Структурный анализ микропроцессорной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Структурный анализ ЭВМ на базе микропроцессоров

2. Анализ структуры современного микропроцессора

3. Форматы команд и способы адресации

4. Работа процессора в реальном режиме

5. Операционная система NetWare

6. Структура современной многоропроцессорной системы

7. Оценка производительности современной многопроцессорной системы

Список литературы

Введение

Когда наш предок впервые взял палку, чтобы сбить плод с дерева, он удлинил свою руку. Когда человек придумал рычаг, чтобы сдвинуть тяжелый камень, он увеличил свою физическую силу. Подзорная труба увеличила зоркость человека, а велосипед увеличил его скорость. Но человек на этом не остановился. Рычаг сменил мощный подъемный кран, подзорную трубу заменил телескоп, на смену велосипеду пришел автомобиль. Появились самолеты, ракеты, телевидение.

Чтобы создавать, приходилось считать. Считать все больше и больше. Тогда человек придумал компьютер. Правда, прежде чем его придумать, человек изобрел множество более простых устройств, облегчающих вычисление. И если все предыдущие изобретения увеличивали нашу физическую силу, быстроту, силу зрения, то компьютер увеличил наши умственные возможности. эвм процессор сервер

ЭВМ прочно вошли в нашу производственную деятельность, и в настоящее время нет необходимости доказывать целесообразность использования вычислительной техники в системах управления технологическими процессами, проектирования, научных исследований, административного управления, в учебном процессе, банковских расчетах, здравоохранении, сфере обслуживания и т.д.

При этом последние годы как за рубежом, так и в нашей стране характеризуются резким увеличением производства мини- и микро-ЭВМ (персональные ЭВМ).

На основе мини и персональных ЭВМ можно строить локальные сети ЭВМ, что позволяет решать сложные задачи по управлению производством.

Исследования показали, что из всей информации, образующейся в организации, 60-80% используется непосредственно в этой же организации, циркулируя между подразделениями и сотрудниками, и только оставшаяся часть в обобщенном виде поступает в министерства и ведомства. Это значит, что средства вычислительной техники, рассредоточенные по подразделениям и рабочим местам, должны функционировать в едином процессе, а сотрудникам организации должна быть поставлена возможность общения с помощью абонентских средств между собой, с единым или распределенным банком данных. Одновременно должна быть обеспечена высокая эффективность использования вычислительной техники.

Решению этой задачи в значительной степени способствовало появление микроэлектронных средств средней и большой степени интеграции, персональных ЭВМ, оборудования со встроенными микропроцессорами.

Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом" является микропроцессор. Микропроцессор - это электронная схема, выполняющая все функции обработки информации и управление всеми блоками ЭВМ. Конструктивно представляет собой один кристалл 4-6 см².

Также в компьютере важную роль играет запоминающее устройство. Запоминающее устройство - это блок ЭВМ, предназначенный для временного (оперативная память) и продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных результатов.

Виды ЗПУ:

1. ОЗУ (оперативная память) - это быстро действующее запоминающее устройство, сравнительно небольшого объема, в котором хранится выполняемая в текущий момент программа и ее данные.

2. Кэш память - это сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов.

3. ПЗУ (постоянная память) - это память предназначена для хранения системных и вспомогательных программ (Bios), она энергонезависима, но скорость обмена данными в подавляющем большинстве случаев, значительно меньше.

Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема (контроллер или адаптер), которая им управляет. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемой шиной.

Шина - системная плата, обеспечивающая ввод-вывод информации. Характеристикой шины является скорость обмена. Основные типы шин (расположены в порядке улучшения характеристик): ISA, EISA, VESA, PCI, AGP. Разъёмы - "слоты" стандарта PCI, родился он около 10 лет назад и сегодня является основным стандартом слотов для подключения дополнительных устройств.

Разъёмы PCI - обычно самые короткие, белого цвета, разделенные своеобразной "перемычкой" на две неравные части. Ранее в слот PCI устанавливалась и видеокарта, теперь для этой цели служит разъем AGP (Advanced Graphic Port). Это специальный, более быстрый с точки зрения пропускной способности слот. Остальные слоты в новые компьютеры не устанавливаются.

