Sammansättning av datorteknik. Grundläggande egenskaper för datorteknik. Historien om datorteknikens utveckling

Begreppet datorteknik är en uppsättning tekniska och matematiska medel, metoder och tekniker som används för att mekanisera och automatisera processerna för beräkningar och informationsbehandling. Grunden för de tekniska medlen för modern datoranvändning består av elektroniska datorer (datorer), inmatnings-, utdata-, presentations- och överföringsenheter (skannrar, skrivare, modem, bildskärmar, plottrar, tangentbord, magnetband och diskenheter, etc.), bärbara datorer, mikroräknare, elektroniska anteckningsböcker m.m.

En persondator är en stationär eller bärbar enanvändarmikrodator som uppfyller kraven på universell tillgänglighet och universalitet.

Grunden för en persondator är en mikroprocessor. Utvecklingen av mikroprocessorteknik och teknologi har bestämt förändringen i PC-generationer:

1:a generationen (1975 – 1980) – baserad på 8-bitars MP;

2:a generationen (1981 – 1985) – baserad på 16-bitars MP;

3:e generationen (1986 – 1992) – baserad på 32-bitars MP;

Fjärde generationen (sedan 1993) – baserad på 64-bitars MP.

Idag står datorvärlden på gränsen till en revolution: processorer med nya generationens transistorer och kraftfulla mobila chips kommer att öka prestandan för bärbara datorer, surfplattor och smartphones med en storleksordning.

Bearbetningselement som mäter 10 och 12 nm kommer att förändra datorvärlden helt under det kommande året: deras tjocklek är 10 000 gånger mindre än ett människohår (100 000 nm), och deras diameter är nära kiselatomer (0,3 nm).

De största tillverkarna av mikroprocessorer för datorer för närvarande är fortfarande:

Intel är en pionjär inom skapandet och produktionen av moderna processorer. Idag är de mest populära datorerna på den dyra datormarknaden PC-datorer med processorer baserade på flerkärnig arkitektur. Intel core.

I april 2012 introducerade Intel den tredje generationen av den fyrkärniga Intel® Core™-processorfamiljen, tillgänglig i kraftfulla skrivbordssystem professionell kvalitet och mobila och tunna allt-i-ett-datorer som har världens första 22nm-chip med Tri-Gate 3D-transistorer.

AMD (Advanced Micro Deviced) är den mest verkliga konkurrenten till Intel. Fram till nyligen ockuperade den en nisch på datormarknaden med billiga men snabba processorer, främst avsedda för billiga datorer och uppgraderingar.

Med skapandet 1999 av Athlon-processorn, Thunderbird, Polamino, Thoroughbred, Barton-processorerna och efter 2003, K8-seriens processorer, började den på allvar konkurrera med Intel. Idag producerar båda företagen en bra kvalitetsprodukt som kan tillgodose behoven hos nästan alla krävande användare.

För närvarande produceras cirka 85 % av persondatorerna på basis av dessa processorer. Beroende på deras syfte kan de delas in i tre grupper:

Hushåll, avsett för masskonsumtion och med den enklaste grundkonfigurationen;

Allmänt syfte, avsett för att lösa vetenskapliga, tekniska, ekonomiska och andra problem och utbildning. Denna klass är mest utbredd och betjänas, som regel, av icke-professionella användare;

Professionell som används inom det vetenskapliga området för att lösa komplexa informations- och produktionsproblem. De har höga tekniska egenskaper och servas av professionella användare.

Dessutom, enligt deras design, är datorer uppdelade i:

LAPTOP-datorer (“laptop”-dator). I en bärbar dator är tangentbordet och systemenheten gjorda i ett fodral, som stängs ovanpå med ett lock med en LCD-display. De flesta modeller skiljer sig inte till det bättre i sina tekniska parametrar och har monokroma displayer;

NOTEBOOK ("anteckningsböcker"). De senaste modellerna har ganska höga tekniska parametrar, jämförbara med datorer för allmänna ändamål ( Kärnprocessorer i7-3612QM, video upp till 6144 Mb, hårddiskar – hårddisk över 600 GB eller SSD upp till 256 GB;

ULTRABUK (engelska Ultrabook) är en ultratunn och lätt bärbar dator, med ännu mindre dimensioner och vikt jämfört med konventionella subnotebooks, men samtidigt - de flesta av de karakteristiska egenskaperna hos en fullfjädrad bärbar dator. Termen började spridas brett 2011, efter att Intel Corporation presenterade en ny klass av mobila datorer - ultrabooks, ett koncept från Intel och Apple, utvecklat på basis av det som släpptes 2008 Apple laptop Macbook Air. Ultrabooks är mindre än vanliga bärbara datorer, men något större än netbooks. De är utrustade med en liten LCD-skärm från 11 till 13,3 tum, är kompakta - tjocklek upp till 20 mm och väger upp till 2 kg. På grund av sin lilla storlek har ultrabooks få externa portar och de flesta har ingen DVD-enhet.

En netbook är en bärbar dator med relativt låg prestanda, designad främst för att komma åt Internet och arbeta med kontorsapplikationer. Den har en liten skärmdiagonal på 7-12 tum, låg strömförbrukning, låg vikt och relativt låg kostnad.

Funktionsprincipen för moderna datorer kan beskrivas med följande algoritm:

jag. Initialisering

Efter att ha slagit på datorn, laddat operativsystemet och det nödvändiga programmet, tilldelas programräknaren ett initialvärde lika med adressen för det första kommandot i detta program.

II. Lagval

CPU:n utför operationen att läsa ett kommando från minnet. Programräknarens innehåll används som adress till minnescellen.

III. Tolka kommandot och öka programräknaren

Innehållet i läsminnescellen tolkas av CPU:n som ett kommando och placeras i kommandoregistret. Styrenheten börjar tolka kommandot. Baserat på operationskodfältet från det första ordet i kommandot, bestämmer CU:n dess längd och, om nödvändigt, organiserar ytterligare läsoperationer tills hela kommandot läses av CPU:n. Längden på kommandot läggs till innehållet i programräknaren, och när kommandot är fullständigt avläst genereras adressen till nästa kommando i programräknaren.

IV. Kommandodekryptering och kommandoexekvering

Med hjälp av instruktionens adressfält bestämmer styrenheten om instruktionen har operander i minnet. Om den har det, beräknas adresserna för operanderna baserat på adresseringsmoden som specificeras i adressfälten och minnesläsoperationer utförs för att läsa operanderna.

Styrenheten och ALU utför operationen som specificeras i operationskodfältet för kommandot. Processorflaggregistret lagrar operationens egenskaper.

V. Vid behov utför styrenheten operationen att skriva resultatet i minnet.

Om det senaste kommandot inte var "stoppa processor", utförs den beskrivna sekvensen av operationer igen. Denna sekvens av operationer kallas processorcykel .

På specifika datorer kan implementeringen av denna algoritm skilja sig något. Men i princip beskrivs funktionen hos vilken von Neumann-dator som helst av en liknande algoritm och är en sekvens av ganska enkla operationer.

En PC innehåller tre huvudenheter: systemenhet, tangentbord och display . För att utöka funktionaliteten hos PC:n ansluts ytterligare kringutrustning: skrivare, skanner, manipulatorer etc. Dessa enheter är antingen anslutna till systemenheten med hjälp av kablar genom kontakter som sitter på den bakre väggen systemenhet, eller sätts in direkt i systemenheten. PC:n har en modulär struktur. Alla moduler är anslutna till systembussen.

Används för att styra externa enheter kontroller (VU-adaptrar) . Efter att ha tagit emot ett kommando från MP, frigör styrenheten, som arbetar autonomt, MP från att utföra specifika funktioner för att serva den externa enheten.

Det bör noteras att ökningen av prestandan hos modern MP och enskilda enheter externa till den (huvud- och externminne, videosystem, etc.) har lett till problemet med att öka bandbredd systembuss när du ansluter dessa enheter. För att lösa detta problem utvecklades lokala bussar, kopplade direkt till MP-bussen.

Huvudenheten i en PC är systemenhet . Den består av en CPU, en coprocessor, permanent och random access minne, styrenheter, magnetiska diskenheter, strömförsörjning och andra funktionella moduler. PC-konfigurationen kan ändras genom att ansluta ytterligare moduler. För att säkerställa konsekvent drift av PC-enheter moderkort innehåller ett chipset, dvs. uppsättning mikrokretsar (chips).

Chipsetet bestämmer kortets huvudsakliga funktioner:

· typer av processorer som stöds;

· maximal systembussfrekvens;

· enhetsväxlingslogik;

stödda typer och maximal storlek huvudminne;

· arbetshastighet med varje typ av minne;

· stöd för accelererad grafikport;

· typ av diskgränssnitt och dess lägen;

· maximalt antal expansionsplatser;

· PC-övervakning.

Chipsetet på en modern PC består vanligtvis av två chips: en nordbrygga eller en minneskontrollhub (Memory Controller Hub, MCH), som betjänar centrala enheter och innehåller kontroller för huvudminnet, grafikbussen, systembussen och minnesbussen, och en sydbrygga.bro (South Bridge) eller I/O Controller Hub (ICH), som innehåller styrenheter för I/O-enheter och standard kringutrustning.

Funktionsdiagram av en dator - Enligt dess syfte dator - Detta är en universell enhet för att arbeta med information. Enligt principerna för dess design är en dator en modell av en person som arbetar med information.

Personlig dator(PC) är en dator designad för att betjäna en arbetsstation. Dess egenskaper kan skilja sig från stordatorer, men den är funktionellt kapabel att utföra liknande operationer. Beroende på arbetssättet särskiljs PC-modeller för stationära (dator), bärbara (laptop och bärbara) och fickor (palmtop).

Hårdvara. Eftersom datorn tillhandahåller alla tre klasserna av informationsmetoder för att arbeta med data (hårdvara, mjukvara och naturligt), är det vanligt att tala om ett datorsystem som bestående av hårdvara och mjukvara som samverkar. Komponenterna som utgör hårdvaran i en dator kallas hårdvara. De utför allt fysiskt arbete med data: registrering, lagring, transport och transformation, både i form och innehåll, och presenterar dem också i en form som är lämplig för interaktion med naturliga informationsmetoder person.

Hela en dators hårdvara kallas dess hårdvarukonfiguration.

Programvara. Program kan vara i två tillstånd: aktiva och passiva. I ett passivt tillstånd fungerar inte programmet och ser ut som data, vars innehåll är information. I detta tillstånd kan innehållet i programmet "läses" av andra program, som att böcker läses och ändras. Från den kan du ta reda på syftet med programmet och hur det fungerar. I passivt tillstånd skapas, redigeras, lagras och transporteras program. Processen att skapa och redigera program kallas programmering.

När ett program är i ett aktivt tillstånd betraktas innehållet i dess data som kommandon enligt vilka datorhårdvaran fungerar. För att ändra ordningen på deras operation räcker det att avbryta exekveringen av ett program och starta exekveringen av ett annat, som innehåller en annan uppsättning kommandon.

Uppsättningen program som lagras på en dator bildar den programvara. Uppsättningen av program förberedda för drift kallas installerad programvara. Uppsättningen program som körs vid ett eller annat tillfälle kallas en mjukvarukonfiguration.

