- Клавиатура
- Модем;
- Центральный процессор
| А) передача цифровой информации через аналоговые линии связи;
Б) хранение информации;
В) обеспечение общего управления ПК, осуществление вычислений по программе, хранящейся в ОЗУ;
Г) визуальное отображение информации, находящейся в ОЗУ;
Д) ввод алфавитно-цифровых символов, управление курсором;
Е) вывод графической информации на материальный носитель.
4.Представить десятичные числа 210, 366 в двоичной форме записи.
5. Преобразовать число 10001110101 из двоичной системы в десятичную.
6. Дана задача, написанная на алгоритмическом языке. Построить блок схему.
Компоненты процессора
Неймана». 3.4.1.1. Принцип работы Принцип работы любого процессора заключается в следующем. На вход CPU m системной шине поступают сигналы в виде логических 0 или 1 (т.е. двоичные сигналы), эти сигналы декодируются и на основании набора инструкций, интегрированных в CPU, управляют работой процессора, затем на выход процессора поступают «результаты работы CPU» в виде логических 0 и 1. Логические 0 или определяются напряжением на линиях
шины. CPU «принимает решение» в результате функционирования так называемых логических вентилей, каждый из которых состоит по крайней мере из одного транзистора Логические вентили процессора используют принципы, заложенные Лейбницем и Дж. Булем и развитые в работах Шеннона и Винера. Главными булевыми операторами являются И, ИЛИ, НЕ, и НЕ-И (не И), а также всевозможные комбинации этих операторов. Логические вентили обеспечивают
построение необходимого набора логических цепей для реализации инструкций процессора. Логические вентили управляются транзистором данного вентиля. Однако эти транзисторы не являются отдельным элементом. Современные микропроцессоры на одном кристалле содержат десятки миллионов микроскопических транзисторов. Используемые в комбинации с резисторами, конденсаторами и диодами, они составляют логические вентили, которые в
свою очередь и составляют основные блоки процессора. В 1971 г. корпорации Intel впервые удалось интегрировать логические вентили на одном кристалле и создать первый в мире процессор, получивший название Intel 4004. Функционирование всех элементов процессора синхронизировано с помощью таймера. Первый микропроцессор работал с тактовой частотой 108 кГц, в то время как современный Pentium 4 — 3,06 ГГц, т. е. выполняется 3 млрд тактов в секунду. Во
Основные компоненты процессора
Delphi site: daily Delphi-news, documentation, articles, review, interview, computer humor.
Главные функциональные компоненты процессора (рис. 6.1) описаны ниже на примере процессора семейства Intel Pentium.
— Ядро — основной компонент процессора, осуществляющий выполнение команд. Pentium имеет два параллельных целочисленных конвейера, дающих возможность читать, интерпретировать, выполнять и посылать две команды одновременно.
— Модуль предсказания перехода (Branch Predictor). Модуль определяет изменение последовательности выполнения команд после перехода, для того чтобы переслать эти команды заранее в декодер команд.
— Сопроцессор. Модуль для выполнения операций с нецелыми числами (числами с плавающей точкой).
— Кэш-память первого уровня (LI). CPU Pentium имеет два модуля кэшпамяти (L1) по 8 Кбайт каждый: один для команд, а другой для данных. Время доступа к данным модулям намного быстрее, чем к внешней кэшпамяти второго уровня (L2).
— Интерфейсный модуль системной шины. По системной шине в CPU поступают команды и данные, которые в данном модуле разделяются на два потока. В случае, когда данные и команды выходят от CPU, потоки объединяются.
Примечание Переход — это изменение последовательности выполнения команд в соответствии с алгоритмом программного обеспечения. Согласно статистике, переходы встречаются в среднем через каждые шесть команд. Существуют безусловные переходы (типа GOTO), когда управление передается по новому указанному адресу, и условные (типа IF), когда изменяется ход выполнения программы в зависимости от результатов сравнения. Условные переходы снижают общую производительность CPU, т. к. в ожидании этого перехода конвейер работает вхолостую.
Немного истории В 1965 г. сотрудник фирмы Fairchild Semiconductor Гордон Мур (Gordon Moore)- в последствии один из основателей корпорации Intel — обнаружил любопытную закономерность в развитии вычислительных устройств.
В процессе подготовки очередного доклада он, представив в виде графика рост производительности запоминающих микросхем, заметил, что новые модели микросхем разрабатывались спустя более-менее одинаковые периоды (1,5-2 года) после появления их предшественников, а емкость их при этом возрастала каждый раз примерно вдвое. Если такая тенденция продолжится, заключил Мур, то мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастет на протяжении относительно короткого промежутка времени.
Впоследствии наблюдение Мура блестяще подтвердилось и было возведено «в ранг закона». На законе Мура основано большинство современных прогнозов роста производительности компьютерных систем.
Увеличение быстродействия процессора Согласно закону, сформулированному в 1965 г. Гордоном Муром, количество транзисторов в интегральной микросхеме увеличивалось вдвое каждые 18 месяцев. Мур предсказал, что эта тенденция будет сохраняться в течение следующих десяти лет. График на рис. 6.2 показывает, что закон выполняется и до настоящего времени.
Законы физики ограничивают разработчиков в безграничном увеличении тактовой частоты процессора. Поэтому инженеры постоянно ищут способы заставить процессор выполнять как можно больше операций за один такт. Один подход состоит в увеличении разрядности шины данных и регистров. Первый CPU был 4-разрядным, большинство современных CPU имеет 32-или 64-разрядную шину, разрабатываются и 128-разрядные процессоры. Кроме того, внедряются и другие технологические решения, основные из которых рассмотрены далее.
Сопроцессор Помимо обмена информацией с другими микросхемами на плате, главное предназначение CPU — считать, считать и считать. Если вы вспомните свое школьное время, то констатируете факт, что счет счету рознь. Основные арифметические операции, такие как сложение и вычитание, умножение и деление, приносят меньше забот, чем возведение в степень, вычисление тангенсов или операции с плавающей точкой.
