Шпаргалка по предмету "Основы информатики"

4. Интерфейсная  система микропроцессора предназначена  для связи с другими устройствами  компьютера. Включает в себя:

внутренний интерфейс микропроцессора;

буферные запоминающие регистры;

схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. (Порт ввода-вывода — это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору , другое устройство.)

К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

 

 

 

 

 

 

 

4. Микропроцессор. Вычислительный процесс. Процессоры RISC и CISC.

Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков и выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Организация вычислительного процесса на ЭВМ включает следующие этапы:

подготовка входной информации;

вызов программы на исполнение;

ввод исходных данных согласно программы;

выполнение программы;

вывод результатов.

1. ЭВМ может  работать только по заданной  программе. Все запрограммированные  вычислительные и логические  операции выполняет процессор.

2. Программа  – это упорядоченный набор  инструкций (команд), в которых даются  предписания над какими данными выполнять ту или иную операцию и куда помещать результаты решения конкретной задачи.

3. Инструкции (команды) выполняются последовательно  одна за другой.

4. Программы, входные, а также промежуточные, выходные результаты хранятся  в специальной области памяти  ОЗУ (оперативно запоминающее устройство).

5. Затем Устройство  Управления подает сигнал о  необходимости чтения первой  команды. Содержимое команды расшифровывается  и УУ подает сигнал Арифметико - Логическому Устройству о необходимости выполнения действия над данными, помещенными в ОЗУ.

6. Выполняется  действие и результат помещается  в ОЗУ. Устройству управления  передается сигнал о завершении  выполнения команды и УУ переходит  к выполнению следующей команды. При необходимости ввода или  вывода информации подключается  устройство вывода.

7. Затем из  ОЗУ выбирается следующая команда, выполняется. Этот процесс продолжается  до окончания выполнения последней  команды.

Микропроцессоры типа 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.

Для CISC-процессоров характерно:

сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов;

большое количество методов адресации;

большое количество форматов команд различной разрядности;

преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

Организация первых моделей процессоров - i8086/8088 - была направлена, в частности, на сокращение объёма программ, критичного для систем того времени, отличавшихся малой оперативной памятью. Расширение спектра операций, реализуемых системой команд, позволило уменьшить размер программ, а также трудоёмкость их написания и отладки. Однако увеличение числа команд повысило трудоёмкость разработки их топологических и микропрограммных реализаций. Последнее проявилось в удлинении сроков разработки CISC-процессоров, а также в проявлении различных ошибок в их работе. Кроме того, нерегулярность потока команд ограничила развитие топологии временным параллелизмом обработки инструкций на конвейере “выборка команды- дешифрация команды- выборка данных- вычисление- запись результата”.

Эти недостатки обусловили необходимость разработки альтернативной архитектуры, нацеленной, прежде всего, на снижение нерегулярности потока команд уменьшением их общего количества. Это было реализовано в RISC-процессорах, название которых означает “чипы с сокращённой системой команд” (Reduced Instruction Set Computer).

Микропроцессоры типа RISC

Микропроцессоры с архитектурой RISC ( Reduced Instruction Set Computers ) используют сравнительно небольшой (сокращённый ) набор наиболее употребимых команд, определённый в результате статистического анализа большого числа программ для основных областей применения CISC (Complex Instruction Set Computer )- процессоров исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Арифметику RISC - процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту ( значит, и производительность ) компьютера; чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC - процессоры с самого начала ориентированны на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC - процессорах. Поэтому RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и высокопроизводительней, несмотря на больший объем программ, на ( 30 % ). Дейв Паттерсон и Карло Секуин сформулировали 4 основных принципа RISC :

1. Любая операция  должна выполняться за один  такт, вне зависимости от ее  типа.

2. Система  команд должна содержать минимальное  количество наиболее часто используемых  простейших инструкций одинаковой  длины.

3. Операции  обработки данных реализуются  только в формате “регистр - регистр“ (операнды выбираются из оперативных  регистров процессора, и результат  операции записывается также  в регистр; а обмен между оперативными  регистрами и памятью выполняется  только с помощью команд загрузки\записи ).