Datorenhet. Vilken dator som helst (även den största) består av fyra delar:

• inmatningsapparater
• informationsbehandlingsanordningar
• lagringsenheter
• informationsutmatningsenheter.

Strukturellt kan dessa delar kombineras i ett fall i storleken av en bok, eller så kan varje del bestå av flera ganska skrymmande enheter

Grundläggande PC-hårdvarukonfiguration. Den grundläggande hårdvarukonfigurationen för en persondator är den minsta uppsättning hårdvara som räcker för att börja arbeta med en dator. Med tiden förändras konceptet med en grundläggande konfiguration gradvis.

Oftast består en persondator av följande enheter:

• Systemenhet
• Övervaka
• Tangentbord

Dessutom kan andra in- och utgångsenheter anslutas, till exempel ljudhögtalare, skrivare, skanner...

Systemenhet- huvudkvarter datorsystem. Den innehåller enheter som anses vara interna. Enheter som är externt anslutna till systemenheten anses vara externa. Termen kringutrustning används även för externa enheter.
Övervaka- en anordning för visuell reproduktion av symboliska och grafisk information. Fungerar som en utmatningsenhet. För stationära datorer är de vanligaste monitorerna idag de som är baserade på katodstrålerör. De liknar vagt hushålls-TV.
Tangentbord- en tangentbordsenhet utformad för att styra driften av en dator och mata in information i den. Information läggs in i form av alfanumeriska teckendata.
Mus- grafisk kontrollenhet.

Interna enheter i en persondator.
Enheter som finns i systemenheten anses vara interna. Vissa av dem är tillgängliga på frontpanelen, vilket är bekvämt för snabba byten informationsmedia t.ex. magnetiska disketter. Kontakterna på vissa enheter är placerade på bakväggen - de används för att ansluta kringutrustning. Åtkomst till vissa systemenhetsenheter tillhandahålls inte - det krävs inte för normal drift.

CPU. Mikroprocessor är huvudkretsen i en persondator. Alla beräkningar utförs i den. Processorns huvudkaraktär är klockfrekvensen (mätt i megahertz, MHz). Ju högre klockhastighet, desto högre processorprestanda. Så, till exempel, vid en klockfrekvens på 500 MHz, kan processorn ändra sin
stat 500 miljoner gånger. För de flesta operationer räcker inte en klockcykel, så antalet operationer som en processor kan utföra per sekund beror inte bara på klockhastigheten utan också på operationernas komplexitet.

Den enda enheten vars existens processorn "vet från födseln" är RAM - den fungerar tillsammans med den. Det är härifrån data och kommandon kommer. Data kopieras till processorceller (kallas register) och konverteras sedan enligt innehållet i instruktionerna. Du får en mer komplett bild av hur processorn interagerar med RAM i kapitlen om programmeringsgrunderna.

BAGGE. RAM kan ses som ett stort antal celler som lagrar numeriska data och kommandon medan datorn är påslagen. Mängden RAM-minne mäts i miljoner byte - megabyte (MB).

Processorn kan komma åt vilken RAM-cell som helst (byte) eftersom den har en unik numerisk adress. Processorn kan inte komma åt en enskild bit RAM, eftersom biten inte har en adress. Samtidigt kan processorn ändra tillståndet för vilken bit som helst, men detta kräver flera åtgärder.

Moderkort. Moderkortet är det största kretskortet i en persondator. Den innehåller motorvägar som kopplar ihop processorn med RAM - de så kallade bussarna. Det finns en databuss genom vilken processorn kopierar data från minnesceller, en adressbuss genom vilken den ansluter till specifika minnesceller och en kommandobuss genom vilken processorn tar emot kommandon från program. Alla andra interna enheter i datorn är också anslutna till moderkortsbussarna. Moderkortets funktion styrs av en mikroprocessorchipset - den så kallade chipseten.

Videoadapter. En videoadapter är en intern enhet installerad i en av kontakterna på moderkortet. De första persondatorerna hade inga videoadaptrar. Istället tilldelades ett litet område i RAM för lagring av videodata. Ett speciellt chip (videostyrenhet) läste data från videominnesceller och styrde monitorn i enlighet med dem.

Allt eftersom datorernas grafiska kapacitet förbättrades, separerades videominnesområdet från huvud-RAM-minnet och separerades tillsammans med videokontrollen till en separat enhet, som kallades en videoadapter. Moderna videoadaptrar har sin egen datorprocessor (videoprocessor), vilket har minskat belastningen på huvudprocessorn vid konstruktion av komplexa bilder. Videoprocessorn spelar en särskilt viktig roll när man bygger på en platt skärm. 3D-bilder. Under sådana operationer måste han utföra ett särskilt stort antal matematiska beräkningar.

I vissa moderkortsmodeller utförs videoadapterns funktioner av chipsetchips - i det här fallet säger de att videoadaptern är integrerad med moderkort. Om videoadaptern är gjord som en separat enhet kallas det ett grafikkort. Videokortets kontakt är placerad på den bakre väggen. En monitor är ansluten till den.

Ljudadapter. För IBM PC-datorer tillhandahölls inte arbete med ljud från början. Under de första tio åren av dess existens ansågs datorer med denna plattform som kontorsutrustning och klarade sig utan ljudenheter. För närvarande anses ljudverktyg som standard. Att göra detta på moderkort Ljudadaptern är installerad. Det kan integreras i moderkortets chipset eller implementeras som ett separat plug-in-kort som kallas ljudkort.
Ljudkortskontakterna finns på datorns bakvägg. För att spela upp ljud är högtalare eller hörlurar anslutna till dem. En separat kontakt är avsedd för anslutning av en mikrofon. I närvaro av specialprogram detta låter dig spela in ljud. Det finns även en kontakt (linjeutgång) för anslutning till extern ljudinspelnings- eller ljudåtergivningsutrustning (bandspelare, förstärkare etc.).

HDD. Eftersom datorns RAM-minne rensas när strömmen stängs av behövs en enhet för att lagra data och program under lång tid. För närvarande används så kallade hårddiskar i stor utsträckning för dessa ändamål.
Funktionsprincip hårddisk baseras på registrering av förändringar i magnetfältet nära inspelningshuvudet.

Main hård parameter Diskkapaciteten mäts i gigabyte (miljarder byte), GB. Den genomsnittliga storleken på en modern hårddisk är 80 - 160 GB, och denna parameter växer stadigt.

Diskettenhet. För att transportera data mellan fjärrdatorer används så kallade disketter. En vanlig diskett (diskett) har en relativt liten kapacitet på 1,44 MB. Med moderna standarder är detta helt otillräckligt för de flesta datalagrings- och transportuppgifter, men den låga kostnaden för media och den höga tillgängligheten har gjort disketter till det vanligaste lagringsmediet.

För att skriva och läsa data lagrade på disketter används en speciell enhet - en diskenhet. Drivenhetens mottagningshål är placerat på frontpanelen på systemenheten.

CD-ROM-enhet. För att transportera stora mängder data är det bekvämt att använda CD-ROM-skivor. Dessa skivor kan bara läsa tidigare skrivna data, de kan inte skrivas till. Kapaciteten på en disk är cirka 650-700 MB.

CD-ROM-enheter används för att läsa CD-skivor. Huvudparametern för en CD-ROM-enhet är läshastigheten. Det mäts i flera enheter. Läshastigheten som godkändes i mitten av 80-talet tas som en. för musik-cd-skivor (ljud-cd-skivor). Moderna CD-ROM-enheter ger läshastigheter på 40x - 52x.
Största nackdelen CD-ROM-enheter- omöjligheten att spela in skivor - har övervunnits i moderna enheter för att skriva en gång - CD-R. Det finns också CD-RW-enheter som tillåter flera inspelningar.

Principen för datalagring på CD-skivor är inte magnetisk, som disketter, utan optisk.

Kommunikationsportar. För att kommunicera med andra enheter, såsom skrivare, skanner, tangentbord, mus etc. är datorn utrustad med så kallade portar. En port är inte bara en kontakt för att ansluta extern utrustning, även om en port slutar i en kontakt. En port är en mer komplex enhet än bara en kontakt, som har sina egna mikrokretsar och kontrolleras av programvara.

Nätverksadapter. Nätverksadaptrar är nödvändiga för att datorer ska kunna kommunicera med varandra. Den här enheten säkerställer att processorn inte skickar en ny del av data till den externa porten förrän nätverksadaptern på en angränsande dator har kopierat den tidigare delen till sig själv. Efter detta får processorn en signal om att uppgifterna har samlats in och nya kan lämnas in. Det är så överföringen sker.

När en nätverksadapter "lär sig" från en angränsande adapter att den har en bit data, kopierar den den till sig själv och kontrollerar sedan om den är adresserad till den. Om ja, skickar den dem till processorn. Om inte, sätter den dem på utgångsporten, varifrån nätverksadaptern på nästa angränsande dator hämtar dem. Så här flyttar data mellan datorer tills den når mottagaren.
Nätverksadaptrar kan byggas in i moderkortet, men installeras oftare separat, i form av ytterligare kort som kallas nätverkskort.

Elektroniska datorer klassificeras vanligtvis enligt ett antal egenskaper, särskilt: funktionalitet och arten av de uppgifter som löses, enligt organisationsmetoden beräkningsprocessen, genom arkitektoniska egenskaper och datorkraft.

Baserat på funktionalitet och arten av de uppgifter som löses särskiljs följande:

Universaldatorer (allmänna ändamål);

Problemorienterade datorer;

Specialiserade datorer.

Stordatorerär utformade för att lösa en mängd olika tekniska och tekniska problem, kännetecknade av komplexiteten hos algoritmerna och den stora mängden bearbetad data.

Problemorienterade datorerär utformade för att lösa ett snävare spektrum av uppgifter relaterade till registrering, ackumulering och bearbetning av små mängder data.

Specialiserade datorer används för att lösa ett snävt spektrum av problem (mikroprocessorer och styrenheter som utför kontrollfunktioner för tekniska enheter).

Genom att organisera beräkningsprocessen Datorer är uppdelade i enkelprocessor och multiprocessor, samt sekventiell och parallell.

Enprocessor. Datorn har en central processor och alla beräkningsoperationer och operationer för att styra in-/utgångsenheter utförs på denna processor.

Multiprocessor. Datorn innehåller flera processorer mellan vilka funktioner för att organisera beräkningsprocessen och hantera informationsinmatnings-/utmatningsenheter omfördelas.

Konsekvent. De fungerar i enkelprogramsläge, när datorn är designad på ett sådant sätt att den bara kan köra ett program, och alla dess resurser används endast i programmet som körs.

Parallell. De fungerar i flerprogramsläge, när flera användarprogram körs på datorn och resurser delas mellan dessa program, vilket säkerställer att de körs parallellt.

Baserat på arkitektoniska egenskaper och datorkraft särskiljs de:

Låt oss överväga schemat för att klassificera datorer enligt detta kriterium (Fig. 1).

Figur 1. Klassificering av datorer efter arkitektoniska egenskaper

och datorkraft.