Рис. 6.2. Закон Мура На заре своего существования процессоры могли эффективно работать только с целыми числами. Для того чтобы обрабатывать дробные числа, необходимо было писать специальные программы, используя простые команды.
Для выполнения арифметических операций с плавающей точкой был разработан специальный арифметический процессор, называемый сопроцессором. В отличие от CPU, он не управляет системой, а ждет команду CPU на выполнение арифметических вычислений и формирование результатов. Согласно заявлениям фирмы Intel, арифметический сопроцессор может сократить на 80% и более (по сравнению с CPU) время выполнения таких арифметических операций, как умножение и возведение в степень. Скорость выполнения сложения и вычитания, как правило, остается без изменения.
Сопроцессор — только обиходное название для этого чипа. Правильно он называется математический сопроцессор (Numeric Processing Unit — NPU, или Floating Point Processing Unit, FP U).
Сопроцессор стал впервые применяться с CPU третьего поколения. Тогда он располагался на материнской плате. Начиная с CPU 486DX, сопроцессор интегрирован прямо в CPU.
Конвеерная обработка Сказать, что процессор с тактовой частотой 100 МГц выполняет 100 млн команд в секунду- не верно. Для выполнения одной команды требуется, как правило для процессоров линейки х86, пять тактов: один, чтобы загрузить команду; один, чтобы ее декодировать; один, чтобы загрузить данные, один — выполнить команду и один, чтобы записать результат. В этом случае очевидно, что процессор с тактовой частотой 100 МГц может выполнить лишь 20 миллионов команд в секунду.
Большинство процессоров теперь использует конвейерную обработку. Под конвейером в данном случае понимается такой метод внутренней обработки команд, когда исполнение команды разбивается на несколько ступеней (Stages) и каждой ступени соответствует свой модуль в структуре CPU. По очередному тактовому импульсу каждая команда в драйвере продвигается на следующую ступень, при этом выполненная команда покидает конвейер, а новая поступает в него.
Конвейерную обработку можно сравнить с работой грузчиков, стоящих в «цепочке» и передающих из рук в руки упаковки с продуктами. В этом случае процесс погрузки (разгрузки) существенно ускоряется по сравнению с тем, когда каждый грузчик бегает с отдельной упаковкой к месту их складирования.
Процессоры, имеющие несколько ступеней, называются суперскалярными.
Таким образом, если за один такт одна команда загружается, другая декодируется, для третьей команды загружаются данные, четвертая фактически выполняется, а результаты пятой команды записываются, то можно говорить, что одна команда выполняется за один такт.
Суперскалярная архитектура Процессоры, имеющие несколько конвейеров, называются суперконвейерны-ми. Таким образом, несколько команд могут выполняться параллельно. Так, например, CPU Pentium Pro, предок всех современных процессоров, способен выполнить до пяти команд за один такт.
Технология MMX ориентирована на решение задач мультимедиа, требующих интенсивных операций с целыми числами. Подобные задачи решают игровые, коммуникационные, обучающие программы, которые используют графику, аудио, трехмерное изображение, мультипликацию и т. п.
Сущность технологии ММХ состоит в появлении в CPU Pentium виртуального эквивалента 8 новых 64-разрядных регистров и 57 новых команд для решения задач мультимедиа. Восемь новых регистров можно назвать виртуальными потому, что физически эти регистры являются регистрами сопроцессора. Таким образом, сохраняется совместимость с предыдущими поколениями программ.
В сопроцессорах Pentium имеется восемь универсальных регистров для операций над числами с плавающей точкой по 80 бит каждый. При описании числа с плавающей точкой используются 64 бита для мантиссы и 16 бит для экспоненты. Команды ММХ используют только 64-разрядную часть мантиссы каждого из регистров сопроцессора (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Реализация регистров процессоров Pentium и Pentium ММХ Регистры сопроцессора могут содержать 8 упакованных байтов, 4 упакованных 16-разрядных слова, два упакованных 32-разрядных двойных слова или же одно 64-разрядное слово. Таким образом, данные мультимедиа, разрядность которых кратна восьми, упаковываются в одно 64-разрядное слово, и над ним производится некое общее действие.
Эта методика называется одиночной командой с множественными данными (Single Instruction Multiple Data, S1MD) и ориентирована на алгоритмы и типы данных, которые характерны для программного обеспечения мультимедиа. Предположим, что программа управляет графикой в 8-разрядном представлении цвета (т. е. цвет каждого пиксела кодируется 8 битами). ММХ-команда может упаковать восемь пикселов в один операнд и обработать их все одновременно. Обычный CPU обрабатывает пикселы последовательно. Приложения, работающие со звуком, в основном используют 16-разрядные пакеты данных, таким образом, одна команда ММХ может обработать сразу четыре таких пакета. Следует отметить, что для реализации этого алгоритма требуется специальное программное обеспечение, ориентированное на CPU класса ММХ.
В январе 1999 г. в технологию ММХ было добавлено 70 новых команд (SlMD-инструкций) групповой обработки данных с плавающей точкой (50) и дополнительные команды групповой обработки целочисленных данных (20). Благодаря этому набору команд, называемому SSE (Streaming S1MD Extensiuon), KNI (Katmai New Instruction) или MMX2, были расширены возможности обработки изображений, потоков аудио- и видеоданных, а также распознавания речи.