Для упрощения подключения устройств электронные схемы состоят из нескольких модулей - электронных плат. На основной плате компьютера - системной (материнской) - располагаются процессор, сопроцессор, оперативная память и шина. Схемы, управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры), находятся на отдельных платах, вставляющихся в унифицированные разъёмы (слоты) на материнской плате.

Жесткий диск (винчестер, HDD) - предназначен для постоянного хранения информации, используемой при работе компьютера: операционной системы, документов, игр и т.д. Основными характеристиками жесткого диска являются его емкость, измеряемая в гигабайтах (Гб), скорость чтения данных, среднее время доступа, размер кэш-памяти. Информация хранится на одной или нескольких круглых пластинках с магнитным слоем, над которыми летают магнитные записывающие головки. Винчестеры подключаются к материнской плате с помощью специальных шлейфов-кабелей, каждый из которых рассчитан на два устройства.

Накопители на гибких дисках (дискетах, флоппи-дисках) позволяют переносить документы с одного компьютера на другой, хранить информацию. Основным недостатком накопителя служит его малая емкость (всего 1,44 Мб) и ненадежность хранения информации. Однако именно этот способ для многих российских пользователей является единственной возможностью перенести информацию на другой компьютер. На компьютерах последних лет выпуска устанавливаются дисководы для дискет размером 3,5 дюйма (89мм). Раньше использовались накопители размером 5,25 дюймов. Они, не смотря на свои размеры, обладают меньшей емкостью и менее надежны и долговечны. Оба типа дискет обладают защитой от записи (перемычка на защитном корпусе дискеты). В последнее время стали появляться альтернативные устройства: внешние дисководы, с дисками емкостью до 1,5 Гб и намного большей скоростью чтения, нежели дисковод флоппи-дисков, однако они ещё мало распространены и весьма недёшевы.

Устройство для чтения компакт-дисков (CD-ROM) предназначено для чтения записей на компакт-дисках.

2. Анализ структуры современного микропроцессора

В состав микропроцессора входят следующие блоки:

1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - это устройство, выполняющее логические и арифметические операции в двоичной системе исчисления.

Рисунок 2. Схема микропроцессора

2. Память микропроцессора - это память регистров, в которых хранятся данные и их адреса.

3. Кэш память - быстрая память повышает производительность работы микропроцессора за счет буферизации часто используемых команд.

5. Магистраль микропроцессора - она предназначена для обмена информации между блоками микропроцессора.

Выбор способов адресации, формирования исполнительного адреса и преобразования адресов является одним из важнейших вопросов разработки ЭВМ. Рассмотрим способы адресации, используемые в современных ЭВМ:

1) Подразумеваемый операнд. В команде может не содержаться явных указаний об операнде; в этом случае операнд подразумевается и фактически задается кодом операции команды.

2) Подразумеваемый адрес. В команде может не содержаться явных указаний об адресе участвующего в операции операнда или адресе, по которому должен быть размещен результат операции, но этот адрес подразумевается.

3) Непосредственная адресация. В команде содержится не адрес операнда, а непосредственно сам операнд. При непосредственной адресации не требуется обращения к памяти для выборки операнда и ячейки памяти для его хранения. Это способствует уменьшению времени выполнения программы и занимаемого ею объема памяти. Непосредственная адресация удобна для хранения различного рода констант.

4) Прямая адресация. В адресной части команды может быть непосредственно указан исполнительный адрес.

5) Относительная (базовая) адресация. При этом способе адресации исполнительный адрес определяется как сумма адресного кода команды и базового адреса, как правило хранящегося в специальном регистре - регистре базы.

Относительная адресация позволяет при меньшей длине адресного кода команды обеспечить доступ к любой ячейке памяти. Для этого число разрядов в базовом регистре выбирают таким, чтобы можно было адресовать любую ячейку оперативной памяти, а адресный код команды используют для представления лишь сравнительно короткого "смещения". Смещение определяет положение операнда относительно начала массива, задаваемого базовым адресом.

6) Укороченная адресация. Для уменьшения длины кода команды часто применяется так называемая укороченная адресация. Суть ее сводится к тому, что в команде задаются только младшие разряды адресов, а старшие разряды при этом подразумеваются нулевыми. Такая адресация позволяет использовать только небольшую часть фиксированных ячеек в начале всей адресуемой области памяти, и поэтому применяется лишь совместно с другими способами адресации.