Superdatorer– Det här är de mest kraftfulla datormaskinerna sett till hastighet och prestanda. Superdatorer inkluderar "Cray" och "IBM SP2" (USA). De används för att lösa storskaliga beräkningsproblem och modellering, för komplexa beräkningar inom aerodynamik, meteorologi, högenergifysik, och används även inom finanssektorn.

Stora maskiner eller stordatorer. Stordatorer används inom finanssektorn, försvarskomplexet, och används för att bemanna avdelningar, territoriella och regionala datorcentra.

Medelstora datorer används ofta för att kontrollera komplexa tekniska produktionsprocesser.

Minidator designad för användning som kontrolldatorsystem och nätverksservrar.

Mikrodator– Det är datorer som använder en mikroprocessor som centralenhet. Dessa inkluderar inbyggda mikrodatorer (inbyggda i olika utrustningar, utrustningar eller enheter) och persondatorer (PC).

Personliga datorer. Det har utvecklats snabbt under de senaste 20 åren. En persondator (PC) är utformad för att tjäna en enda arbetsstation och kan möta behoven hos små företag och individer. Med tillkomsten av Internet har populariteten för datorer ökat avsevärt, eftersom du med hjälp av en persondator kan använda vetenskaplig information, referens-, utbildnings- och underhållningsinformation.

Persondatorer inkluderar stationära och bärbara datorer. Bärbara datorer inkluderar Notebook (anteckningsblock eller Anteckningsbok) och fickdatorer (Personal Computers Handheld - Handheld PC, Personal Digital Assistants - PDA och Palmtop).

Inbyggda datorer. Datorer som används i olika enheter, system och komplex för att implementera specifika funktioner. Till exempel bildiagnostik.

Sedan 1999 har en internationell certifieringsstandard, PC99-specifikationen, använts för att klassificera datorer. Enligt denna specifikation är datorer indelade i följande grupper:

· massdatorer (Consumer PC);

· företagsdatorer (kontorsdatorer);

· bärbara datorer (mobil PC);

· arbetsstationer (WorkStation);

· underhållningsdatorer (Entertaiment PC).

De flesta datorer är massiv och inkluderar en standard (minst nödvändig) uppsättning hårdvara. Denna uppsättning innehåller: systemenhet, display, tangentbord, mus. Vid behov kan denna uppsättning enkelt kompletteras med andra enheter på användarens begäran, till exempel en skrivare.

Affärsdatorer inkluderar ett minimum av grafik och ljudåtergivningsverktyg.

Bärbara datorer skiljer sig i närvaro av fjärråtkomstkommunikationsmedel.

Arbetsstationer uppfylla ökade krav på minneskapaciteten hos datalagringsenheter.

Underhållningsdatorer fokuserat på högkvalitativ grafik och ljudåtergivning.

Förbi design egenskaper Datorer är indelade i:

· stationär (skrivbord, stationär);

bärbar:

· bärbar (bärbar dator);

· anteckningsböcker;

· ficka (palmtop).

För att effektivt studera tillämpad datorteknik är det oerhört viktigt att ha en klar förståelse för hårdvara och mjukvara. Datateknikens sammansättning kallas konfiguration . Hårdvara och programvara Datateknik betraktas vanligtvis separat. Följaktligen överväger de separat hårdvarukonfiguration och dem programvara konfiguration Denna separationsprincip är av särskild betydelse för datavetenskap, eftersom lösningen på samma problem mycket ofta kan tillhandahållas av både hårdvara och mjukvara. Kriterierna för att välja en hård- eller mjukvarulösning är prestanda och effektivitet. Skriv till exempel antingen texten i en textredigerare eller använd en skanner.

Grundläggande hårdvarukonfiguration av en persondator

Persondator – universell tekniskt system. Hans konfiguration (utrustningssammansättning) kan flexibelt ändras efter behov. Det finns dock ett koncept grundläggande konfiguration , vilket anses typiskt, dvs. minsta uppsättning utrustning. Datorn kommer vanligtvis med detta kit. Konceptet med en grundläggande konfiguration kan variera. För närvarande betraktas i den grundläggande konfigurationen följande enheter(Fig. 2.1.):

Låt oss ta en titt på dess delar.

Till huvudet tekniska medel persondator inkluderar:

- systemenhet;

- monitor (display);

- tangentbord.

Dessutom kan du ansluta till din dator, till exempel:

- Skrivare;

- mus;

- skanner;

- modem (modulator-demodulator);

- plotter;

- joystick, etc.

Systemenhet

Systemenheten är den huvudenhet inom vilken de viktigaste komponenterna är installerade. Systemenhet (se fig. 2.2., 2.3.) är ett fall där nästan all dators hårdvara finns.

Enheter som finns inuti systemenheten kallas inre, och enheter som är anslutna till den externt kallas extern. Extern ytterligare enheter, även kallad kringutrustning.

Intern organisation systemenhet:

· moderkort;

· Hårddisk:

· diskettenhet;

· CD-ROM-enhet;

· grafikkort (videoadapter);

· Ljudkort;

· kraftenhet.

System som finns på moderkort:

· BAGGE;

· processor;

· ROM-chip och BIOS-system;

· bussgränssnitt m.m.

Magnetiska diskar, till skillnad från RAM, är designade för permanent lagring av information.

Det finns två typer av magnetiska skivor som används i datorer:

· icke-flyttbar hårddisk (hårddisk);

· flyttbara, flexibla disketter (disketter).

Hårddisken är designad för permanent lagring av information som mer eller mindre ofta används i arbetet: operativsystemprogram, kompilatorer från programmeringsspråk, service- (underhålls)program, användarapplikationsprogram, textdokument, databasfiler, etc. Hårddisken är betydligt överlägsen disketter när det gäller åtkomsthastighet, kapacitet och tillförlitlighet.

3. Datorteknik 1

3.1 Historien om datorteknikens utveckling 1

3.2 Metoder för att klassificera datorer 3

3.3 Andra typer av datorklassificering 5

3.4 Beräkningssystemets sammansättning 7

3.4.1 Hårdvara 7

3.4.2 Programvara 7

3.5 Klassificering av tillämpningsprogram 9

3.6 Klassificering av verktygsprogram 12

3.7 Begreppet information och matematiskt stöd för datorsystem 13

3.8 Sammanfattning 13

1. Datorteknik

   1. Historien om datorteknikens utveckling

Datorsystem, dator

Att hitta medel och metoder för mekanisering och automatisering av arbete är en av huvuduppgifterna för tekniska discipliner. Automatisering av arbete med data har sina egna egenskaper och skillnader från automatisering av andra typer av arbete. För denna klass av uppgifter används speciella typer av enheter, varav de flesta är elektroniska enheter. En uppsättning enheter designade för automatisk eller automatiserad databehandling kallas datateknik, En specifik uppsättning interagerande enheter och program utformade för att tjäna ett arbetsområde kallas datorsystem. Den centrala enheten i de flesta datorsystem är dator.

En dator är en elektronisk enhet utformad för att automatisera skapande, lagring, bearbetning och transport av data.

Hur datorn fungerar

När vi definierade en dator som en enhet, angav vi den definierande funktionen - elektronisk. Men automatiska beräkningar utfördes inte alltid av elektroniska enheter. Mekaniska anordningar är också kända som kan utföra beräkningar automatiskt.

Analyserar tidig historia datorteknik, kallar vissa utländska forskare ofta en mekanisk beräkningsanordning som en gammal föregångare till datorn kulram. Tillvägagångssättet "från kulramen" indikerar en djup metodisk missuppfattning, eftersom kulramen inte har egenskapen att automatiskt utföra beräkningar, men för en dator är den avgörande.

Kulramen är den tidigaste mekaniska räkneanordningen, ursprungligen en lerplatta med räfflor där stenar som representerar siffror placerades. Utseendet på kulramen går tillbaka till det fjärde årtusendet f.Kr. e. Ursprungsorten anses vara Asien. Under medeltiden i Europa ersattes kulramen av grafiska tabeller. Beräkningar med hjälp av dem kallades räknar på raderna, och i Ryssland på 1500- och 1600-talen dök en mycket mer avancerad uppfinning upp, som fortfarande används idag - Rysk kulram.

Samtidigt är vi mycket bekanta med en annan enhet som automatiskt kan utföra beräkningar - en klocka. Oavsett driftsprincip har alla typer av klockor (sandur, vattenklocka, mekaniska, elektriska, elektroniska, etc.) förmågan att generera rörelser eller signaler med jämna mellanrum och registrera de resulterande förändringarna, det vill säga utföra automatisk summering av signaler eller rörelser. Denna princip kan ses även i solur som bara innehåller en inspelningsenhet (generatorns roll utförs av Jord-Sol-systemet).

En mekanisk klocka är en anordning som består av en anordning som automatiskt utför rörelser med regelbundna angivna intervall och en anordning för att registrera dessa rörelser. Platsen där de första mekaniska klockorna dök upp är okänd. De tidigaste exemplen går tillbaka till 1300-talet och tillhör kloster (tornklocka).

I hjärtat av alla moderna datorer, som i elektronisk klocka, lögner klockgenerator, genererar elektriska signaler med jämna mellanrum som används för att driva alla enheter i ett datorsystem. Att styra en dator handlar faktiskt om att hantera distributionen av signaler mellan enheter. Sådan kontroll kan utföras automatiskt (i detta fall talar vi om programkontroll) eller manuellt med hjälp av externa kontroller - knappar, omkopplare, byglar, etc. (i tidiga modeller). I moderna datorer är extern styrning till stor del automatiserad med hjälp av speciella hårdvarulogiska gränssnitt till vilka styr- och datainmatningsenheter (tangentbord, mus, joystick och andra) är anslutna. I motsats till programstyrning kallas sådan styrning interaktiv.

Mekaniska källor

Världens första automatiska enhet för att utföra tilläggsoperationen skapades på basis av en mekanisk klocka. År 1623 utvecklades den av Wilhelm Schickard, professor vid Institutionen för orientaliska språk vid universitetet i Tübingen (Tyskland). Nuförtiden har en fungerande modell av enheten reproducerats från ritningarna och har bekräftat dess funktionalitet. Uppfinnaren själv kallade maskinen för en "summerande klocka" i sina brev.

År 1642 utvecklade den franske mekanikern Blaise Pascal (1623-1662) en mer kompakt adderingsanordning, som blev världens första masstillverkade mekaniska miniräknare (främst för parisiska penninglångivare och penningväxlare). År 1673 skapade den tyske matematikern och filosofen G. W. Leibniz (1646-1717) en mekanisk räknare som kunde utföra multiplikation och division genom att upprepa additions- och subtraktionsoperationer om och om igen.

Under 1700-talet, känt som upplysningstiden, dök det upp nya, mer avancerade modeller, men principen om mekanisk styrning av beräkningsoperationer förblev densamma. Idén att programmera beräkningsoperationer kom från samma klockindustri. Den antika klostertornsklockan var inställd för att slå på en mekanism kopplad till ett system av klockor vid en given tidpunkt. Sådan programmering var tuff - samma operation utfördes samtidigt.

Idén om flexibel programmering av mekaniska enheter med perforerad papperstejp realiserades först 1804 i Jacquardvävstolen, varefter det bara var ett steg att programstyrning beräkningsoperationer.