Так как инструкции ММХ оказались стандартом де-факто для всей линейки процессоров х86, то конкуренты в лице AMD для новых процессоров предложили дополнительный набор из 21 мультимедийной инструкции под названием 3DNow! (в дальнейшем этот набор был дополнен новыми командами), которые узаконили дополнительные регистры памяти в архитектуре процессоров х86. В ответ через год корпорация Intel в процессорах Pentium 111 ввела новый набор инструкций SSE. В процессорах Pentium 4 добавился набор инструкций SSE2. В дальнейшем были разработаны наборы инструкций SSE3 в вариантах для процессоров Intel и AMD. Последние веяния — это набор инструкций SSE4, который сначала предложила корпорация AMD, и ныне известный как SSE4A, а потом корпорация Intel свой набор под вариантами SSE4.1 и SSE4.2.
Несмотря на такую пестроту мультимедийных инструкций, все современные программы поддерживают все варианты как от Intel, так и от AMD. Интересна эволюция внедрения инструкций SSE, например, на сайте корпорации Intel представлены следующие данные:
— SSE, 1999 г. — 70 инструкций;
— SSE1, 2000 г. — 144 инструкции;
— SSE2, 2004 г. — 13 инструкций;
— SSE3, 2006 г. — 32 инструкции;
— SSE4.1, 2007 г. — 47 инструкций;
— SSE4.2, 2008 г. — 7 инструкций.
Для решения задач мультимедиа корпорация AMD разработала и установила на свои CPU новый модуль с конвейерной структурой для обработки 24 новых 3 D-инструкций для ускорения обработки трехмерной графики, аудио- и видеоданных. Этот модуль получил название 3DNow!.
В отличие от технологии ММХ, основанной на работе с целыми числами, в набор инструкций 3DNow! включены команды, работающие с вещественными числами, что важно при расчете трехмерных сцен. Теоретически 3DNow! должен заменить сопроцессор при расчете трехмерных объектов. Модуль может выполнять одновременно до четырех SlMD-инструкций, что заметно увеличивает производительность процессора.
Фактически все современные операционные системы (начиная с WindowsNT) и приложения (базы данных, мультимедиапрограммы, системы автоматизированного проектирования и др.) поддерживают так называемые потоки или нити (threads). Потоки — это наборы команд, для выполнения которых процессором выделяется время. Потоки позволяют в рамках одной программы решать несколько задач одновременно. К примеру, пакеты из состава MS Office задействуют по несколько потоков. MS Word может одновременно корректировать грамматику и печатать, при этом осуществляя ввод данных с клавиатуры и мыши.
В многопроцессорных системах разные потоки могут обрабатываться на разных процессорах (при использовании современных операционных систем и приложений), что увеличивает скорость обработки данных.
Технология Hyper-Thereading имитирует работу с потоками 2-процессорной системы, создавая на одном CPU два логических процессора.
Для реализации в системе технологии Hyper-Thereading необходимо:
— процессор Intel Pentium 4, поддерживающий данную технологию, или Intel Core i7;
— набор микросхем Intel с поддержкой технологии Hyper-Thereading;
— BIOS с поддержкой технологии Hyper-Thereading (соответствующая опция должна быть включена);
— операционная система, оптимизированная для работы с технологией Hyper-Thereading.
Производственный процесс Основное отличие микропроцессоров от других электронных компонентов (транзисторов или интегральных схем) состоит в том, что он располагается на одном кристалле (чипе).
Основным материалом для изготовления чипов является кремний. На первом этапе кремниевый слиток выращивается. При этом он должен быть прозрачным и не иметь дефектов. Данный факт существенно ограничивал размеры кремниевого слитка. Первые слитки имели диаметр около 50 мм, современные — 300 мм и более.
На следующем этапе слиток нарезается на пластины, называемые подложками, которые полируются до зеркального блеска. На этих подложках и создаются чипы. На одной подложке формируется множество процессоров.
На следующем этапе подложку покрывают пленкой окислов (SiOb), которая является изолятором и защитой поверхности пластины (рис. 6.4, а), и затем наносят светочувствительный слой.
Следующий этап, получивший название фотолитографии, по сути напоминает печать фотографий, только в качестве фотобумаги выступает пластина кремния, в качестве негатива — фотошаблон (квадратная пластина кварцевого стекла, покрытая пленкой), в качестве проявителя — специальные химикаты, удаляющие светочувствительный слой (могут также применяться рентгеновские лучи и другие методы), в качестве фиксажа — печь.
Фотошаблон формируется фотохимическим способом, правда засвечивание светочувствительного слоя происходит с помощью электронно-лучевой литографии. Следует отметить, что электронно-лучевая литография имеет в 10-
15 раз более низкую производительность по сравнению с фотолитографическими процессами.
Пластину помещают в установку экспонирования, установка автоматически выравнивает пластину, настраивает фокус и засвечивает светочувствитель ный слой через фотошаблон и систему линз так, что на пластине получается изображение кристалла в масштабе l: I (рис. 6.4, б). Затем пластина сдвигается, экспонируется следующий кристалл и так далее, пока не обработаются все чипы на пластине. В результате засвечивания ультрафиолетовыми лучами химический состав тех участков светочувствительного слоя, которые попали под прозрачные области фотошаблона, меняется. Что дает возможность удалить их с помощью соответствующих химикатов или других методов, вроде плазмы или рентгеновских лучей (рис. 6.4, в).
После чего аналогичной процедуре (уже с использованием других веществ) подвергается и слой окислов на поверхности пластины. И снова, опять же, уже новыми химикатами, снимается светочувствительный слой (рис. 6.4, г, д).
Затем используется новый фотошаблон, чтобы создать следующий уровень, и весь процесс повторяется (число таких операций может составить более 20), пока не будет создана вся структура ядра. Данный этап производства чипа является критическим в плане ошибок: любая пылинка или микроскопический сдвиг в сторону при наложении очередного фотошаблона, и чип уже может отправиться на свалку. Это определяет серьезные требования к качеству материала и чистоте производственных помещений. Например, при использовании 0,25 мкм технологии (т. е. когда минимальный топологический размер — ширина токоведущей дорожки и расстояние между соседними дорожками — составляет 0,25 мкм) в помещении допускается I частица размером не более 0,05 мкм в кубическом футе (28,3169 дм 3 ) — т. н. уровень класса I (класс Ю допускает Ю частиц/фут, а класс 100- 100 частиц/фут). Для сравнения: стоящий неподвижно человек каждую минуту выдыхает порядка 500 таких пылинок. Поэтому производственный процесс происходит в стерильных помещениях, люди работают в специальных костюмах (рис. 6.5).