Регистровая адресация является частным случаем укороченной, когда в качестве фиксированных ячеек с короткими адресами используются регистры (ячейки сверхоперативной или местной памяти) процессора. Например, если таких регистров 16, то для адреса достаточно четырех двоичных разрядов. Регистровая адресация наряду с сокращением длины адресов операндов позволяет увеличить скорость выполнения операций, так как уменьшается число обращений к оперативной памяти.

7) Косвенная адресация. Адресный код команды в этом случае указывает адрес ячейки памяти, в которой находится адрес операнда или команды. Косвенная адресация широко используется в малых и микроЭВМ, имеющих короткое машинное слово, для преодоления ограничений короткого формата команды (совместно используются регистровая и косвенная адресация).

8) Адресация слов переменной длины. Эффективность вычислительных систем, предназначенных для обработки данных, повышается, если имеется возможность выполнять операции со словами переменной длины. В этом случае в машине может быть предусмотрена адресация слов переменной длины, которая обычно реализуется путем указания в команде местоположения в памяти начала слова и его длины.

9) Стековая адресация. Стековая память, реализующая безадресное задание операндов, особенно широко используется в микропроцессорах и миниЭВМ.

Стек представляет собой группу последовательно пронумерованных регистров или ячеек памяти, снабженных указателем стека, в котором автоматически при записи и считывании устанавливается номер (адрес) последней занятой ячейки стека (вершины стека). При операции записи заносимое в стек слово помещается в следующую по порядку свободную ячейку стека, а при считывании из стека извлекается последнее поступившее в него слово.

10) Автоинкрементная и автодекрементная адресации. Поскольку регистровая косвенная адресация требует предварительной загрузки регистра косвенным адресом из оперативной памяти, что связано с потерей времени, такой тип адресации особенно эффективен при обработке массива данных, если имеется механизм автоматического приращения или уменьшения содержимого регистра при каждом обращении к нему. Такой механизм называется соответственно автоинкрементной и автодекрементной адресацией. В этом случае достаточно один раз загрузить в регистр адрес первого обрабатываемого элемента массива, а затем при каждом обращении к регистру в нем будет формироваться адрес следующего элемента массива.

При автоинкрементной адресации сначала содержимое регистра используется как адрес операнда, а затем получает приращение, равное числу байт в элементе массива. При автодекрементной адресации сначала содержимое указанного в команде регистра уменьшается на число байт в элементе массива, а затем используется как адрес операнда.

Автоинкрементная и автодекрементная адресации могут рассматриваться как упрощенный вариант индексации - весьма важного механизма преобразования адресных частей команд и организации вычислительных циклов, поэтому их часто называют автоиндексацией.

11) Индексация. Для реализуемых на ЭВМ методов решения математических задач и обработки данных характерна цикличность вычислительных процессов, когда одни и те же процедуры выполняются над различными операндами, упорядоченно расположенными в памяти. Поскольку операнды, обрабатываемые при повторениях цикла, имеют разные адреса, без использования индексации требовалось бы для каждого повторения составлять свою последовательность команд, отличающихся адресными частями.

Для операций с разными способами адресации и разными форматами данных необходимо введение различных форматов команд, которые по-разному задают местонахождение и количество операндов, и, естественно, имеют разную длину. Для широко распространённых сейчас двухадресных ЭВМ это такие форматы команд (в скобках указано их мнемоническое обозначение):

* регистр - регистр (RR);

* регистр - память, память - регистр (RX);

* регистр - непосредственный операнд в команде (RI);

* память - непосредственный операнд в команде (SI);

* память - память, т.е. оба операнда в основной памяти (SS).

При работе в реальном режиме возможности микропроцессора существенно ограничиваются: сокращается до 1 Мбайт объем адресуемой памяти, исключаются основные механизмы защиты, не реализуется страничная организация памяти и многозадачное функционирование систем. Этот режим обычно используется либо как промежуточный для перехода в защищенный режим после инициализации микропроцессорной системы, либо для более быстрого выполнения программ, написанных для микропроцессоров.

