к одному результату (например, умножение на два и сдвиг на один разряд влево). Такая архитектура обеспечивает разнообразные и мощные способы выполнения вычислительных операций на уровне машинных команд, но для выполнения каждой команды обычно требуется большое число тактов процессора.

ü Такая архитектура обеспечивает разнообразные и мощные способы выполнения вычислительных операций на уровне машинных команд, но для выполнения каждой команды обычно требуется большое число тактов процессора.

ü Большинство современных процессоров для персональных компьютеров построено по архитектуре CISC.

Архитектура RISC [3, с.140–141]

Микропроцессоры типа RISC содержат набор только элементарных команд, встречающихся в программах. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из элементарных. В этих микропроцессорах все элементарные команды имеют одинаковый размер, и на выполнение каждой из них тратится один машинный такт (на выполнение даже самой короткой команды из системы CISC тратится 4 такта). Микропроцессоры типа RISC характеризуются очень высоким быстродействием, но они программно не совместимы с CISC-процессорами: при выполнении программ, разработанных для ПК типа IBM PC, они могут лишь эмулировать (моделировать, имитировать) микропроцессоры типа CISC на программном уровне, что приводит к резкому уменьшению их эффективной производительности.

ü Микропроцессоры типа RISC содержат набор только элементарных команд, встречающихся в программах.

ü При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из элементарных.

ü В этих микропроцессорах все элементарные команды имеют одинаковый размер, и на выполнение каждой из них тратится один машинный такт (на выполнение даже самой короткой команды из системы CISC тратится 4 такта).

Архитектура VLIW

Это новый и весьма перспективный тип микропроцессоров.

Программисты доступа к внутренним VLIW-командам не имеют: все программы (даже операционная система) работают поверх специального низкоуровневого программного обеспечения (Code Morphing), которое ответственно за трансляцию команд CISC-микропроцессоров в команды VLIW. Микропроцессоры типа VLIW вместо сложной схемной логики, обеспечивающей в современных суперскалярных микропроцессорах параллельное исполнение команд, опираются на программное обеспечение. Упрощение аппаратуры позволило уменьшить габариты микропроцессоров и потребление энергии (эти микропроцессоры иногда называют «холодными»).

ü В архитектуре VLIW выделены компоненты командного слова, управляющие отдельными блоками микропроцессора.

ü Распараллеливание работы отдельными блоками возлагается на компилятор, который должен сгенерировать машинные команды, содержащие явные указания на одновременное исполнение операций в разных блоках.

Семейства процессоров.

Информацию о семействах процессоров можно получить из источника [3, с.123–141].

Память ПК. Внутренняя память: оперативная, постоянная, полупостоянная, кэш-память. Внешняя память: виды носителей информации и их характеристики. Логическая структура диска. Физическая организация данных на машинных носителях.

[3, с.187]:

ПК имеют три основных уровня памяти:

- микропроцессорная память;

- основная память;

- внешняя память,

а также:

- промежуточная буферная (или кэш-память);

- локальная (собственная) память отдельных устройств ПК.

[1, с.23-27; 3, с.114–115]:

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины.

Основная память содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

К ПЗУ относятся энергонезависимые постоянные и «полупостоянные» запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать информацию. Программируются они либо только при изготовлении, либо в лабораторных условиях, либо при наличии специального программатора на компьютере (перепрограммируемые многократно, к ним относится и такое «полупостоянное» запоминающее устройство как флэш-память, которая устанавливается в разъемы материнской платы и имеет емкость до 512 Мбайт) [3, с.201].

Кэш-память (от англ. Cache – тайник) – недоступная для пользователя высокоскоростная статическая память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между основной памятью и микропроцессором, позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Кэш-память хранит копии данных из оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы – быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие компьютера. Однако у современных ПК повышение производительности прекращается, как только объем кэш-памяти достигает 1 Мбайт.

Динамическая память имеет большее время срабатывания, больший объем и меньшее энергопотребление. Статическая память имеет более высокое быстродействие (малое время срабатывания), малый объем и высокое энергопотребление.

Энергонезависимая память CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM) находится на системной плате ПК, постоянно питается от своего аккумулятора, хранит информацию об аппаратной конфигурации ПК (обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы [3, с.115].

«Внешняя память – используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера.

Внешняя память представлена разнообразными видами запоминающих устройств.

Но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Накопители на жестких магнитных дисках – винчестеры.

Накопители на гибких магнитных дисках – накопители на флоппи-дисках или дискетах.

Различаются НЖМД и НГМД конструктивно, объемами хранимой информации и временем ее поиска, записи, считывания.

