Аппаратное обеспечение компьютера логический уровень

Традициями эпохи Возрождения
Карта Западной Европы
Лоренцо Бернини
Микеланджело да Караваджо
Призвание апостола Матфея
Обращение Савла
Положение во гроб
Успении Богоматери
Эль Греко

Погребение графа Оргаса

Портрет аристократа
Апостолы Пётр и Павел
Сошествии Святого Духа
Вид Толедо
Диего Веласкес
Менины
Пряхи
Венера перед зеркалом
Сдача Бреды
Аристократические портреты
«Завтрак» и серия «Шуты и карлики
Хусепе Рибера

Исаак, благословляющий Иакова

Хромоножка
Святая Инесса
Нищие философы
Мученичество Святого Варфоломея
Питер Пауэл Рубенс

Жимолостная беседка

Кермесса
Серии картин «Жизнь Марии Медичи»
Портрет камеристки инфанты Изабеллы
Елена Фоурмен и «Шубка»
Возчики камней
Автопортрет
Портрет Изабеллы Брандт
Большое количество заказов
Охота на гиппопотамов и крокодилов
«Похищение дочерей Левкиппа» и «Битва греков с амазонками»
Водружение креста
Рембрандт Ван Рейн

«Анатомия доктора Тулпа»

«Возвращение блудного сына»
«Еврейская невеста»
«Автопортрет»
«Старик в красном» и «Портрет Титуса»
«Портрет Хендрикьё Стоффелс»
«Заговор Юлия Цивилиса»
«Три дерева»
«Выступление стрелковой роты капитана Франса Баннинга Кока»
«Даная»
«Автопортрет с Саскией на коленях»
«Портрет Яна Сикса»
Никола Пуссен и живопись
Классицизма

«Царство Флоры»

«Пейзаж с Полифемом»
«Аркадские пастухи»
«Танкред и Эрминия»
Искусство Европы XVIII века
Художественная жизнь Европы
Архитектура XVIII столетия
Рококо
Малый Трианон
Церквь Святой Женевьевы
Эпоха неоклассицизма
Клод Никола Леду
Жан Батист Пигаль
Галантные празднества
Парижский Лувр
Фарфоровые изделия
Филиппе Ювара
Методы математической
статистики
Искусство России XVIII века
Архитектурные проекты
Москвы 20 годов
Архитектурная история Москвы
Советы для радиолюбителя
Авангардное искусство
Ядерные испытания на
архипелаге Новая Земля
Безопасность в
компьютерных сетях
Аппаратное обеспечение
компьютера
Установка системы
Microsoft Windows 2003
Вычисление производной
и пределов
Вычисление площадей в
декартовых координатах
Вычисление площадей фигур
при параметрическом задании
границы
Вычисление объема тела,
вычисление длин дуг
Векторная и линейная алгебра
Монтаж радиоэлементов
и микросхем

Цифровой логический уровень В самом низу иерархической схемы на рис. 1.2 находится цифровой логический уровень, или аппаратное обеспечение компьютера. В этой главе мы рассмотрим различные аспекты цифровой логики, что должно стать основой для изучения более высоких уровней в последующих главах. Предмет изучения находится на границе информатики и электротехники, но материал является самодостаточным, поэтому предварительного ознакомления с аппаратным обеспечением и электротехникой не требуется. Вентили Цифровая схема — это схема, в которой есть только два логических значения. Обычно сигнал от 0 до 1 В представляет одно значение (например, 0), а сигнал от 2 до 5 В — другое значение (например, 1). Хотя устройство вентилей относится к уровню физических устройств, мы все же упомянем основные линейки производственных технологий, так как они часто упоминаются в литературе. Две основные технологии — биполярная и МОП (металл, оксид, полупроводник). Булева алгебра Чтобы описать схемы, получаемые сочетанием различных вентилей, нужен особый тип алгебры, в которой все переменные и функции могут принимать только два значения: 0 и 1 Чтобы увидеть этот другой тип записи, отметим, что любую булеву функцию можно определить, указав, какие комбинации значений входных переменных приводят к единичному значению функции.