Detta steg togs av den framstående engelske matematikern och uppfinnaren Charles Babbage (1792-1871) i hans Analytical Engine, som tyvärr aldrig byggdes helt av uppfinnaren under hans livstid, utan reproducerades i våra dagar enligt hans ritningar, så att vi idag har rätt att tala om den analytiska motorn som en verkligt existerande enhet. En speciell egenskap hos den analytiska motorn var att den var den första att implementera principen att dela upp information i kommandon och data. Den analytiska motorn innehöll två stora enheter - ett "lager" och ett "kvarn". Data matades in i det mekaniska minnet av "lagret" genom att installera kugghjulsblock och bearbetades sedan i "kvarnen" med hjälp av kommandon som matades in från perforerade kort (som i en Jacquardvävstol).

Forskare av Charles Babbages arbete noterar verkligen den speciella roll som grevinnan Augusta Ada Lovelace (1815-1852), dotter till den berömda poeten Lord Byron, har i utvecklingen av Analytical Engine-projektet. Det var hon som kom på idén att använda perforerade kort för programmering av beräkningsoperationer (1843). I synnerhet skrev hon i ett av sina brev: "Den analytiska motorn väver algebraiska mönster på samma sätt som en vävstol reproducerar blommor och löv." Lady Ada kan med rätta kallas världens första programmerare. Idag är ett av de kända programmeringsspråken uppkallat efter henne.

Charles Babbages idé om separat övervägande lag Och data visade sig vara ovanligt fruktbart. På 1900-talet det utvecklades i principerna av John von Neumann (1941), och idag i beräkningen av principen om separat hänsyn program Och dataär väldigt viktigt. Det tas i beaktande både när man utvecklar arkitekturerna för moderna datorer och när man utvecklar datorprogram.

Matematiska källor

Om vi ​​tänker på vilka föremål de första mekaniska föregångarna till den moderna elektroniska datorn arbetade med, måste vi erkänna att siffror representerades antingen i form av linjära rörelser av kedje- och kuggstångsmekanismer eller i form av vinkelrörelser av växel- och spakmekanismer . I båda fallen rörde det sig om rörelser, som inte kunde annat än påverka anordningarnas dimensioner och hastigheten på deras funktion. Endast övergången från att spela in rörelser till att spela in signaler gjorde det möjligt att avsevärt minska dimensioner och öka prestandan. Men på vägen till denna prestation var det nödvändigt att introducera flera viktiga principer och koncept.

Leibniz binära system. I mekaniska enheter kan växlar ha ganska många fasta och, viktigast av allt, olika mellan utgöra bestämmelser. Antalet sådana positioner är minst lika med antalet kuggar. I elektriska och elektroniska apparater vi pratar om inte om registrering bestämmelser strukturella element och om registrering stater enhetselement. Så stabil och särskiljbar Det finns bara två lägen: på - av; öppen stängd; laddad - urladdad, etc. Därför är det traditionella decimalsystemet som används i mekaniska miniräknare obekvämt för elektroniska datorenheter.

Möjligheten att representera vilka tal som helst (och inte bara siffror) med binära siffror föreslogs först av Gottfried Wilhelm Leibniz 1666. Han kom till det binära talsystemet samtidigt som han forskade om det filosofiska konceptet enhet och kampen om motsatser. Ett försök att föreställa sig universum i form av en kontinuerlig växelverkan mellan två principer ("svart" och "vit", manlig och kvinnlig, god och ond) och att tillämpa metoderna för "ren" matematik på dess studier fick Leibniz att studera egenskaperna hos den binära representationen av data. Det måste sägas att Leibniz redan hade tänkt på möjligheten att använda ett binärt system i en datorenhet, men eftersom det inte fanns något behov av detta för mekaniska enheter använde han inte principerna för det binära systemet i sin kalkylator (1673). .

George Booles matematiska logik, På tal om George Booles arbete, betonar forskare inom datorteknikens historia verkligen att denna enastående engelska vetenskapsman från första hälften av 1800-talet var självlärd. Kanske var det just på grund av avsaknaden av en "klassisk" (som förstått vid den tiden) utbildning som George Boole införde revolutionära förändringar av logik som vetenskap.

Medan han studerade tänkandets lagar tillämpade han ett system av formell notation och regler i logik som låg nära den matematiska. Därefter detta system kallas logisk algebra eller Boolesk algebra. Reglerna för detta system är tillämpliga på en mängd olika objekt och deras grupper (set, enligt författarens terminologi). Huvudsyftet med systemet, så som det var tänkt av J. Boole, var att koda logiska påståenden och reducera strukturerna för logiska slutsatser till enkla uttryck som i form ligger nära matematiska formler. Resultatet av en formell utvärdering av ett logiskt uttryck är ett av två logiska värden: Sann eller lögn.

Vikten av logisk algebra ignorerades länge, eftersom dess tekniker och metoder inte innehöll praktiska fördelar för den tidens vetenskap och teknik. Men när den grundläggande möjligheten att skapa datorteknik på elektronisk basis uppstod visade sig operationerna som introducerades av Boole vara mycket användbara. De är initialt fokuserade på att arbeta med endast två enheter: Sann Och lögn. Det är inte svårt att förstå hur de var användbara för att arbeta med binär kod, som i moderna datorer också representeras av endast två signaler: noll Och enhet.

Inte alla George Booles system (inte heller alla logiska operationer han föreslog) användes för att skapa elektroniska datorer, utan fyra huvudoperationer: Och (genomskärning), ELLER (Union), INTE (överklagande) och EXKLUSIVT ELLER - utgör grunden för driften av alla typer av processorer i moderna datorer.

Ris. 3.1. Grundläggande operationer för logisk algebra

Klassificering av datorutrustning

1. Hårdvara

Sammansättningen av ett datorsystem kallas konfiguration. Datorhårdvara och mjukvara betraktas vanligtvis separat. Följaktligen betraktas hårdvarukonfigurationen för datorsystem och deras mjukvarukonfiguration separat. Denna separationsprincip är av särskild betydelse för datavetenskap, eftersom lösningen på samma problem mycket ofta kan tillhandahållas av både hårdvara och mjukvara. Kriterierna för att välja en hård- eller mjukvarulösning är prestanda och effektivitet. Det är allmänt accepterat att hårdvarulösningar är i genomsnitt dyrare, men implementeringen mjukvarulösningar kräver mer högkvalificerad personal.

TILL hårdvara datorsystem inkluderar enheter och instrument som bildar en hårdvarukonfiguration. Moderna datorer och datorsystem har en blockmodulär design - den hårdvarukonfiguration som krävs för exekveringen specifika typer arbete, som kan monteras av färdiga enheter och block.

De viktigaste hårdvarukomponenterna i ett datorsystem är: minne, central processor och kringutrustning, som är sammankopplade av en systembuss (fig. 1.) Huvudminnet är utformat för att lagra program och data i binär form och är organiserat i formen av en ordnad uppsättning celler, som var och en har en unik digital adress. Vanligtvis är cellstorleken 1 byte. Typiska operationer på huvudminnet: läsning och skrivning av innehållet i en cell med en specifik adress.

2. Centralprocessor

Den centrala processorenheten är den centrala enheten i en dator som utför databehandlingsoperationer och styr datorns kringutrustning. Den centrala processorn inkluderar:

Kontrollenhet - organiserar processen för programexekvering och koordinerar interaktionen mellan alla enheter i datorsystemet under dess drift;

Aritmetisk-logisk enhet - utför aritmetiska och logiska operationer på data: addition, subtraktion, multiplikation, division, jämförelse, etc.;

Lagringsenhet - är internminne processor, som består av register, när den används, utför processorn beräkningar och lagrar mellanresultat; För att påskynda arbetet med RAM används cacheminne, i vilket kommandon och data från RAM som är nödvändiga för processorn för efterföljande operationer pumpas framåt;

Klockgenerator - genererar elektriska impulser som synkroniserar driften av alla datornoder.

Den centrala processorn utför olika operationer med data med hjälp av specialiserade celler för att lagra nyckelvariabler och tillfälliga resultat - interna register. Register är indelade i två typer (Fig. 2.):

Allmänna register - används för tillfällig lagring av lokala nyckelvariabler och mellanliggande resultat av beräkningar, inkluderar dataregister och pekarregister; huvudfunktionen är att tillhandahålla snabb åtkomst till ofta använda data (vanligtvis utan minnesåtkomst).

Specialiserade register - används för att styra driften av processorn, de viktigaste av dem är: instruktionsregistret, stackpekaren, flaggregistret och registret som innehåller information om programtillståndet.

Programmeraren kan använda dataregister efter eget gottfinnande för att tillfälligt lagra alla objekt (data eller adresser) och utföra de nödvändiga operationerna på dem. Indexregister, liksom dataregister, kan användas på vilket sätt som helst; deras huvudsakliga syfte är att lagra index eller förskjutningar av data och instruktioner från början av basadressen (när operander hämtas från minnet). Basadressen kan finnas i basregistren.

Segmentregister är en kritisk del av processorarkitekturen, och tillhandahåller adressering av ett 20-bitars adressutrymme med hjälp av 16-bitars operander. Huvudsegmentregister: CS - kodsegmentregister; DS - datasegmentregister; SS är stacksegmentregistret, ES är det extra segmentregistret. Minnet nås genom segment - logiska formationer överlagrade på vilken del av det fysiska adressutrymmet som helst. Startadressen för segmentet, dividerat med 16 (utan den minst signifikanta hexadecimala siffran) läggs in i ett av segmentregistren; varefter åtkomst till minnessektionen med början från den specificerade segmentadressen ges.

Adressen till en minnescell består av två ord, varav ett bestämmer platsen i minnet för motsvarande segment och det andra - förskjutningen inom detta segment. Storleken på ett segment bestäms av mängden data som det innehåller, men kan aldrig överstiga 64 KB, vilket bestäms av maximalt möjliga offsetvärde. Segmentadressen för instruktionssegmentet lagras i CS-registret, och förskjutningen till den adresserade byten lagras i IP-instruktionspekarregistret.

Fig.2. 32-bitars processorregister

Efter att ha laddat programmet läggs förskjutningen av programmets första kommando in i IP:n. Processorn, efter att ha läst den från minnet, ökar innehållet i IP exakt med längden på denna instruktion (Intel-processorinstruktioner kan ha en längd på 1 till 6 byte), vilket resulterar i att IP pekar på den andra instruktionen i programmet . Efter att ha utfört det första kommandot läser processorn det andra från minnet, vilket återigen ökar IP-värdet. Som ett resultat av detta innehåller IP:n alltid förskjutningen av nästa kommando - kommandot efter det som körs. Den beskrivna algoritmen bryts endast vid exekvering av hoppinstruktioner, subrutinanrop och avbrottsservice.

Segmentadressen för datasegmentet lagras i DS-registret, förskjutningen kan vara i ett av de allmänna registren. Det ytterligare segmentregistret ES används för att komma åt datafält som inte ingår i programmet, såsom videobufferten eller systemceller. Vid behov kan den dock konfigureras för ett av programsegmenten. Till exempel, om ett program arbetar med en stor mängd data, kan du tillhandahålla två segment för dem och komma åt ett av dem via DS-registret och det andra genom ES-registret.