После того как сформирована структура чипа, пришло время для изменения атомной структуры кремния в углубленных участках путем добавления различных примесей. Это требуется для того, чтобы получить области кремния с различными электрическими свойствами. Для формирования p-областей используют бор, галлий, алюминий, для создания п-областей — сурьму, мышьяк, фосфор. Поверхность пластины тщательно очищается, чтобы вместе с примесями в кремний не попали лишние вещества, после чего она попадает в камеру для высокотемпературной обработки и на нее, в том или ином агрегатном состоянии, с использованием ионизации или без, наносится небольшое количество требуемых примесей. После чего, при температуре порядка 700-1400°С, происходит процесс диффузии- проникновения требуемых элементов в кремний на его открытых в процессе литографии участках.
В результате на поверхности пластины получаются участки с нужными свойствами (рис. 6.4, е). И в конце этого этапа на их поверхность наносится все та же защитная пленка из окисла кремния, толщиной порядка I мкм.
Рис. 6.5. Увеличенное изображение крупинки соли на фоне микропроцессора (а);
специальный костюм (б)
На последнем этапе на поверхности чипа прокладываются металлические соединения (рис. 6.4, ж). До недавнего времени для этой цели обычно использовался алюминий, однако в последнее время стали использовать медь. Медь является лучшим проводником, чем алюминий (удельное сопротивление 0,0175 против 0,028 OmDmm 2 /m), поэтому применение меди в качестве межкомпонентных соединений на кристалле позволяет уменьшить сечение соединений. Однако алюминий образует лучший контакт с кремнием, чем медь. Ученым многих крупнейших компаний потребовалось несколько десятилетий, чтобы найти принцип создания сверхтонкой разделительной области между кремниевой подложкой и медными проводниками, предотвращающей диффузию этих двух материалов. Практически реализовать использование меди в качестве проводников кристаллов удалось IBM в 1998 г. AMD начинает выпуск медных Athlon в начале 2000 г., Intel «перешла на медь» в 2002 г. одновременно с переходом на 0,13 мкм техпроцесс.
На рис. 6.6 представлен один из первых процессоров Intel — процессор 4004.
Но это еще не все. Полученные кристаллы выборочно тестируются (рис. 6.7). На заре производства кристаллов брак составлял около 50%. В настоящее время процент брака гораздо меньше, но все равно он не равен 0. Бракованные кристаллы удаляются из партии, а хорошие устанавливаются в корпус, который многие и считают процессором.
Мы описали довольно общую схему производства ядра CPU. Инженеры крупнейших компаний постоянно работают над разработкой технологий, по зволяющих увеличить количество элементов ядра, уменьшить размеры этих элементов и площадь кристалла и при этом увеличить тактовую частоту работы процессоров.
Рис. 6.6. Процессор S4004
В табл. 6.1 приводятся размеры элемента ядра процессоров Pentium различных поколений.
Рис. 6.7. Разбраковка изготовленных на пластине кристаллов (черными точками помечен брак)
Таблица 6.1. Некоторые характеристики ядра CPU
Классификация процессоров MISC. Применение и реализация.
MISC — процессор, работающий с минимальным набором длинных команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд). Процессоры, образующие «компьютеры с минимальным набором команд» MISC, как и процессоры RISC, характеризуются небольшим числом чаще всего встречающихся команд. Вместе с этим, принцип «очень длинных слов команд» VLIW обеспечивает выполнение группы непротиворечивых команд за один цикл работы процессора. Таким образом архитектура MISC объединила вместе суперскалярную и VLIW концепции. Компоненты процессора просты и работают с высокими скоростями. MISC (минимальный набор команд компьютера) Процессоры образующие компьютеры с минимальным набором команд, как и процессоры RISC характеризуются небольшим числом чаще всего встречающихся команд. Компоненты процессора просты и работают на высоких частотах.
Магистральная топология интерфейса – шинная, это взаимодействие одного устройства со всеми через общую среду передачи данных.
Шинная топология интерфейса — Каждая из этих топологий делится по способу передачи данных на последовательные и параллельные.
Билет 27
1. Система команд процессора.
Система команд—это набор допустимых для данного процессора управляющих кодов и способов адресации данных. Система команд жестко связана с конкретным типом процессора, поскольку определяется аппаратной структурой блока дешифрации команд, и обычно не обладает переносимостью на другие типы процессоров
С физической точки зрения код команды ничем не отличается от обычных данных в двоичном коде, размещенных в памяти вычислителя. Конкретный двоичный код воспринимается и обрабатывается процессором как команда в том случае, когда он попадает в процессор в фазе чтения кода команды.
С логической точки зрения в двоичном коде команды существуют группы разрядов– поля–с различным функциональным назначением
1 — поле кода операции (КОП) объемом 1 или 2 байта;
2 — поле адресной части команды (АЧ) объемом от 1 до 4 байт.
КОП — код операции — двоичный код, однозначно указывающий процессору на выполнение конкретных действий (пересылка, сложение и т.п.), и определяющий при этом форму задания адресов операндов;
АЧ — адресная часть — двоичное число, которое может представлять собой адрес (адреса) операндов, значение операнда, адрес следующей команды
Язык программирования, максимально приближенный к системе команд конкретного микропроцессора – это Ассемблер. В этом языке коду каждой команды МП поставлена в соответствие определенная мнемоника – краткое буквенное название команды, например:
Пересылка данных – MOV
Переход по программе – JMP и т.д.