В качестве устройств внешней памяти используются также:

- накопители на оптических дисках (CD ROM – Compact Disk Read Only Memory; CD RW – компакт-диски с однократной записью, CD R – компакт-диски перезаписываемые; DVD, DVD RW, DVD R – Digital Versatile Disk – ROM, неперезаписываемые, перезаписываемые, с однократной записью соответственно);

- устройства флэш-памяти (или флэш-диски, твердотельные диски);

- и реже – запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (НКМЛ, стримеры)» [3, с.115].

Более подробное описание накопителей на магнитных и оптических дисках приведены в источнике [3, с.219–249].

Характеристики внешних устройств:

- емкость (Мбайт);

- время доступа (средний временной интервал, в течение которого накопитель находит требуемые данные, измеряется в мс – миллисекундах);

- трансфер (скорость передачи данных при последовательном чтении, измеряется в Кбайт/с);

- диаметр (иначе – форм-фактор, измеряется в дюймах).

Организация данных на внешних носителях бывает:

1. Логическая – описывает взаимные связи между данными и способы доступа к ним.

Каталог.

Корневой каталог.

Пустой каталог.

Правила формирования файловой структуры:

ü Файл или каталог может входить с одним и тем же именем в один и тот же каталог только один раз;

ü Допускается вхождение в различные каталоги файлов и каталогов с одинаковыми именами;

ü На порядок следования файлов и подкаталогов в каталоге никаких ограничений не накладывается;

ü Глубина вложенности каталогов не ограничивается.

Для обращения к файлу операционной системе требуется следующая информация о нем:

ü Диск, на котором размещен файл. Текущим диском называется диск, с которым работает ОС в настоящий момент;

ü Каталог, в котором размещен файл;

ü Полное имя файла.

То есть необходимо указать путь к файлу – каталог или последовательность каталогов, которые необходимо пройти по дереву каталогов к тому каталогу, в котором находится файл.

2. Физическая – определяет правила размещения данных на внешних носителях. Она напрямую связана с логической структурой магнитного диска.

Ознакомимся с логической структурой диска.

Логическая структура магнитного диска [3, с.210–211]:

Адресация информации на диске:

На каждом диске выделены две области: системная область и область данных.

Системная область состоит из трех частей:

1. Самый первой сектор диска, главная загрузочная запись, в которой описана конфигурация диска: какой логический раздел диска является системным, сколько разделов на этом диске и каков их объем.

2. Таблица размещения файлов, в которой содержится код формата и полная карта принадлежности секторов файлам.

3. Корневой каталог диска – список файлов и/или подкаталогов с их параметрами.

(В системах FAT) для каждого файла в корневом каталоге указывается номер его начального кластера, а в этом начальном и следующих кластерах в таблицах размещения файлов указываются, соответственно, следующие кластеры файла, и так до последнего, где указан код содержания последней части файла. Когда файл на диске удаляется, все его кластеры маркируются как свободные, но сами данные файла не удаляются (затираются только после записи на их место других, новых данных) – то есть удаленные файлы можно восстановить (например, с помощью сервисной программы Unrease в пакете утилит Norton Utilities).

Область данных содержит подкаталоги и сами данные.

«Файл», их виды и организация [3, с.211–221].

Файловая система – совокупность программ, обеспечивающая выполнение операций над файлами.

Файлы могут создаваться в двух форматах:

1) Двоичный файл, состоящий из последовательности байтов. Хранит исполняемые программы и данные в кодовом, двоичном представлении. При выводе такого файла на дисплей или принтер прочесть его невозможно, так как двоичные коды переводятся в произвольные графические символы, звуковые сигналы или вообще не воспринимаются, если данный код не имеет графического представления и никак на устройство не действует.

2) Текстовый файл, состоящий из последовательности строк переменной длины, каждая из которых является логической записью файла. Такой файл непосредственно воспринимается человеком на экране или при выводе на печать через принтер. Текстовый файл может содержать текст программы на алгоритмическом языке, таблицу, исходные данные и т.д.

Файл характеризуется:

- полным именем;

- атрибутами (характеристиками) файла;

- датой создания файла;

-временем создания файла;

- длиной файла.

Полное имя файла состоит, как правило, из двух частей:

- идентифицирующей – имени файла.

- классифицирующей – расширения, определяющего тип файла.

Атрибуты файла – признак классификации файла, который определяет способ его использования, права доступа к нему и т.д., например:

- R (Read only);

- H (Hidden);

- S (System;

- A (Archive).

Файловая система поддерживает следующие типы доступа к файлам:

- последовательный метод доступа (записи считываются подряд, строго в порядке их расположения в файле);

- прямой (непосредственный) метод доступа (непосредственное обращение к записи по ее номеру в файле).

2.6. Устройства ввода/вывода и их подключение к компьютеру; контроллеры, порты, шины (рассмотрены в вопросе «Структурная схема ПК»); виды и стандарты системных шин (самостоятельное изучение).

Вопросы для самостоятельного изучения:

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 866; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!