Составить таблицу истинности для данной функции Эквивалентность схем Разработчики схем часто стараются сократить число вентилей, чтобы снизить цену, уменьшить занимаемое схемой место, сократить потребление энергии и т. д. Соотношение Де Моргана предполагает альтернативную запись Очень важно отметить, что один и тот же вентиль может вычислять разные функции в зависимости от используемых соглашений Микросхемы можно разделить на несколько классов с точки зрения количества вентилей, которые они содержат. Эта классификация, конечно, очень грубая, но иногда она может быть полезна

Комбинаторные схемы Многие применения цифровой логики требуют наличия схем с несколькими входами и несколькими выходами, в которых выходные сигналы определяются текущими входными сигналами Мы уже видели, как мультиплексор может использоваться для выбора одного из нескольких входов и как он позволяет строить таблицу истинности. Его также можно использовать в качестве преобразователя параллельного кода в последовательный. Чтобы понять, зачем нужен декодер, представим себе память, состоящую из 8 микросхем, каждая из которых содержит 1 Мбайт. Еще одна полезная схема — компаратор. Компаратор сравнивает два слова, которые поступают на вход Приведем пример использования программируемой логической матрицы Информатика, Операционные системы Вычислительные системы

Арифметические схемы Перейдем от СИС общего назначения к комбинаторным схемам СИС, которые используются для выполнения арифметических операций. Мы начнем с простой 8-разрядной схемы сдвига, затем рассмотрим структуру сумматоров и, наконец, изучим арифметико-логические устройства, которые играют существенную роль в любом компьютере. Сумматоры Компьютер, который не умеет складывать целые числа, практически немыслим. Следовательно, схема выполнения операций сложения является существенной частью любого процессора. Арифметико-логические устройства Большинство компьютеров содержат одну схему для выполнения над двумя машинными словами операций И, ИЛИ и сложения. Обычно эта схема для п-разрядных слов состоит из п идентичных схем — по одной для каждой битовой позиции. АЛУ может выполнять не только логические и арифметические операции над переменными Л и В, но и делать их равными нулю, отрицая ENA (сигнал разрешения А) или ENB (сигнал разрешения В). Связав различные события с разными перепадами (фронтами и спадами), можно достичь требуемой последовательности выполнения действий

Память является необходимым компонентом любого компьютера. Без памяти не было бы компьютеров, по крайней мере таких, какие есть сейчас. Память используется для хранения как команд, так и данных. В следующих подразделах мы рассмотрим основные компоненты памяти, начиная с уровня вентилей. Мы увидим, как они работают, как из них можно построить память большой емкости. Синхронные защелки Эта схема имеет дополнительный синхронизирующий вход, который по большей части равен 0. Если этот вход равен 0, то оба выхода вентилей И равны 0, и независимо от значений 5 и защелка не меняет свое состояние. Триггеры Многие схемы при необходимости выбирают значение на определенной линии в заданный момент времени и запоминают его. Регистры Существуют различные конфигурации триггеров.

Хотя мы и совершили переход от простой памяти емкостью 1 бит к 8-разрядной памяти Процесс считывания сходен с процессом записи. Декодирование адреса происходит точно так же, как и при записи. Микросхемы памяти Большие микросхемы памяти часто производятся в виде матриц размером m x п, обращение к которым происходит по строкам и столбцам. Такая организация памяти сокращает число необходимых выводов, но, с другой стороны, замедляет обращение к микросхеме, поскольку требуется два цикла адресации: один для строки, другой для столбца. Все виды памяти, которые мы рассматривали до сих пор, имеют одно общее свойство: они позволяют и записывать, и считывать информацию. Такая память называется ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), или RAM (Random Access Memory — оперативная память). Существует два типа ОЗУ: статическое и динамическое.

Энергонезависимая память ОЗУ — не единственный тип микросхем памяти. Во многих случаях данные должны сохраняться, даже если питание отключено (например, если речь идет об игрушках, различных приборах и машинах). Более современный тип электронно-перепрограммируемого ПЗУ — флэш- память Микросхемы процессоров и шины Поскольку мы уже познакомились с микросхемами МИС и СИС, а также с микросхемами памяти, теперь можно сложить все составные части вместе и начать изучение целых систем. Помимо адресных и информационных выводов, каждый процессор содержит управляющие выводы. Эти выводы позволяют регулировать и синхронизировать поток данных к процессору и от него, а также выполнять другие функции.