4.Состав системы команд должен  быть “ удобен “ для компиляции  операторов языков высокого уровня.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Архитектура IA-32. Режимы работы процессора.

Архитектура 32-разрядного микропроцессора

В 1985 году фирма Intel выпустила 32-разрядный микропроцессор, ставший родоначальником семейства IA-32. Развитие этого семейства прошло ряд этапов, среди которых можно выделить следующие: реализация блока обработки чисел с плавающей запятой непосредственно на кристалле МП (микропроцессор I486), введение MMX-технологии обработки данных с фиксированной точкой по принципу SIMD - singl instruction multi data (один поток команд - множество потоков данных) в микропроцессоре Pentium MMX и развитие этой технологии на числа с плавающей запятой (SSE - streaming SIMD Extention), появившееся впервые в МП Pentium III. Однако основные черты этой архитектуры вплоть до настоящего времени остаются неизменными. Архитектура 32-разрядного микропроцессора существенно отличается от архитектуры 16-разрядного. Некоторые из этих отличий чисто количественные, другие носят принципиальный характер. Главное внешнее отличие - увеличение разрядности шины данных и шины адреса до 32 бит. Это, в свою очередь, связано с изменениями в разрядности внутренних элементов микропроцессора и в механизме выполнения некоторых процессов, например, формирования физического адреса.Регистры блока обработки чисел с фиксированной точкой стали 32-разрядными. К каждому из них можно обращаться как к одному двойному слову (32 разряда). К младшим 16 разрядам этих регистров можно обращаться так же, как и в 16-разрядном микропроцессоре. В блоке сегментных регистров произошли как количественные, так и качественные изменения. К используемым в реальном режиме четырем регистрам CS, DS, SS и ES добавлены еще два: FS и GS. Хотя разрядность регистров этого блока осталась прежней (каждый по 16 бит), в формировании физического адреса оперативной памяти они используются по-другому. При работе микропроцессора в так называемом защищенном режиме они предназначаются для поиска дескриптора (описателя) сегмента в соответствующих системных таблицах, а уже в дескрипторе хранится базовый адрес и атрибуты сегмента. Формирование адреса в этом случае выполняет блок сегментации диспетчера памяти. Если помимо сегментов память разбита еще и на страницы, то окончательное вычисление физических адресов выполняет блок управления страницами. Начиная с микропроцессора I486, в состав кристалла микропроцессора входит блок обработки чисел с плавающей запятой, включающий в себя восемь 80-разрядных регистров для представления знаков, мантисс и порядков таких чисел. На кристалле микропроцессора располагается также внутренняя кэш-память, которая представляет собой особым образом организованную быстродействующую буферную память, предназначенную для хранения наиболее часто используемой информации (команд и данных). В различных моделях микропроцессоров объем кэш-памяти составляет от 8 Кбайт до 512 Кбайт. Микропроцессор на аппаратном уровне поддерживает мультипрограммный режим работы ЭВМ, то есть возможность иметь в памяти одновременно несколько готовых к выполнению программ, запуск которых осуществляется операционной системой в соответствии с алгоритмами ее функционирования либо в зависимости от особых ситуаций, складывающихся в работе внешних устройств.