Для программиста система команд представляется как минимально необходимый набор команд для реализации вычислений и управления ходом вычислительного процесса. В систему команд традиционно входят такие группы:
· пересылка данных (регистр-регистр, регистр-память, память-регистр, специфические команды типа память-память) ;все команды пересылки выполняют, по сути, копирование данных из ячейки-источника в ячейку-приемник;
· логические операции и операции сдвига;
· ввод-вывод – специфические команды для передачи данных между процессором и устройствами ввода-вывода, размещенными в адресном пространстве ввода-вывода;
· передача управления – при выполнении такой команды процессор записывает в счетчик команд PC адрес следующей команды, взятый из адресной части текущей команды;
· специальные – останов, сброс, управление прерываниями, управление режимом пониженного энергопотребления и т.п.
2. Компиляция команд процессора.
Компилятор — программа или техническое средство, выполняющее компиляцию
Компиляция — трансляция программы, составленной на исходном языке высокого уровня, в эквивалентную программу на низкоуровневом языке, близком машинному коду (абсолютный код, объектный модуль, иногда на язык ассемблера). Входной информацией для компилятора (исходный код) является описание алгоритма или программа на предметно-ориентированном языке, а на выходе компилятора — эквивалентное описание алгоритма на машинно-ориентированном языке.
1. Лексический анализ. На этом этапе последовательность символов исходного файла преобразуется в последовательность лексем.
2. Синтаксический (грамматический) анализ. Последовательность лексем преобразуется в дерево разбора.
3. Семантический анализ. Дерево разбора обрабатывается с целью установления его семантики (смысла) — например, привязка идентификаторов к их декларациям, типам, проверка совместимости, определение типов выражений и т. д.
4. Оптимизация. Выполняется удаление излишних конструкций и упрощение кода с сохранением его смысла.
5. Генерация кода. Из промежуточного представления порождается код на целевом языке.
В конкретных реализациях компиляторов эти этапы могут быть разделены или, наоборот, совмещены в том или ином виде.
3. Характеристики интерфейсов. Дать характеристику интерфейсов.
Доступность — наиболее важный элемент дизайна! По сути, вся цель пользовательского интерфейса состоит в том, чтобы дать возможность пользователям взаимодействовать с вашей системой.
Минимализм — большая загруженность, враг хорошего пользовательского интерфейса. Легко попасть в ловушку избыточной доступности — добавляя все больше и больше управляющих элементов, вы делаете огромную ошибку — загромождаете интерфейс.
Уверенность — многие дизайнеры стремятся сделать интерфейсы «интуитивно понятными». Но что «интуитивно» в действительности означает? Это означает, что пользователи должны инстинктивно понимать и осмысливать возможности проекта.
Отзывчивость — означает несколько вещей. Интерфейс веб-сайта должен работать очень быстро. Длительное ожидание загрузки страницы раздражает. Так же отзывчивость означает некоторую постоянную форму взаимодействия с пользователем. Интерфейс должен информировать пользователя о происходящем.
Привлекательность — Хоть это может быть несколько спорным моментом, но я считаю, что хороший интерфейс должен быть привлекательным. Привлекательный пользователю интерфейс делает работу с ним приятной.
Эффективность — пользовательский интерфейс, это инструмент управления. Он предоставляет доступ к различным функциям вашего приложения или веб-сайта. Хороший интерфейс должен давать возможность пользователю с наименьшими усилиями выполнить интересующее его действие.
Соответствие контенту — адаптируйте каждую страницу под соответствующий ей контент, создайте элементы управления, которые упростят пользователю работы с сайтом, и постарайтесь сделать.
Снисходительность — вы должны грамотно обрабатывать все возможные ошибки — это будет одним из главных показателей качества вашего проекта. Не стоит наказывать пользователя — разработайте «снисходительный» интерфейс.
Пропускная способность — это количество единиц информации, передаваемых между элементами в единицу времени [Бит/c]. Различают максимальную, минимальную и номинальную пропускную способность.
Вместимость интерфейса — конструктивная характеристика — максимальное число подключаемых элементов.
Топология интерфейса — двухточечная (радиальная) – это взаимодействие двух устройств через выделенную этим двум устройствам среду;
Радиальная топология интерфейса — многоточечная (магистральная) – это взаимодействие только двух устройств одновременно через общую для всех среду передачи данных;
Логические элементы и микропроцессорные устройства
Логические элементы осуществляют определенные логические зависимости между входными и выходными сигналами. Логические элементы имеют один или несколько входов и один или два, обычно инверсных друг другу, выхода.
Входные и выходные сигналы логических элементов являются дискретными, обычно это два уровня сигналов, которые условно принимаются один за «0», а другой за «1». Логические элементы реализуют как отдельные функции «И», «ИЛИ», «НЕ», «ПАМЯТЬ» и др., так и сложные логические функции.
Логический элемент «И» обеспечивает на выходе сигнал определенного знака при одновременном наличии на всех его входах сигналов того же знака.
Логический элемент «ИЛИ» обеспечивает на выходе его сигнал определенного знака, когда на любом из его входов имеется сигнал того же знака.
Логический элемент «НЕ» обеспечивает на выходе сигнал, противоположный по знаку входному.
Комбинация из основных логических элементов дает возможность получать и другие элементы, например, «ИЛИ с запретом», «И с отрицанием», элемент «ПАМЯТЬ», «ПАМЯТЬ с запретом» и др.