Stapelpekarregistret SP används som en pekare till toppen av stacken. En stack är ett programområde för tillfällig lagring av godtyckliga data. Bekvämligheten med stacken ligger i det faktum att dess område används upprepade gånger, och att lagra data på stacken och hämta den därifrån utförs med push- och pop-kommandona utan att ange namn. Stacken används traditionellt för att lagra innehållet i register som används av ett program innan en subrutin anropas, som i sin tur kommer att använda processorregistren för sina egna syften. Det ursprungliga innehållet i registren tas bort från stacken efter att subrutinen återvänder. En annan vanlig teknik är att skicka de parametrar som krävs till en subrutin via stacken. Subrutinen, som vet i vilken ordning parametrarna är placerade på stacken, kan ta dem därifrån och använda dem under dess exekvering.

En utmärkande egenskap hos stacken är den unika ordningen i vilken data som finns i den hämtas: vid varje given tidpunkt är endast det översta elementet tillgängligt på stacken, det vill säga elementet som senast laddades på stacken. Genom att skjuta upp det översta elementet från stapeln blir nästa element tillgängligt. Stackelement är placerade i minnesområdet som är tilldelat för stacken, med början från botten av stacken (vid dess maximala adress) vid successivt minskande adresser. Adressen för det översta, tillgängliga elementet lagras i stackpekarregistret SP.

Specialregister är endast tillgängliga i privilegierat läge och används av operativsystemet. De styr olika cacheblock, huvudminne, inmatnings-/utgångsenheter och andra enheter i datorsystemet.

Det finns ett register som är tillgängligt i både privilegierat och användarläge. Detta är PSW-registret (Program State Word), som kallas flaggregistret. Flaggregistret innehåller olika bitar som den centrala processorn behöver, de viktigaste är villkorskoder som används vid jämförelser och villkorliga hopp.De sätts i varje cykel av processorns aritmetiskt-logiska enhet och reflekterar tillståndet för resultatet av föregående drift. Innehållet i flaggregistret beror på typen av datorsystem och kan inkludera ytterligare fält som indikerar: maskinläget (till exempel användare eller privilegierat); spårningsbit (som används för felsökning); processorprioritetsnivå; avbrottsaktiveringsstatus. Flaggaregistret läses vanligtvis i användarläge, men vissa fält kan endast skrivas i privilegierat läge (till exempel biten som indikerar läge).

Kommandopekarregistret innehåller adressen till nästa kommando i kön för exekvering. Efter att ha valt en instruktion från minnet, justeras instruktionsregistret och pekaren flyttas till nästa instruktion. Instruktionspekaren övervakar förloppet av programexekveringen, och indikerar vid varje ögonblick den relativa adressen för instruktionen efter den som exekveras. Registret är inte programmässigt tillgängligt; Adressökningen i den utförs av mikroprocessorn, med hänsyn till längden på den aktuella instruktionen. Kommandon för hopp, avbrott, anrop av subrutiner och återkomst från dem ändrar innehållet i pekaren och gör därigenom övergångar till de nödvändiga punkterna i programmet.

Ackumulatorregistret används i de allra flesta instruktioner. Ofta använda kommandon som använder detta register har ett förkortat format.

För att bearbeta information överförs data vanligtvis från minnesceller till register för allmänna ändamål, varvid en operation utförs central processor och överföra resultaten till huvudminnet. Program lagras som en sekvens av maskininstruktioner som måste utföras av den centrala processorn. Varje kommando består av ett operationsfält och operandfält - de data som operationen utförs på. En uppsättning maskininstruktioner kallas maskinspråk. Programmen exekveras enligt följande. Maskininstruktionen som programräknaren pekar på läses från minnet och kopieras till instruktionsregistret, där den avkodas och exekveras sedan. Efter dess exekvering pekar programräknaren på nästa kommando, etc. Dessa åtgärder kallas en maskincykel.

De flesta centralprocessorer har två driftslägen: kärnläge och användarläge, vilket anges med en bit i processorns statusord (flaggaregister). Om processorn körs i kärnläge kan den utföra alla instruktioner i instruktionsuppsättningen och använda alla funktioner i hårdvaran. Operativsystemet körs i kärnläge och ger tillgång till all hårdvara. Användarprogram körs i användarläge, vilket tillåter exekvering av många kommandon men gör endast en del av hårdvaran tillgänglig.

För att kommunicera med operativsystemet måste ett användarprogram utfärda ett systemanrop som går in i kärnläge och aktiverar operativsystemets funktioner. Kommandot trap (emulerat avbrott) växlar processorns driftläge från användar- till kärnläge och överför kontrollen till operativsystemet. Efter avslutat arbete återgår kontrollen till användarprogrammet, till kommandot efter systemanropet.

I datorer, förutom instruktioner för att utföra systemanrop, finns det avbrott som anropas av hårdvara för att varna för undantagssituationer, till exempel ett försök att dividera med noll eller ett flyttalsspill. I alla sådana fall övergår kontrollen till operativsystemet, som måste bestämma vad som ska göras härnäst. Ibland behöver man avsluta programmet med ett felmeddelande, ibland kan man ignorera det (till exempel om ett nummer tappar betydelse kan det ställas in på noll) eller överföra kontrollen till själva programmet för att hantera vissa typer av tillstånd.

Baserat på arrangemanget av enheter i förhållande till den centrala processorn särskiljs interna och externa enheter. Externa, som regel, är de flesta in-/utgångsenheter (även kallade perifera enheter) och vissa enheter designade för långtidslagring av data.

Koordinering mellan enskilda noder och block utförs med hjälp av övergångstekniska hårdvaru-logiska enheter som kallas hårdvarugränssnitt. Standarder för hårdvarugränssnitt i datoranvändning kallas protokoll - en uppsättning tekniska villkor som måste tillhandahållas av enhetsutvecklare för att framgångsrikt samordna sin drift med andra enheter.

Många gränssnitt som finns i arkitekturen för alla datorsystem kan delas in i två stora grupper: seriella och parallella. Genom ett seriellt gränssnitt överförs data sekventiellt, bit för bit, och genom ett parallellt gränssnitt - samtidigt i grupper av bitar. Antalet bitar som är involverade i ett meddelande bestäms av gränssnittets bredd, till exempel sänder åttabitars parallella gränssnitt en byte (8 bitar) per cykel.

Parallella gränssnitt är vanligtvis mer komplexa än seriella gränssnitt, men ger högre prestanda. De används där dataöverföringshastigheten är viktig: för att ansluta utskriftsenheter, grafiska inmatningsenheter, enheter för inspelning av data på externa media, etc. Prestanda för parallella gränssnitt mäts i byte per sekund (byte/s; KB/s; MB/s).

Enhet seriella gränssnitt lättare; som regel behöver de inte synkronisera driften av de sändande och mottagande enheterna (därför kallas de ofta för asynkrona gränssnitt), men deras genomströmning är mindre och koefficienten användbar åtgärd Nedan. Eftersom datautbyte genom seriella enheter inte utförs av byte, utan av bitar, mäts deras prestanda i bitar per sekund (bps, Kbps, Mbps). Trots den uppenbara enkelheten att konvertera seriella överföringshastighetsenheter till parallella dataöverföringshastighetsenheter genom mekanisk division med 8, utförs en sådan omvandling inte eftersom den inte är korrekt på grund av närvaron av tjänstedata. Som en sista utväg, justerat för servicedata, uttrycks ibland hastigheten för seriella enheter i tecken per sekund eller i tecken per sekund (s/s), men detta värde är inte av teknisk, utan av en referens, konsumentkaraktär.

Seriella gränssnitt används för att ansluta långsamma enheter (de enklaste utskriftsenheterna av låg kvalitet: enheter för inmatning och utmatning av tecken- och signalinformation, kontrollsensorer, kommunikationsenheter med låg prestanda, etc.), samt i fall där det inte finns någon betydande begränsningar av varaktigheten av datautbytet (digitala kameror).

Den andra huvudkomponenten i en dator är minne. Minnessystemet är uppbyggt i form av en hierarki av lager (fig. 3). Det översta lagret består av den centrala processorns interna register. Interna register ger lagringskapacitet på 32 x 32 bitar på en 32-bitars processor och 64 x 64 bitar på en 64-bitars processor, vilket är mindre än en kilobyte i båda fallen. Program själva kan hantera register (det vill säga bestämma vad som ska lagras i dem) utan hårdvaruingrepp.

Fig.3. Typisk hierarkisk struktur minne

Nästa lager innehåller cacheminnet, som huvudsakligen styrs av hårdvaran. RAM är uppdelat i cache-linjer, vanligtvis 64 byte, med adresser från 0 till 63 på rad noll, från 64 till 127 på rad ett, etc. De mest använda cachelinjerna lagras i höghastighetscacheminne som finns inuti eller mycket nära processorn. När ett program behöver läsa ett ord från minnet kontrollerar cachechippet om den önskade raden finns i cachen. Om så är fallet sker en effektiv åtkomst till cacheminnet, begäran tillfredsställs helt från cachen och minnesbegäran skickas inte till bussen. En framgångsrik cacheåtkomst tar vanligtvis cirka två klockcykler, medan en misslyckad en resulterar i en minnesåtkomst med en betydande tidsförlust. Cacheminnet är begränsat i storlek på grund av dess höga kostnad. Vissa maskiner har två eller till och med tre nivåer av cache, var och en är långsammare och större än den föregående.

Därefter kommer RAM (RAM - random access memory, engelskt RAM, Random Access Memory - random access memory). Detta är huvudarbetsområdet för datorsystemets lagringsenhet. Alla CPU-förfrågningar som inte kan uppfyllas av cacheminnet skickas till huvudminnet för bearbetning. När du kör flera program på en dator är det lämpligt att placera komplexa program i RAM. Att skydda program från varandra och flytta dem i minnet realiseras genom att utrusta datorn med två specialiserade register: basregistret och gränsregistret.

I det enklaste fallet (fig. 4.a), när programmet börjar fungera, laddas basregistret med adressen till början av den körbara programmodulen, och gränsregistret anger hur mycket den körbara programmodulen tar upp tillsammans med uppgifterna. När ett kommando hämtas från minnet kontrollerar hårdvaran programräknaren, och om den är mindre än gränsregistret lägger den till värdet av basregistret och överför summan till minnet. När ett program vill läsa ett dataord (till exempel från adress 10000), lägger hårdvaran automatiskt till innehållet i basregistret (till exempel 50000) till den adressen och överför summan (60000) till minnet. Basregistret tillåter ett program att referera till vilken del av minnet som helst som följer adressen som är lagrad i det. Dessutom hindrar gränsregistret programmet från att komma åt någon del av minnet efter programmet. Med hjälp av detta schema löses alltså båda problemen: skydd och förflyttning av program.

Som ett resultat av dataverifiering och transformation översätts adressen som genereras av programmet och kallas den virtuella adressen till en adress som används av minnet och kallas den fysiska adressen. Enheten som utför kontrollen och konverteringen kallas en minneshanteringsenhet eller minneshanterare (MMU, Memory Management Unit). Minneshanteraren är placerad antingen i processorkretsen eller nära den, men är logiskt placerad mellan processorn och minnet.