С этой возможностью неразрывно связаны средства защиты памяти, которые обеспечивают контроль над неразрешенными взаимодействиями между отдельными программами. Они включают в себя защиту при управлении памятью и защиту по привилегиям. Режимы работы процессора архитектуры IA-32 Режим работы процессора определяет поведение, номенклатуру и свойства доступных ресурсов процессора. Перевод процессора из одного режима в другой осуществляется специальными программными и аппаратными методами. В рамках архитектуры IA-32 доступны следующие режимы работы процессора. Ж Режим реальных адресов, или просто реальный режим (real mode) - это режим, в котором работал i8086. Наличие его в i486 и Pentium обусловлено тем, что фирма Intel старается обеспечить в новых моделях процессоров возможность функционирования программ, разработанных для ранних моделей. Защищенный режим (protected mode) позволяет максимально реализовать все идеи, заложенные в процессорах архитектуры IA-32, начиная с i80286. Программы, разработанные для i8086 (реального режима), не могут функционировать в защищенном режиме. Одна из причин этого связана с особенностями формирования физического адреса в защищенном режиме. Режим виртуального процессора 8086 предназначен для организации многозадачной работы программ, разработанных для реального режима (процессора i8086), совместно с программами защищенного режима. Переход в этот режим (virtual 8086 mode) возможен, если процессор уже находится в защищенном режиме. Работа программ реального режима в режиме виртуального i8086в о з-можна благодаря тому, что процесс формирования физического адреса для них производится по правилам реального режима. Режим системного управления (System Management Mode, SMM) - это новый режим работы процессора, впервые появившийся в процессоре Pentium. Он обеспечивает операционную систему механизмом для выполнения машинно-зависимых функций, таких как перевод компьютера в режим пониженного энергопотребления или выполнения действий по защите системы. Процессор всегда начинает работу в реальном режиме. Режим управления системой (SMM, System Management Mode). Появление SMM было вызвано желанием обеспечить выполнение специфического для конкретной вычислительной платформы кода незаметно для любых «нормальных» программ, включая существующие операционные системы. Первоначально такой код был предназначен для управления электропитанием в обход ОС, в первую очередь MS DOS и Windows 3.x, которые ещё не имели соответствующих возможностей. В настоящее время SMM используется в стандартах управления конфигурированием и энергопитанием ACPI и более старом APM, а также для программной эмуляции устаревшего оборудования (например, клавиатуры и мыши PS/2). Режим IA-32e (IA-32e mode) фактически является копией режима AMD64, реализованного фирмой AMD в своих 64-разрядных процессорах. IA-32e поддерживается процессорами Intel с технологией EM64T, а также процессорами AMD, в которых он по-прежнему именуется AMD64. В режиме IA-32e можно выделить два подрежима:

собственно 64-разрядный режим (64-bit mode);

режим совместимости (compatibility mode), предназначенный для исполнения 32-разрядных программ, созданных для защищённого режима работы процессора.

Режим виртуального процессора 8086 в режиме IA-32e не поддерживается, что означает невозможность выполнения 16-разрядных программ в 64-разрядных операционных системах.

64-разрядный  режим имеет ряд существенных  отличий от привычного защищённого  режима, главными из которых являются  следующие:

расширение разрядности обрабатываемых данных и адресов с 32 до 64 бит;

удвоение количества регистров общего назначения;

отказ от сегментной организации памяти;

отказ от аппаратной поддержки многозадачности;

отказ от ряда команд, доступных для прикладных программ реального и защищённого режимов;

отсутствие прямой адресации операндов в памяти (для обращения к ячейке памяти обязательно использовать какой-либо базовый регистр из числа регистров общего назначения либо регистр RIP); возможность использования сегментных регистров FS и GS в качестве дополнительных базовых Режим совместимости (compatibility mode) является подрежимом режима IA-32e, предназначенным для выполнения 32-разрядных программ, написанных для защищённого режима, под управлением 64-разрядных операционных систем. В целом режим совместимости аналогичен защищённому режиму, однако не допускает исполнения программ, рассчитанных на режим виртуального процессора 8086 или пользующихся аппаратной многозадачностью. К унаследованным режимам относятся все режимы процессоров архитектуры IA-32, существовавшие до появления режима IA-32e (AMD64), а именно:

реальный режим;

защищённый режим;

режим виртуального процессора 8086;

режим управления системой.

Первые три режима поддерживаются исключительно ради совместимости с ранее разработанным программным обеспечением. Режим управления системой, хотя и используется для очень специфических целей, не может быть исключён до тех пор, пока существуют программы, работающие в других унаследованных режимах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Архитектура IA-32. Особенности представления информации.

Первую часть вопроса см. 5 вопрос

Способы представления информации

Любая информация, поступающая в ЭВМ, преобразуется в двоичный код. Это могут быть тексты, изображения, числа, звуки и т.д