Обозначения, логические зависимости и функциональные формулы некоторых основных логических элементов приведены в табл. 6.1.
| Логические операции | Обозначение логического элемента | Логическая зависимость сигналов | Функциональная формула |
| НЕ | х | у | у = |
| И | х1 | х2 | у | у = х1· х2у = х1Ù х2 |
| ИЛИ | | х1 | х2 | у | у = х1+ х2у = х1 х2 |
| НЕТ («Запрет») | х1 | х2 | y | |
| «Па-мять» | х1 | х2 | у1 | у2 | у1 = х1 = 1 у2 = = 0 |
Продолжение табл. 6.1
| Логические операции | Обозначение логического элемента | Логическая зависимость сигналов | Функциональная формула |
| И-НЕ | х1 | х2 | у | |
| ИЛИ-НЕ | х1 | х2 | у | |
Микропроцессоры. Развитие технологии и схемотехники больших интегральных схем (БИС) привело к появлению нового интегрального электронного прибора – микропроцессора (МП). Микропроцессор представляет собой цифровое функционально законченное устройство в виде одной или нескольких БИС, способное выполнять разнообразные операции по обработке информации в соответствии с хранимой в памяти программой.
Основными характеристиками, определяющими различия в организации процессоров, являются системы команд и режимы адресации; структура внутренних и внешних шин, используемых для сопряжения процесса с памятью и периферийными устройствами; число регистров и их функциональное назначение; организация арифметико-логического устройства и устройства управления; организация стековой памяти; обслуживание запросов прерываний; возможность наращивания разрядности процессора и модификации системы команд.
С точки зрения различий в реализации процессоров, определяемых возможностями используемой элементной базы и технологии, процессоры подразделяют: микропроцессоры реализованное на больших интегральных схемах, и процессоры, построенные на основе схем малой и средней степени интеграции. В свою очередь, МП, реализованные на одной БИC, называют однокристальными, а на нескольких БИС — многокристальными. Типичным примером отечественного однокристального МП является 8-битный МП К580, K1801, К1810, К1821, К1816, К1815. Характерной чертой однокристальных МП является фиксированный набор команд и разрядность без возможности ее наращивания. Многокристальные МП подразделяются на МП секционного типа, в которых обрабатывающее устройство строится из отдельных секций с возможностью наращивания разрядности, и МП с фиксированной разрядностью обрабатывающего устройства. Типичными представителями МП секционного типа являются МП серии К589, К584, К1800, КР1802, КР1804, К1883, соответственно с 2-битной и 4-битной секциями. Структурная схема типичного представителя класса однокристальных МП с раздельными шинами адреса и шинами данных приведена на рис. 6.14.
Рассмотрим состав, назначение основных блоков МП и его функционирование.
Программный счетчик, или счетчик команд (СК), используется для хранения адреса команды, подлежащей выполнению. Начальный адрес СК загружается с пульта управления или CK после начальной установки переходит в состояние нуль, и выполнение программы начинается с нулевой ячейки программной памяти. В эту ячейку можно поместить команду безусловной передачи управления любому адресу программной памяти. После выборки команды или первого слова команды, содержащего код операнда, в СК путем увеличения его содержимого формируется адрес следующего слова выбираемой команды или следующей команды. Данная процедура характерна для линейной последовательности естественного порядка команд. При выполнении команд безусловного или условного порядка, обращения к подпрограммам адрес следующей команды в СК формируется путем загрузки в него адресной части вышеуказанных команд. Код адреса из СК передается в программную память через однонаправленную m-битную шину адреса.
Регистр команд (РК) принимает выбранную из памяти программы команду и хранит ее в течение цикла выполнения команды. Загрузка РК осуществляется по n-битной шине данных. В 8-битных МП регистр команд обычно хранит байт команды, являющейся кодом операции, а второй или третий байты хранятся во вспомогательных регистрах, как правило, программно не доступных. Указатель стека (УС) хранит адрес последней занятой ячейки в области стековой памяти. Под стековой памятью понимают оперативную память, в которую запись или выборка слова производятся по принципу: последний записанный элемент выбирается из памяти первым.
В МП широкое использование нашли регистры общего назначения (РОН), представляющие собой сверхоперативную память. РОН обычно используется для временного хранения исходных операндов при выполнении бинарных логических и арифметических операций, промежуточных результатов вычислений, иногда в РОН хранятся индексы, если в МП отсутствуют специальные индексные регистры (ИP). Это позволяет повысить быстродействие за счет сокращения пересылок кодов между МП и памятью.
РОН являются программно-доступными, и обращение кним осуществляется посредством команд передачи данных.
Аккумулятор (А) используется для хранения одного из операндов и результата операции, т.е. является источником и приемником информации. Команды ввода и вывода данных обычно осуществляют обмен кодов с периферийными устройствами также через аккумулятор. Некоторые МП содержат несколько аккумуляторов.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для арифметической и логической обработки данных, выполнения операций сдвига формирования признаков их результатов. Если MП имеет только одну внутреннюю магистраль (рис. 6.14), то на вводах АЛУ необходимы буферные регистры (БP), которые выполняют функцию временного хранения операндов, участвующих в операции.
После формирования в аккумуляторе результата выполнения арифметических и логических команд на регистре признаков (РПР) формируются признаки результатов операций С, Z, V, S и др. Эти признаки используются командами условий передачи управления при разветвлениях в программах. Команда условного перехода определяет тип признака, по которому требуется осуществить переход. Обмен кодами между памятью команд, памятью данных, периферийными устройствами и микропроцессором осуществляется через двунаправленный буфер данных, который изолирует внешнюю шину данных от внутренней.
Шина адреса используется для выдачи микропроцессором кода адреса программной памяти из СК, адреса стековой памяти из УС, адреса памяти данных из регистра адреса РА.
В МП обычно используют выходные буферы стремя устойчивыми состояниями: 0,1 и состояниемвысокого выходного сопротивления, что позволяет упростить подключение к одной шине нескольких устройств. Доступ к шине в любой момент времени имееттолько одно устройство, а остальные можно рассматривать практически не подключенными к шине, если они находятся в состоянии высокого выходного сопротивления.