В реальном режиме при вычислении линейного адреса, по которому процессор собирается читать содержимое памяти или писать в неё, сегментная часть адреса умножается на 16 (или, что то же самое, сдвигается влево на 4 бита) и суммируется со смещением (если процессору передаётся не полный адрес из двух 16-битных значений - сегмента и смещения, - а только 16-битное смещение, то сегмент берётся из одного из сегментных регистров).

5. Операционная система NetWare

NetWare - это специализированная операционная система, а не ОС общего назначения. ОС общего назначения обеспечивают сервис, который удовлетворяет потребностям многих различных приложений, к тому же такая ОС обычно очень устойчива к поведению своих приложений за счет специальных ограничительных мер. Приложения могут разрабатываться почти без заботы об их взаимодействии с другими программами. Они также могут быть написаны без учета фактора разделения ресурсов компьютера, таких как память или CPU.

В ОС общего назначения проблемы взаимодействия, разделения ресурсов и т.д. решаются операционной системой. Приложениям, которые пытаются решать их самостоятельно, ОС может запретить это делать. Это обеспечивает некоторый уровень защиты приложений и ОС.

NetWare - это специализированная ОС, которая с самого начала проектировалась для оптимизации сетевого сервиса и, в первую очередь, доступа к удаленным файлам. Такие приложения, как электронные таблицы и текстовые процессоры, будут лучше работать под управлением ОС общего назначения, а приложения типа сервера печати, сервера баз данных и коммуникационного сервера, которые обеспечивают управление разделяемыми ресурсами, будут лучше работать под NetWare. Но, чтобы добиться такого эффекта, приложения для NetWare нужно писать тщательно, осознавая последствия их совместной работы на сервере, чтобы одно приложение не подавляло другие из-за слишком интенсивного захвата процессорного времени.

Кроме повышения производительности - основной цели разработки семейства ОС NetWare 3.x и 4.x, разработчики ставили перед собой цели создания открытой, расширяемой и высоконадежной операционной системы, обеспечивающей высокий уровень защиты информации.

Файловая система NetWare значительно отличается от файловых систем ОС общего назначения следующими ключевыми свойствами:

в ней предприняты дополнительные меры по сохранению целостности данных;

достигнута высокая производительность;

обеспечена емкость файловых систем класса мейнфреймов;

обеспечивается широкий набор функций файловых API для серверных приложений.

7. Оценка производительности современной многопроцессорной системы

SPECHomogeneous Caracity Method или оценка SPECrate, используется для определения загрузки (емкости или пропускной способности) многопроцессорной системы. В отличие от других типов оценок, характеризующих скорость выполнения одного задания, SPECrate позволяет определить, сколько заданий способен выполнить компьютер за определенный интервал времени.

Некоторые однопроцессорные системы способны выполнить одну задачу быстрее многопроцессорных, однако этот факт не дает полной картины поведения системы в целом. Многопроцессорные комплексы могут выполнять больше заданий в единицу времени. Если один процессор выполняет работу за минуту, а система из четырех процессоров делает это за две, то многопроцессорная система работает в два раза медленнее, но загрузка ее в два раза больше, чем однопроцессорной. Загрузка находится в прямой зависимости от базовых ресурсов процессора (размер кэш-памяти, быстродействие шины, емкость оперативной памяти), которые доступны для выполнения данной задачи. Оценка одинаково хорошо характеризует как однопроцессорные, так и мультипроцессорные системы.

Число одновременно выполняемых задач может выбираться произвольным образом. Оптимальным является число, равное количеству процессоров. Общее время - время завершения последней из всех запущенных работ.

В приведенной таблице даны показатели SPECrate для некоторых систем стоимостью от 50 до 100 тыс. дол. (в однопроцессорном варианте) и до 200 тыс. (для конфигурации с двумя и более процессорами).

Оценка SPECrate хорошо характеризует возможности компьютера по организации многопользовательского режима для работы в системах коллективного пользования и системах реального времени. Указанные в таблице модели могут служить эталоном для компьютеров, претендующих на роль серверов в системах такого рода.

1. Александров Е.К. - Микропроцессорные системы: Учебное пособие для вузов.

2. Семененко В.А., Айдидын В.М. - Электронные вычислительные машины.

3. Еремин Е.А. - Как работает современный компьютер.

4. Смирнов А.Д. - Архитектура вычислительных систем.

5. Лосев В.В. - Микропроцессорные устройства обработки информации.