En mer komplex minneshanterare består av två par bas- och gränsregister. Ett par är för programtext, det andra paret är för data. Kommandoregistret och alla referenser till programtext fungerar med det första paret av register, referenser till data använder det andra paret av register. Tack vare denna mekanism blir det möjligt att dela ett program mellan flera användare samtidigt som du bara lagrar en kopia av programmet i RAM, vilket är uteslutet i ett enkelt schema. När program nr 1 körs är de fyra registren placerade som visas i fig 4 (b) till vänster, när program nr 2 körs - till höger. Att hantera minneshanteraren är en funktion av operativsystemet.

Nästa i minnesstrukturen är magnetskivan (hårddisken). Diskminne är två storleksordningar billigare än RAM per bit och större i storlek, men att komma åt data som finns på disken tar ungefär tre storleksordningar längre. Anledningen till den långsamma hastigheten på en hårddisk är det faktum att enheten är en mekanisk struktur. Hårddisken består av en eller flera metallplattor som roterar med en hastighet av 5400, 7200 eller 10800 rpm (Fig. 5.). Information registreras på plattor i form av koncentriska cirklar. Läs-/skrivhuvudena vid varje given position kan läsa en ring på tallriken som kallas ett spår. Tillsammans bildar spåren för en given gaffelposition en cylinder.

Varje spår är uppdelat i ett antal sektorer, typiskt 512 byte per sektor. På moderna enheter yttre cylindrar innehåller fler sektorer än inre. Att flytta ett huvud från en cylinder till en annan tar cirka 1 ms och att flytta till en slumpmässig cylinder tar 5 till 10 ms, beroende på drivningen. När huvudet är placerat ovanför det önskade spåret måste du vänta tills motorn roterar skivan så att den nödvändiga sektorn är under huvudet. Detta tar ytterligare 5 till 10 ms, beroende på skivans rotationshastighet. När en sektor är under huvudet sker läs- eller skrivprocessen med hastigheter från 5 MB/s (för låghastighetsenheter) till 160 MB/s (för höghastighetsenheter).

Det sista lagret är upptaget av magnetband. Detta medium användes ofta för att skapa säkerhetskopior hårddiskutrymme eller lagring stora set data. För att komma åt information placerades bandet i en magnetbandsläsare, sedan lindades det tillbaka till det begärda informationsblocket. Hela processen varade i minuter. Den beskrivna minneshierarkin är typisk, men i vissa utföringsformer kan inte alla nivåer eller andra typer av dem finnas närvarande (till exempel en optisk skiva). I vilket fall som helst, när man rör sig genom hierarkin från topp till botten, ökar slumpmässig åtkomsttid avsevärt från enhet till enhet, och kapaciteten växer motsvarande åtkomsttid.

Utöver de ovan beskrivna typerna har många datorer ett skrivskyddat slumpmässigt minne (ROM, Read Only Memory), som inte förlorar sitt innehåll när datorsystemet stängs av. ROM-minnet programmeras under tillverkningen och dess innehåll kan inte ändras efter det. På vissa datorer innehåller ROM-skivan startprogram som används för att starta datorn och några I/O-kort för att styra lågnivåenheter.

Elektriskt raderbart ROM (EEPROM, Electrically Erasable ROM) och flash RAM (flash RAM) är också icke-flyktiga, men till skillnad från ROM kan deras innehåll raderas och skrivas om. Men att skriva data till dem tar mycket längre tid än att skriva till RAM. Därför används de på exakt samma sätt som ROM.

Det finns en annan typ av minne - CMOS-minne, som är flyktigt och används för att lagra aktuellt datum och aktuell tid. Minnet drivs av ett batteri inbyggt i datorn och kan innehålla konfigurationsparametrar (som t.ex. indikerar vilken hårddisk som ska startas från).

3. I/O-enheter

Andra enheter som samverkar nära med operativsystemet är in-/utgångsenheter, som består av två delar: styrenheten och själva enheten. Styrenheten är en mikrokrets (chipset) på ett kort som sätts in i en kontakt, som tar emot och utför kommandon från operativsystemet.

Till exempel får styrenheten ett kommando för att läsa en specifik sektor från disken. För att utföra kommandot omvandlar styrenheten det linjära numret för skivsektorn till numret på cylindern, sektorn och huvudet. Konverteringsoperationen kompliceras av det faktum att de yttre cylindrarna kan ha fler sektorer än de inre. Styrenheten bestämmer sedan vilken cylinder som är placerad ovanför det här ögonblicket huvudet, och ger en sekvens av pulser för att flytta huvudet det erforderliga antalet cylindrar. Därefter väntar styrenheten på att skivan ska rotera och placerar den nödvändiga sektorn under huvudet. Sedan processerna för att läsa och lagra bitar när de kommer från disken, processerna för att ta bort rubriken och beräkna kontrollsumma. Därefter samlar styrenheten de mottagna bitarna till ord och lagrar dem i minnet. För att utföra detta arbete innehåller kontrollerna inbyggd firmware.

Själva I/O-enheten har ett enkelt gränssnitt som måste överensstämma med den enhetliga IDE-standarden (IDE, Integrated Drive Electronics - inbyggt enhetsgränssnitt). Eftersom enhetsgränssnittet är dolt av styrenheten, ser operativsystemet endast styrenhetsgränssnittet, vilket kan skilja sig från enhetsgränssnittet.

Eftersom kontroller för olika enheter I/O-enheter skiljer sig från varandra, för att hantera dem behöver du lämplig programvara - drivrutiner. Därför måste varje styrenhetstillverkare tillhandahålla drivrutiner för de styrenheter som den stöder. operativsystem. Det finns tre sätt att installera drivrutinen i operativsystemet:

Bygg om kärnan med en ny drivrutin och starta sedan om systemet, vilket är hur många UNIX-system fungerar;

Skapa en post i filen som ingår i operativsystemet att en drivrutin krävs och starta om systemet; under den första uppstarten kommer operativsystemet att hitta nödvändig förare och ladda ner det; Så här fungerar Windows-operativsystemet;

Acceptera nya drivrutiner och installera dem snabbt med operativsystemet medan det körs; Denna metod används av flyttbara USB- och IEEE 1394-bussar, som alltid kräver dynamiskt laddade drivrutiner.

Det finns vissa register för kommunikation med varje styrenhet. Till exempel kan en minimal diskkontroller ha register för att specificera diskadress, minnesadress, sektornummer och operationsriktning (läs eller skriv). För att aktivera kontrollern får föraren ett kommando från operativsystemet och översätter det sedan till värden som är lämpliga för att skriva till enhetsregister.

På vissa datorer mappas I/O-enhetsregister till operativsystemets adressutrymme så att de kan läsas eller skrivas som vanliga ord i minnet. Registeradresser placeras i RAM utanför räckhåll för användarprogram för att skydda användarprogram från hårdvaran (till exempel genom att använda bas- och limitregistren).

På andra datorer finns enhetsregister i speciella I/O-portar och varje register har sin egen portadress. På sådana maskiner är IN- och UT-kommandon tillgängliga i privilegierat läge, vilket gör att förare kan läsa och skriva register. Det första schemat eliminerar behovet av speciella I/O-instruktioner, men använder visst adressutrymme. Det andra schemat påverkar inte adressutrymmet, men kräver speciella kommandon. Båda systemen används i stor utsträckning. Datainmatning och -utmatning sker på tre sätt.

1. Användarprogrammet utfärdar en systembegäran, som kärnan översätter till ett proceduranrop för motsvarande drivrutin. Drivrutinen börjar sedan I/O-processen. Under denna tid exekverar föraren en mycket kort programslinga och kontrollerar hela tiden beredskapen för enheten den arbetar med (vanligtvis finns det någon bit som indikerar att enheten fortfarande är upptagen). När I/O-operationen är klar placerar föraren data där den behövs och återvänder till initialtillståndet. Operativsystemet återställer sedan kontrollen till programmet som gjorde anropet. Denna metod kallas redo vänta eller aktiv vänta och har en nackdel: processorn måste polla enheten tills den slutför sitt arbete.

2. Drivrutinen startar enheten och ber den att göra ett avbrott när I/O är klar. Efter detta returnerar föraren data, operativsystemet blockerar anropsprogrammet, om nödvändigt, och börjar utföra andra uppgifter. När styrenheten upptäcker slutet på en dataöverföring genererar den ett avbrott för att signalera att operationen är slutförd. Mekanismen för att implementera input-output sker enligt följande (Fig. 6.a):

Steg 1: föraren sänder kommandot till styrenheten och skriver information till enhetsregistren; Styrenheten startar I/O-enheten.

Steg 2: Efter avslutad läsning eller skrivning skickar styrenheten en signal till avbrottskontrollkretsen.

Steg 3: Om avbrottskontrollern är redo att ta emot ett avbrott, skickar den en signal till ett specifikt stift på CPU:n.

Steg 4: Avbrottskontrollern placerar I/O-enhetsnumret på bussen så att CPU:n kan läsa det och veta vilken enhet som har slutfört sitt arbete. När CPU:n tar emot ett avbrott, skjuts innehållet i programräknaren (PC) och processorstatusord (PSW) till den aktuella stacken, och processorn växlar till privilegierat läge (operativsystems kärnläge). I/O-enhetsnumret kan användas som ett index till en del av minnet som används för att hitta adressen till avbrottshanteraren av denna enhet. Denna del av minnet kallas avbrottsvektorn. När avbrottshanteraren (den del av enhetsdrivrutinen som skickade avbrottet) börjar sitt arbete, tar den bort programräknaren och processorstatusordet som finns i stacken, lagrar dem och frågar enheten för information om dess tillstånd. Efter att avbrottsbearbetningen är klar, återgår kontrollen till användarprogrammet som kördes tidigare, till kommandot vars exekvering ännu inte har slutförts (fig. 6 b).

3.För inmatning och utmatning av information används en styrenhet för direkt minnesåtkomst (DMA, Direct Memory Access), som styr flödet av bitar mellan RAM och vissa styrenheter utan konstant ingripande från den centrala processorn. Processorn anropar DMA-chippet, berättar hur många byte som ska överföras, tillhandahåller enhets- och minnesadresser och riktningen för dataöverföringen och låter chippet göra sin egen grej. Efter slutförandet utfärdar DMA ett avbrott, som hanteras därefter.

Avbrott kan inträffa vid olämpliga tidpunkter, till exempel när ett annat avbrott bearbetas. Av denna anledning har CPU:n möjlighet att inaktivera avbrott och aktivera dem senare. Medan avbrott är inaktiverade fortsätter alla enheter som har slutfört sitt arbete att skicka sina signaler, men processorn avbryts inte förrän avbrott har aktiverats. Om flera enheter avslutas samtidigt medan avbrott är inaktiverade, bestämmer avbrottskontrollern vilken som ska behandlas först, vanligtvis baserat på de statiska prioriteringar som tilldelats varje enhet.