Формирование последовательностей внутренних и внешних управляющих сигналов, а также анализ сигналов из других устройств микропроцессорной системы выполняется устройством управления (УУ) которое может быть реализовано на основе структуры с жесткой логикой или на основе программируемой логики, использующей память и программируемые логические матрицы.
Управляющие сигналы записи (ЗП) и чтения (Чт) информации используются для управления обменом кодами между МП и памятью данных, программируемой памятью. Управляющие сигналы ввода (Вв) и вывода (Выв) разрешают обмен с выбранным периферийным устройством. Пара сигналов ожидания (Ож) и готовность(Гт) выполняют функцию синхронизации МП с памятью и периферийными устройствами. Наличие сигнала Гт на входе МП указывает, что, например, данные из памяти готовы дляпередачи в МП. При отсутствии сигнала Гт МП переходит в состояние ожидания и формирует соответствующий выходной сигнал.
Сигнал прерывания (Пр) используется для организации обмена ин-формацией с процессором или для временного переключения его на обслуживание какого-либо внешнего события, возникающего асинхронно по отношению к выполняемой программе. Большинство МП реагируют на единый сигнал только после выполнения текущей команды при условии, что прерывание разрешено, т.е. процессор не замаскирован. Для обслуживания более одного источника запросов в режиме прерывания, запросы источников объединяются по схеме ИЛИ на входе прерывания и процессор затем анализирует, какой источник запроса имеет более высокий приоритет в данный момент. Прохождением запросов прерывания в процессоре управляет сигнал «разрешение прерывания», формируемый триггером разрешения прерывания, который является программно-доступным посредством команд процессора «разрешить прерывание» и «запретить прерывание».
Кроме того, этот триггер после восприятия очередного прерывания автоматически переходит в состояние, соответствующее блокированию дальнейших запросов прерываний, выход из которого возможен посредством команды «разрешить прерывание». Поэтому при изучении конкретного процессора необходимо внимательно анализировать все ситуации, которые приводят к маскированию запросов прерываний.
Сигнал захват (Зх) обычно используется для организации обмена информацией между процессором и периферийными устройствами в режиме прямого доступа к памяти. В случае сигнала Зх процессор переходит в режим ожидания по захвату, шины адреса и данных переводятся в состояние высокого выходного сопротивления и доступ к данным шинам получает устройство инициирующее сигнал для такого вида обмена. Отличительной особенностью режима захвата является то, что МП переходит в состояние захвата после выполнения текущего машинного цикла команды, не дожидаясь ее завершения, что позволяет сократить время peaкции МП.
Подтверждением перехода МП в состояние захвата, является сигнал подтверждения захвата (ПЗх).
Сигнал начальной установки (НУ) обычно устанавливает прoгpaммный счетчик в 0, сбрасывает в 0 триггеры разрешения прерывания, захвата и другие схемы МП для инициирования выполнения программы.
Тактирующие (синхронизирующие) сигналы (ТС) используются для синхронизации работы процессора и микропроцессорной системы.
Основное достоинство однокристальных МП заключается в том, что они являются функционально и конструктивно завершенным модулем, реализованном на одной БИС.
МикроЭВМ. МикроЭВМ представляет собой микропроцессорную систему, в которой процессорные микросхемы дополняются элементами памяти, средствами ввода-вывода информации и некоторыми другими устройствами, способствующими обработке данных и управлению работой. МикроЭВМ разделяются по конструктивному исполнению на однокристальные (выполненные на одном кристалле полупроводника), одноплатные и многоплатные. Однокристальные микроЭВМ предусматривают выполнение несложных функций, поэтому имеют, как правило, небольшие ОЗУ с объемом памяти менее 2 кбайт (1 кбайт – 1024 байт) и не сложные схемы каналов ввода-вывода информации. Такие устройства находят применение в простых устройствах управления станками и роботами.
Одноплатные микроЭВМ имеют процессор, устройства памяти и схемы ввода-вывода, выполненные на одной плате, как правило, без собственного источника питания, органов управления и индикации.
Такие микроЭВМ предназначены прежде всего для использования в качестве встраиваемых устройств.
Многоплатные микроЭВМ содержат процессор, запоминающие устройства и схемы ввода-вывода, реализованные на самостоятельных платах, объединенных в единой конструкции вместе с пультом управления, индикаторами состояния и источниками питания. Особенно популярны многоплатные модульные конструкции, где пользователи по желанию могут выбирать, кроме платы центрального процессора, необходимые платы памяти, контроллера ввода-вывода, контроллера накопителя на гибких магнитных дисках, таймера, интерфейсных средств.
На базе изготавливаемых в нашей стране унифицированных МП-наборов созданы одноплатные и многоплатные микроЭВМ: «Электроника-60»; «Электроника НЦ-80-20»; «Электроника С5»; «Кристалл-60»; «КТС ЛИУС-2»; «СМ-1800»; «МС УВТ В7»; «МС-5107».
Универсальные МП, как правило, малоэффективны для выполнения сложных математических и логических операций. Умножение, деление, возведение в степень, вычисление квадратного корня универсальные МП выполняют программным путем и затрачивают много времени. Поэтому в настоящее время создаются специализированные МП, с помощью которых можно значительно улучшить параметры микроЭВМ, уменьшить продолжительность выполнения арифметических и логических операций.
Архитектура микроЭВМ разнообразна, однако наиболее часто используются системы с общей шиной. Эта шина (канал) используется для передачи адресов, данных и управляющих сигналов и объединяет все функциональные блоки микроЭВМ: процессор, память, периферийные устройства. Структура микроЭВМ приведена на рис. 6.15.
