Система ввода/вывода(свв)

Организация обмена данными между ядром и ПУ возлагается на так называемую систему ввода/вывода (IOS). Система ввода/вывода (СВВ) представляет собой комплекс аппаратных и программных средств.

Аппаратные средства СВВ:

· ПУ;

· контроллеры (адаптеры) ПУ;

· специализированные контроллеры для организации обмена (DMAC – direct memory access controller);

· аппаратные интерфейсы;

· система прерываний (точнее ее аппаратная часть обычно представлена специализированным контроллером PIC).

· Программные средства СВВ:

· супервизор ввода-вывода;

· драйверы ПУ.

Под вводом данных обычно понимается их передача из ПУ в основную память. Под выводом данных – передача данных из ОП в ПУ.

Основные способы организации ввода/вывода:

· Программно-управляемый ввод-вывод (В/В) (PIO).

Иногда разделяют на синхронный и асинхронный.

· В/В по прерыванию

· В/В в режиме DMA (прямой доступ к памяти).

При использовании первых двух способов все управления В/В организует ЦП. При этом регистры ЦП обычно являются промежуточным звеном при пересылке данных между ОП и ПУ. При использовании третьего способа организацию обмена осуществляет контроллер DMA без участия ЦП. По завершению операции обмена контроллер DMA информирует об этом ЦП через систему прерываний.

Как правило, контроллеры ПУ включает в свой состав:

- регистр данных;

- регистр приказов (регистр команд);

- регистр состояний.

для доступа к ним со стороны ЦП.

5. Центральный процессор (ЦП) как основное устройство ЭВМ. Основные функции ЦП как обрабатывающего и управляющего устройства. Состав ЦП. Основные характеристики ЦП.

Основное устройство компьютера – ЦП – выполняет двоякую функцию:

· С одной стороны, ЦП является обрабатывающим устройством, т.к. реализует функции по обработке данных в соответствии с заданной программой.

· С другой стороны ЦП является управляющим устройством в связи с тем, что на него возлагаются функции, во-первых, по управлению программой, и, во-вторых, по управлению устройствами периферийной части компьютера.

Управление периферийными устройствами как правило сводится к обеспечению реакции на запросы устройств и к организации обмена между периферийными устройствами и ядром компьютера.

Основными устройствами (блоками), входящими в состав ЦП, являются:

· ALU(IU-integer unit),

· FPU,

· MMX,

· SSE,

· УУ.

АЛУ реализует функцию ЦУ по обработке и предназначено для выполнения арифметических и логических операций над целыми числами, логическими значениями и символьными данными. В некоторых современных моделях компьютеров это устройство называется IU для того, чтобы подчеркнуть основной тип обрабатываемых данных.

Функцией устройства управления (УУ) является выработка сигналов управления, с помощью которых осуществляется выполнение элементарных операций в АЛУ или периферийных устройствах, которые называются микрооперациями.

УУ, во-первых, обеспечивает выполнение команд программы, реализуя выборку команд из памяти, их декодирование, формирование адресов операндов и их выборку из памяти, настройку АЛУ на выполнение заданной операции и запись результата операции в память. С другой стороны УУ реализует функции по управлению взаимодействия периферийных устройств ЭВМ с его ядром, обеспечивая реакцию на запросы ПУ по организации обмена между ними и памятью (ОП). Для обеспечения быстрой реакции на запросы ПУ в ЦП используется система, представляющая собой комплекс аппаратных и программных средств.

Кроме АЛУ и УУ в состав ЦП входит внутренняя регистровая память. Регистры ЦП обычно разделяют на программно-доступные и программно-недоступные.

Программно-доступные обычно рассматриваются как программная модель процессора. Например, в базовой модели процессора Intel 8086 – 14 16-разрядных

регистров, из них 8-РОН, 4-сегментных, FR – флаговый регистр и IP-указатель команд. Типичными примерами программно-недоступных регистров могут служить:

· IR (РК) - регистр команд (instruction register);

· MAR(РА) – регистр адреса (memory address register);

· MDR (РД) - регистр данных (memory data register).

Последние два регистра входят в состав интерфейса и служат для обмена между ЦП и ОП.

Основные характеристики ЦП:

1. Тактовая частота в некотором смысле характеризует быстродействие ЦП. Быстродействие оценивается числом операций в секунду. Величина обратная тактовой частоте представляет собой длительность одного такта процессора τ = 1/f.

Для RISC процессоров тактовую частоту можно отождествить с пиковой (предельной) производительностью при условии, что в процессоре отсутствуют средства суперскалярной обработки. Это утверждение базируется на свойстве RISC архитектуры: выполнение подавляющего большинства машинных команд за 1 такт процессора. Таким образом, тактовая частота 1ГГц для RISC процессора без средств суперскалярной обработки соответствует производительности 1000 MIPS (Million Instruction Per Second).

В простейшем смысле под суперскалярной обработкой понимается возможность выполнения ЦП более одной машинной команды в каждом такте. Суперскалярность обеспечивается способностью обрабатывающих устройств в ЦП функционировать параллельно, обеспечивая тем самым возможность схода с конвейера команд в каждом такте более одной готовой команды.

Простейшим способом реализации суперскалярной обработки является использование двух параллельных конвейеров команд как, например, в процессоре Intel Pentium.

Все современные универсальные процессоры имеют средства суперскалярной обработки, с учетом этого для преобразования тактовой частоты в производительность в MIPS`ах необходимо ее умножить на коэффициент суперскалярности, определяющий среднее число машинных команд завершающихся в каждом такте процессора.

При оценке пиковой производительности ЦП и в принципе всего компьютера в целом кроме MIPS используется также MFLOPS (Million Floating Point Operation Per Second) и его производные GFLOPS и TFLOPS. Именно оценка производительности во FLOPS`ах является основанием для формирования рейтинга TOP 500 самых высокопроизводительных вычислительных систем.

2. Разрядность CPU определяется максимальной разрядностью обрабатываемых в АЛУ данных. Современные модели высокопроизводительных процессоров являются 64-х разрядными. Из процессоров фирмы Intel к таким относится Itanium.

3. Мощности системы команд В принципе существует 2 подхода к оценке мощности системы команд. В первом из них мощность определяется количеством уникальных мнемоник на Assembler`е. При втором подходе мощность оценивается числом разнообразных машинных кодов команд с учетом различных кодов команд и режимов адресации. Для примера мощность системы команд базовой модели Intel по числу мнемоник имеет значение 113, а по числу разнообразных машинных кодов ~3800. В дальнейшем будем использовать первый подход к оценке мощности. Именно по этой характеристике осуществляется деление процессоров и соответственно компьютеров на 2 класса: CISC и RISC.

Мощность системы команд в современных CISC процессорах составляет ~350-450, а RISC процессорах ~100-150.

6. Классификация архитектур процессоров по способу хранения операндов. Основные особенности архитектур: аккумуляторной, регистровой, с выделенным доступом к памяти, стековой.