Pentium-datorsystemet har åtta bussar (cachebuss, lokalbuss, minnesbuss, PCI, SCSI, USB, IDE och ISA). Varje buss har sin egen dataöverföringshastighet och funktioner. Operativsystemet måste innehålla information om alla bussar för att hantera datorn och konfigurera den.

ISA-buss (Industry Standard Architecture) - dök först upp på IBM PC/AT-datorer, fungerar på 8,33 MHz och kan överföra två byte per klockcykel med en maximal hastighet på 16,67 MB/s; den ingår i systemet för bakåtkompatibilitet med äldre långsamma I/O-kort.

PCI-bussen (Peripheral Component Interconnect) - skapad av Intel som en efterföljare till ISA-bussen, kan arbeta med en frekvens på 66 MHz och överföra 8 byte per klocka med en hastighet av 528 MB/s. För närvarande PCI bussar använda de flesta höghastighets I/O-enheter, såväl som datorer med icke-Intel-processorer, eftersom många I/O-kort är kompatibla med det.

Den lokala bussen på ett Pentium-system används av CPU:n för att överföra data till PCI-bryggkretsen, som kommer åt minnet på en dedikerad minnesbuss, ofta på 100 MHz.

Cachebussen används för att ansluta extern cache, eftersom Pentium-system har en första nivås cache (L1 cache) inbyggd i processorn och en stor extern cache på andra nivån (L2 cache).

IDE-bussen används för att ansluta kringutrustning: diskar och CD-ROM-läsare. Bussen är en ättling till PC/AT-diskkontrollergränssnittet och är för närvarande standard på alla system baserade på Pentium-processorer.

USB-buss (Universal Seriebuss, universal seriell buss) är designad för att ansluta långsamma in-/utgångsenheter (tangentbord, mus) till en dator. Den använder en liten fyrtrådskontakt med två kablar som ger ström till USB-enheter.

USB-bussen är en centraliserad buss över vilken värdenheten pollar I/O-enheter varje millisekund för att se om de har data. Den kan hantera datanedladdningar med en hastighet av 1,5 MB/s. Alla USB-enheter använder samma drivrutin, så de kan anslutas till systemet utan att starta om det.

SCSI-bussen (Small Computer System Interface) är en högpresterande buss som används för snabba diskar, skannrar och andra enheter som kräver betydande bandbredd. Dess prestanda når 160 MB/s. SCSI-bussen används på Macintosh-system och är populär på UNIX-system och andra system baserade på Intel-processorer.

IEEE 1394-bussen (FireWire) är en bit-seriell buss och stöder paketdataöverföring i hastigheter upp till 50 MB/s. Den här egenskapen låter dig ansluta bärbara digitala videokameror och andra multimediaenheter till din dator. Till skillnad från ett däck USB-buss IEEE 1394 har ingen central styrenhet.

Operativsystemet måste kunna känna igen hårdvarukomponenter och kunna konfigurera dem. Detta krav ledde Intel och Microsoft för att utveckla ett persondatorsystem som kallas plug and play. Före detta system hade varje I/O-kort fasta I/O-registeradresser och en nivå för avbrottsbegäran. Till exempel använde tangentbordet avbrott 1 och adresser i intervallet 0x60 till 0x64; Diskettenheten använde avbrott 6 och adresser 0x3F0 till 0x3F7; skrivaren använde avbrott 7 och adresser från 0x378 till 0x37A.

Om användaren köpte Ljudkort och modem, hände det att dessa enheter av misstag använde samma avbrott. Det uppstod en konflikt, så enheterna kunde inte fungera tillsammans. Möjlig lösning Det var att bygga en uppsättning DIP-switchar (jumpers) i varje kort och konfigurera varje kort så att portadresserna och avbrottsnumren för olika enheter inte kom i konflikt med varandra.

Plug and play låter operativsystemet automatiskt samla in information om I/O-enheter, centralt tilldela avbrottsnivåer och I/O-adresser och sedan kommunicera denna information till varje kort. Detta system körs på Pentium-datorer. Varje dator med Pentium-processor innehåller moderkortet som programmet finns på - BIOS-systemet (Basic Input Output System). BIOS innehåller I/O-program på låg nivå, inklusive procedurer för att läsa från tangentbordet, för att visa information på skärmen, för I/O-data från disken, etc.

När datorn startar upp startar BIOS-systemet, vilket kontrollerar mängden RAM installerat i systemet, anslutningen och korrekt funktion av tangentbordet och andra huvudenheter. Därefter kontrollerar BIOS ISA- och PCI-bussarna och alla enheter som är anslutna till dem. Vissa av dessa enheter är traditionella (pre-plug and play). De har fasta avbrottsnivåer och I/O-portadress (till exempel inställda med switchar eller byglar på I/O-kortet och kan inte ändras av operativsystemet). Dessa enheter registreras, sedan registreras plug and play-enheter. Om de befintliga enheterna skiljer sig från de som fanns under den senaste uppstarten konfigureras nya enheter.

BIOS bestämmer sedan vilken enhet som ska startas från genom att prova var och en av listan som är lagrad i CMOS-minnet i tur och ordning. Användaren kan ändra denna lista genom att gå in i BIOS-konfigurationsprogrammet omedelbart efter uppstart. Vanligtvis kommer den först att försöka starta från disketten. Om detta misslyckas provas CD-skivan. Om din dator inte har både en diskett och en CD, startar systemet från hårddisken. Den första sektorn läses in i minnet från startenheten och exekveras. Den här sektorn innehåller ett program som kontrollerar partitionstabellen i slutet av bootsektorn för att avgöra vilken partition som är aktiv. Den sekundära starthanteraren läses sedan från samma partition. Den läser operativsystemet från den aktiva partitionen och startar den.

Operativsystemet pollar sedan BIOS för att få information om datorns konfiguration och kontrollerar om det finns en drivrutin för varje enhet. Om drivrutinen saknas ber operativsystemet användaren att sätta in en diskett eller CD som innehåller drivrutinen (dessa disketter levereras av enhetstillverkaren). Om alla drivrutiner är på plats, laddar operativsystemet in dem i kärnan. Den initierar sedan drivrutinstabellerna, skapar alla nödvändiga bakgrundsprocesser och kör lösenordsinmatningsprogrammet eller GUI vid varje terminal.

5. Historien om datorteknikens utveckling

Alla IBM-kompatibla persondatorer är utrustade med Intel-kompatibla processorer. Historien om utvecklingen av mikroprocessorer i Intel-familjen är kortfattat som följer. Intels första universella mikroprocessor dök upp 1970. Den kallades Intel 4004, var fyrabitars och hade förmågan att mata in/mata ut och bearbeta fyrabitars ord. Dess hastighet var 8000 operationer per sekund. Intel 4004 mikroprocessor designades för användning i programmerbara miniräknare med en minnesstorlek på 4 KB.

Tre år senare släppte Intel 8080-processorn, som redan kunde utföra 16-bitars aritmetiska operationer, hade en 16-bitars adressbuss och därför kunde adressera upp till 64 KB minne (2 516 0 = 65536). 1978 präglades av lanseringen av 8086-processorn med en ordstorlek på 16 bitar (två byte), en 20-bitars buss och kunde arbeta med 1 MB minne (2 520 0 = 1048576, eller 1024 KB), uppdelat i block (segment) på 64 KB vardera. 8086-processorn ingick i datorer som var kompatibla med IBM PC och IBM PC/XT. Nästa stora steg i utvecklingen av nya mikroprocessorer var 8028b-processorn, som dök upp 1982. Den hade en 24-bitars adressbuss, kunde hantera 16 megabyte adressutrymme och installerades på datorer som var kompatibla med IBM PC/AT. I oktober 1985 släpptes 80386DX med en 32-bitars adressbuss (maximalt adressutrymme 4 GB), och i juni 1988 släpptes 80386SX, som var billigare än 80386DX och hade en 24-bitars adressbuss. Sedan i april 1989 dök mikroprocessorn 80486DX upp, och i maj 1993 dök den första versionen av Pentium-processorn upp (båda med en 32-bitars adressbuss).

I maj 1995 i Moskva på den internationella utställningen Comtec-95, presenterade Intel ny processor- P6.

Ett av de viktigaste målen som sattes upp under utvecklingen av P6 var att fördubbla prestanda hos Pentium-processorn. Samtidigt kommer produktionen av de första versionerna av P6 att utföras enligt den redan felsökta "Intel" och användas i produktionen senaste versionerna Pentium-halvledarteknologi (O,6 mikron, 3,3 V).

Att använda samma tillverkningsprocess säkerställer att P6:an kan masstillverkas utan större problem. Detta innebär dock att fördubbling av prestanda endast uppnås genom omfattande förbättringar av processorns mikroarkitektur. P6-mikroarkitekturen designades med en noggrant genomtänkt och avstämd kombination av olika arkitektoniska tekniker. Några av dem testades tidigare i processorer för stora datorer, några föreslogs av akademiska institutioner, och resten utvecklades av Intels ingenjörer. Denna unika kombination av arkitektoniska egenskaper, som Intel refererar till som "dynamisk exekvering", gjorde att de första P6-matriserna överträffade de ursprungligen planerade prestandanivåerna.

Jämfört med alternativa Intel-processorer i x86-familjen visar det sig att P6-mikroarkitekturen har mycket gemensamt med mikroarkitekturen hos NexGens Nx586 och AMD:s K5-processorer, och, om än i mindre utsträckning, med Cyrix M1. Denna gemensamhet förklaras av det faktum att ingenjörer från fyra företag löste samma problem: att introducera delar av RISC-teknik samtidigt som kompatibiliteten bibehölls med Intel x86 CISC-arkitekturen.

Två kristaller i ett paket

Den största fördelen och unika egenskapen med P6 är dess positionering i samma paket med processorn finns ett sekundärt statiskt cacheminne på 256 KB i storlek, kopplat till processorn med en speciellt dedikerad buss. Denna design bör avsevärt förenkla designen av P6-baserade system. P6 är den första mikroprocessorn designad för massproduktion som innehåller två chips i ett paket.

CPU-matrisen i P6 innehåller 5,5 miljoner transistorer; L2 cachekristall - 15,5 miljoner. Som jämförelse inkluderade den senaste Pentium-modellen cirka 3,3 miljoner transistorer, och L2-cachen implementerades med hjälp av en extern uppsättning minnesmatriser.

Ett så stort antal transistorer i cachen förklaras av dess statiska natur. P6:s statiska minne använder sex transistorer för att lagra en bit, medan dynamiskt minne bara skulle behöva en transistor per bit. Statiskt minne är snabbare, men dyrare. Även om antalet transistorer på ett chip med en sekundär cache är tre gånger större än på ett processorchip, är cachens fysiska dimensioner mindre: 202 kvadratmillimeter mot 306 för processorn. Båda kristallerna är inneslutna tillsammans i ett keramiskt paket med 387 kontakter ("dual cavity pin-drid array"). Båda formarna är tillverkade med samma teknik (0,6 µm, 4-lagers metall-BiCMOS, 2,9 V). Beräknad maximal effektförbrukning: 20 W vid 133 MHz.