Память микроЭВМ бывает следующих типов: ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, предназначенное как для чтения, так и для записи информации; ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, предназначенное только для чтения информации, записанной в заводских условиях; ППЗУ – программируемое постоянное запоминающее устройство, записанное пользователем; РПЗУ – перепрограммируемое запоминающее устройство, предназначенное для чтения информации, но позволяющее при необходимости с помощью специального устройства перезаписи изменять содержимое.
Обычно оперативная память микроЭВМ строится по модульному принципу, модулями по 4 – 8 кбайт. Общий объем памяти может быть сформирован любым сочетанием модулей ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ(РПЗУ). Наличие ПЗУ и ППЗУ повышает надежность микропроцессорных систем управления, так как информация, записанная в памяти такого типа, не теряется при исчезновении электропитания. Как правило, в ПЗУ хранятся неизменные программы, в РПЗУ – программы, относительно редко меняющиеся, а ОЗУ используются для записи и чтения данных и периодически загруженных программ.
Периферийные устройства микроЭВМ подключаются к общей шине через интерфейсные платы внешних устройств.
Управление общей шиной разрешается не только процессору, но и некоторым периферийным устройствам.
Число и тип периферийных устройств зависят от назначения микропроцессорной системы.
Обычно в состав периферийных устройств микроЭВМ входят: устройства ввода-вывода; внешняя память на магнитной ленте и магнитном диске; дисплей с клавиатурой; устройство параллельной или последовательной печати; устройства связи с объектом; различные мультиплексоры для работы с каналами связи и т.п.; нестандартные устройства, необходимые для реализации специальных функций системы.
Микроконтроллеры. Контроллер – устройство обработки данных, осуществляющее адресацию, прием и буферирование сообщения, предварительное редактирование информации, контроль передачи сигналов и сообщений. В тех случаях, когда от контроллера требуется реализация не сложных функций, он выполняется на базе ПЗУ или схем средней интеграции.
Для реализации сложных алгоритмов управления применяют программируемые контроллеры, которые могут иметь в своем составе процессор и проводить обработку информации в режиме реального масштаба времени. Различают программируемые микроконтроллеры (ПК) трех типов:
– программируемые логические контроллеры (ПЛК), ориентированные на реализацию алгоритмов логического управления, обеспечивающие замену релейных и бесконтактных схем электроавтоматики;
– программируемые регулирующие микроконтроллеры (РМК), или ремиконты, ориентированные на реализацию алгоритмов автоматического регулирования аналоговых и аналого-дискретных технологических процессов, заменяющие различные аналоговые и цифровые регуляторы;
– микроконтроллеры, ориентированные на реализацию специальных алгоритмов управления игровыми автоматами, бытовыми приборами, светофорами, контрольно-измерительной аппаратурой, транспортными механизмами.
Программируемые логические контроллеры (ПЛК). ПЛК осуществляют реализацию систем булевых функций в реальном масштабе времени и представляют собой программно-настраиваемую модель цифрового управляющего автомата, ориентированную на определенную область применения. В состав ПЛК (рис. 6.16) входят МП, управляющее устройство (УУ), память программ (ЗУП), оперативная память данных (ОЗУ), устройство связи с объектом (УСО), пульт настройки системы и загрузки программ.
ПЛК функционирует в циклическом режиме: МП в соответствии с программой ЗУП моделирует конкретную релейную схему (булевы уравнения) системы управления, опрашивает все входы, производит сравнение состояния входов и выходов и по результатам сравнения управляет теми или иными исполнительными устройствами. УУ организует обмен данными между входными и выходными регистрами в ОЗУ.
В ПЛК используются простые специализированные языки программирования и языки описания алгоритмов управления (например, язык релейно-контактных схем, язык булевой алгебры, язык символического кодирования и др.).
Обычно ПЛК применяется для управления электроавтоматикой станочных комплексов с ЧПУ, обрабатывающих центров, промышленных роботов и др.
Регулирующие микроконтроллеры (РМК). РМК обладают значительными логическими и вычислительными возможностями и обеспечивают реализацию любых алгоритмов регулирования. Один РМК заменяет группу (из 10-60 обычных ПИ- или ПИД) аналоговых и цифровых регуляторов для 8-64 контуров регулирования.
РМК (рис. 6.17) содержит УСО и средства ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов.
На рис. 6.17 обозначено: МХ – мультиплексор, Гр — гальваническая развязка, АЦП (ЦАП) аналого-цифровой (цифроаналоговый) преобразователь, ДЦП (ЦДП) – преобразователь дискретно-цифровой (цифродискретный), МП – микропроцессор, ПЗУ (ОЗУ) – постоянная (оперативная) память, БС – блок сопряжения.
Мультиплексоры и АЦП обеспечивают прием 16 аналоговых сигналов. Предусмотрена установка четырех мультиплексоров и АЦП. На выходе РМК не предусмотрено мультиплексирование, и число ЦАП равно числу выходных цепей. ДЦП и ЦДП выполняют функции согласования уровней логических сигналов, принятых в ремиконте, с уровнями дискретных сигналов, обеспечивая групповой прием и выдачу от 16 до 128 дискретных сигналов по 16 сигналов в группе.
РМК имеет внутреннее программное обеспечение (ПО) и не требует внешних программных средств (операционной системы, транслятора, ассемблера и др.). Внутреннее ПО РМК состоит из диспетчера рабочих программ, координирующего весь процесс вычисления в реальном времени; рабочих программ, реализующих алгоритмы управления; программы обслуживания панели оператора, выполняющей приказы оператора и выдающей ему информацию с помощью световых индикаторов; диагностической программы, контролирующей безотказность аппаратных и программных средств.
Ремиконт управляет 8-16 контурами технологического процесса, работает со стандартными датчиками с унифицированным выходом (0-5 В и 4-20 мА) и исполнительным устройством пропорционального действия или постоянной скорости. Он может работать как автономно, так и в связи с ЭВМ верхнего уровня и интерактивными средствами представления данных.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