Det första skälet till att kombinera processor och sekundär cache i ett paket är att underlätta design och produktion av högpresterande P6-baserade system. Prestandan hos ett datorsystem byggt på snabb processor, beror väldigt mycket på finjusteringen av processormiljöchipsen, i synnerhet den sekundära cachen. Inte alla datortillverkande företag har råd med lämplig forskning. I P6 är den sekundära cachen redan konfigurerad optimalt för processorn, vilket förenklar designen av moderkortet.

Det andra skälet till sammanslagningen är att förbättra produktiviteten. Den andra nivåns CPU är ansluten till processorn med en speciellt dedikerad 64-bitars bred buss och arbetar med samma klockfrekvens som processorn.

De första Pentium-processorerna vid 60 och 66 MHz fick åtkomst till den sekundära cachen över en 64-bitars buss med samma klockhastighet. Men när Pentiums klockhastigheter ökade blev det för svårt och dyrt för designers att upprätthålla sådana klockhastigheter på moderkortet. Därför började frekvensdelare användas. Till exempel, för en 100 MHz Pentium, arbetar den externa bussen med en frekvens på 66 MHz (för en 90 MHz Pentium är den 60 MHz, respektive). Pentium använder denna buss både för att komma åt den sekundära cachen och för att komma åt huvudminnet och andra enheter, såsom PCI-kretsuppsättningen.

Att använda en dedikerad buss för att komma åt den sekundära cachen förbättrar systemets prestanda. För det första uppnår detta fullständig synkronisering av processor- och busshastigheter; för det andra elimineras konkurrensen med andra I/O-operationer och tillhörande förseningar. L2-cachebussen är helt skild från den externa bussen, genom vilken minne och externa enheter. Den externa 64-bitarsbussen kan arbeta med hälften, en tredjedel eller en fjärdedel av processorns hastighet, medan den sekundära cachebussen arbetar oberoende med full hastighet.

Att kombinera processorn och det sekundära cacheminnet till ett enda paket och kommunicera dem över en dedikerad buss är ett steg mot de prestandahöjande teknikerna som används i de mest kraftfulla RISC-processorerna. Således, i Alpha 21164-processorn från Digital, är den andra nivåns cache på 96 kB placerad i processorkärnan, som den primära cachen. Detta ger mycket hög cacheprestanda genom att öka antalet transistorer på chipet till 9,3 miljoner. Prestandan för Alpha 21164 är 330 SPECint92 vid 300 MHz. P6:ans prestanda är lägre (Intel uppskattar 200 SPECint92 vid 133 MHz), men P6 ger det bästa förhållandet mellan kostnad och prestanda för sin potentiella marknad.

När man bedömer förhållandet mellan kostnad och prestanda är det värt att tänka på att även om P6 kan vara dyrare än sina konkurrenter, måste de flesta andra processorer omges av ytterligare en uppsättning minneschips och en cachekontroller. Dessutom, för att uppnå jämförbar cacheprestanda, kommer andra processorer att behöva använda större cacheminne än 256 KB.

Intel erbjuder vanligtvis många varianter av sina processorer. Detta görs för att tillgodose de olika kraven från systemdesigners och lämna mindre utrymme för konkurrerande modeller. Därför kan vi anta att snart efter starten av produktionen av P6, både modifieringar med en ökad volym sekundärt cache-minne och billigare modifieringar med en extern placering av den sekundära cachen, men med en bibehållen dedikerad buss mellan den sekundära cachen och processorn visas.

Pentium som utgångspunkt

Pentium-processor med sin pipeline och superskalär arkitektur har uppnått imponerande prestandanivåer. Pentium innehåller två 5-stegs pipelines som kan köras parallellt och exekvera två heltalsinstruktioner per maskinklockcykel. I det här fallet kan endast ett par kommandon utföras parallellt, följa varandra i programmet och uppfylla vissa regler, till exempel frånvaron av registerberoende av typen "skriv efter läsning".

I P6, för att öka genomströmningen, gjordes en övergång till en enda 12-stegs pipeline. Att öka antalet etapper leder till en minskning av det arbete som utförs i varje etapp och, som ett resultat, till en minskning av tiden ett team tillbringar i varje etapp med 33 procent jämfört med Pentium. Det betyder att att använda samma teknik som används för att producera en P6 som en 100 MHz Pentium skulle resultera i en P6 klockad till 133 MHz.

Kraften i Pentiums superskalära arkitektur, med dess förmåga att utföra två instruktioner per klocka, skulle vara svår att slå utan ett helt nytt tillvägagångssätt. P6:s nya tillvägagångssätt eliminerar det stela förhållandet mellan de traditionella "hämta" och "kör" faserna, där sekvensen av kommandon genom dessa två faser motsvarar sekvensen av kommandon i programmet.

Det nya tillvägagångssättet innebär användning av den så kallade kommandopoolen och nya effektiva metoder förutsäga programmets framtida beteende. I detta fall ersätts den traditionella "exekveringsfasen" med två: "utskick/utförande" och "återställning". Som ett resultat kan kommandon börja köras i vilken ordning som helst, men slutför alltid exekveringen i enlighet med deras ursprungliga ordning i programmet. P6-kärnan är implementerad som tre oberoende enheter som interagerar genom en kommandopool (fig. 1).

Det största problemet med att förbättra produktiviteten

Beslutet att organisera P6 som tre oberoende enheter som interagerar via en instruktionspool togs efter en grundlig analys av de faktorer som begränsar prestandan hos moderna mikroprocessorer. Ett grundläggande faktum som gäller för Pentium och många andra processorer är att processorns kraft inte används till fullo när man kör verkliga program.

Medan processorhastigheterna har ökat minst 10 gånger under de senaste 10 åren, har åtkomsttiderna för huvudminnet minskat med endast 60 procent. Denna ökande fördröjning i minneshastighet i förhållande till processorhastighet var det grundläggande problemet som måste lösas när man designade P6.

Ett möjligt tillvägagångssätt för att lösa detta problem är att flytta fokus till utvecklingen av högpresterande komponenter som omger processorn. Massproduktion av system som inkluderar både en högpresterande processor och höghastighetschips för specialiserade miljöer skulle dock bli för dyrt.

En möjlig brute force-lösning kan vara att öka storleken på L2-cachen för att minska procentandelen gånger cachen missar den data som krävs.

Denna lösning är effektiv, men också extremt dyr, särskilt med tanke på dagens hastighetskrav för L2-cachekomponenter. P6 designades med utgångspunkt från en effektiv implementering av ett komplett datorsystem, och det krävdes att hög prestanda för hela systemet skulle uppnås med hjälp av ett billigt minnesundersystem.

Således, P6:s kombination av arkitektoniska tekniker såsom förbättrad förgreningsförutsägelse (nästa sekvens av kommandon bestäms nästan alltid korrekt), dataflödesanalys (den optimala ordningen för kommandoexekvering bestäms) och lookahead-exekvering (den förutsagda sekvensen av kommandon exekveras utan driftstopp i optimal ordning) fördubblad prestanda i förhållande till Pentium med samma produktionsteknik. Denna kombination av metoder kallas dynamisk exekvering.

För närvarande utvecklar Intel en ny produktionsteknik på 0,35 mikron, som gör det möjligt att producera P6-processorer med en kärnklockhastighet på över 200 MHz.

P6 som en plattform för att bygga kraftfulla servrar

Bland de mest betydande trender inom datorutveckling de senaste åren kan lyftas fram som den ökande användningen av system baserade på x86-familjens processorer som applikationsservrar, och Intels växande roll som leverantör av icke-processorteknologier, såsom bussar, nätverkstekniker, videokomprimering, flashminne och systemadministrationsverktyg.

Utgivningen av P6-processorn fortsätter Intels policy att ta med funktioner som tidigare bara fanns i dyrare datorer till massmarknaden. Paritetskontroll tillhandahålls för de interna P6-registren, och 64-bitarsbussen som förbinder processorkärnan och den andra nivåns cache är utrustad med feldetekterings- och korrigeringsverktyg. Nya diagnostiska funktioner inbyggda i P6 gör det möjligt för tillverkare att designa mer pålitliga system. P6 ger möjlighet att erhålla information genom processorkontakter eller använda programvara om mer än 100 processorvariabler eller händelser som inträffar i den, såsom frånvaron av data i cachen, innehållet i register, utseendet av självmodifierande kod och så vidare. Operativsystemet och andra program kan läsa denna information för att fastställa processorns tillstånd. P6 har också förbättrat stöd för kontrollpunkter, vilket innebär att datorn kan rullas tillbaka till ett tidigare inspelat tillstånd om ett fel uppstår.

Liknande dokument

Datorteknik dök upp för länge sedan, eftersom behovet av olika typer av beräkningar fanns i början av civilisationens utveckling. Snabb utveckling av datorteknik. Skapandet av de första datorerna, minidatorerna sedan 80-talet av 1900-talet.

abstrakt, tillagd 2008-09-25


Egenskaper för tekniska och förebyggande underhållssystem för datorutrustning. Diagnostikprogram för operativsystem. Samband mellan automatiserade styrsystem. Skydda din dator från yttre negativ påverkan.

abstrakt, tillagt 2015-03-25


Utveckling av ett informations- och analyssystem för att analysera och optimera konfigurationen av datorutrustning. Struktur för automatiserad styrning av datorutrustning. Programvara, motivering av projektets ekonomiska effektivitet.

avhandling, tillagd 2013-05-20


Det manuella skedet av datorteknikutveckling. Positionsnummersystem. Mekanikens utveckling på 1600-talet. Elektromekanisk utvecklingsstadium för datorteknik. Femte generationens datorer. Alternativ och särdrag superdator.

kursarbete, tillagt 2012-04-18


Strukturen och principen för driften av en persondator (PC). Diagnostik av PC-prestanda och identifiering av fel. Uppgifter Underhåll datoranläggningar. Utveckling av metoder för att hålla utrustning i fungerande skick.

kursarbete, tillagd 2011-07-13


Studie av utländska och inhemska praxis i utvecklingen av datorteknik, samt utsikter för utveckling av datorer inom en snar framtid. Teknik för att använda datorer. Stadier av utvecklingen av datorindustrin i vårt land. Sammanfoga PC och kommunikation.

kursarbete, tillagt 2013-04-27


Klassificering av designprocedurer. Historien om syntesen av datorteknik och ingenjörsdesign. Funktioner av datorstödda designsystem, deras programvara. Funktioner för användningen av tredimensionella skannrar, manipulatorer och skrivare.

abstrakt, tillagt 2012-12-25


Automatisering av databehandling. Datavetenskap och dess praktiska resultat. Historien om skapandet av digital datorteknik. Elektromekaniska datorer. Användande vakuumrör och datorer av första, tredje och fjärde generationen.

avhandling, tillagd 2009-06-23


Konceptet och egenskaperna hos en persondator, dess huvuddelar och deras syfte. Verktyg för undervisning i datavetenskap och funktioner för att organisera arbetet i ett datavetenskapsklassrum. Utrustning av arbetsplatser och tillämpning av mjukvara.

abstrakt, tillagt 2012-09-07


Sammansättningen av ett datorsystem är konfigurationen av datorn, dess hårdvara och mjukvara. Enheter och instrument som bildar hårdvarukonfigurationen för en persondator. Huvudminne, I/O-portar, kringutrustningsadapter.