Шина — это несколько проводников, соединяющих различные устройства. Шины можно разделить на категории в соответствии с выполняемыми функциями. Они могут быть внутренними по отношению к процессору и служить для передачи данных в АЛУ и из АЛУ, а могут быть внешними по отношению к процессору и связывать процессор с памятью или устройствами ввода-вывода Хотя разработчики процессоров могут использовать любой тип шины для микросхемы, должны быть введены четкие правила о том, как работает шина; и все устройства, связанные с шиной, должны подчиняться этим правилам, чтобы платы, которые выпускаются сторонними производителями, подходили к системной шине. Ширина шины (количество адресных линий) — самый очевидный параметр при разработке. Чем больше адресных линий содержит шина, тем к большему объему памяти может обращаться процессор. С течением времени увеличивается не только число адресных линий, но и число информационных линий, хотя это происходит по другой причине. Можно увеличить пропускную способность шины двумя способами: сократить время цикла шины (сделать большее количество передач в секунду) или увеличить ширину шины данных (то есть увеличить количество битов, передаваемых за цикл). Синхронизация шины Шины можно разделить на две категории в зависимости от их синхронизации. Синхронная шина содержит линию, которая запускается кварцевым генератором После того как у адресных линий появляется возможность приобрести новое значение, устанавливаются сигналы MREQ и RD. Первый указывает, что осуществляется доступ к памяти, а не к устройству ввода-вывода, а второй — что осуществляется чтение, а не запись

Асинхронные шины Хотя использовать синхронные шины благодаря дискретным временным интервалам достаточно удобно, здесь все же есть некоторые проблемы Арбитраж шины До этого момента мы неявно предполагали, что существует только одно задающее устройство шины — центральный процессор. В действительности микросхемы ввода-вывода могут становиться задающими устройствами при считывании информации из памяти и записи информации в память. Когда арбитр обнаруживает запрос шины, он устанавливает линию предоставления шины. Эта линия последовательно связывает все устройства ввода-вывода (как в елочной гирлянде). В системах, где память связана с главной шиной, центральный процессор должен завершать работу со всеми устройствами ввода-вывода практически на каждом цикле шины. Принципы работы шины До этого момента мы обсуждали только обычные циклы шины, когда задающее устройство (обычно центральный процессор) считывает информацию из подчиненного устройства (обычно из памяти) или записывает в него информацию. Еще один важный цикл шины — цикл обработки прерываний. Когда центральный процессор командует устройству ввода-вывода выполнить какое-то действие, он ожидает прерывания после завершения работы.

Примеры центральных процессоров В этом разделе мы рассмотрим процессоры Pentium 4, UltraSPARC III и 8051 на уровне аппаратного обеспечения. В процессорах Pentium 4 используется двухуровневый или трехуровневый кэш, в зависимости от модели. Во всех моделях присутствует встроенный в микросхему кэш типа SRAM первого уровня (LI) объемом 8 Кбайт Цоколевка процессора Pentium 4 Из 478 контактов Pentium 4 для сигналов используются 198, для питания (с различным напряжением) — 85, для «земли» — 180; еще 10 зарезервированы на перспективу. По пяти специальным линиям передаются сообщения об ошибках в операциях с плавающей точкой, внутренних, машинных (аппаратных) и некоторых других ошибках.

Конвейерный режим шины памяти процессора Pentium 4 Современные процессоры, такие как Pentium 4, работают гораздо быстрее современных динамических ОЗУ. Чтобы процессор не простаивал, необходима максимально возможная производительность памяти.

UltraSPARC III В качестве второго примера процессора возьмем семейство UltraSPARC (производитель — компания Sun). Семейство UltraSPARC — это линейка 64-разряд- ных процессоров SPARC. Микросхема UltraSPARC III содержит 1368 выводов в корпусе LGA (Land Grid Array). Выводы расположены в нижней части микросхемы в виде квадратной матрицы размером 37 х 37 (итого 1369), в которой отсутствует один вывод в нижнем левом углу. Для соединения процессоров UltraSPARC III с модулями памяти компания Sun разработала высокоскоростной интерфейс UPA (Ultra Port Architecture). В ожидании результатов центральный процессор вполне может заниматься другой работой. Например, отсутствие нужной команды в кэш-памяти вовсе не мешает выполнению одной или нескольких команд, которые уже вызваны и каждая из которых может обращаться к данным, которых нет в кэш-памяти.

В главе 1 мы уже упоминали о том, что в настоящее время наиболее распространенным микроконтроллером является 8051 Объем внутренней памяти составляет по умолчанию 4 Кбайт (или 8 Кбайт в модели 8052). Если этот объем оказывается недостаточным, память можно расширить путем подключения через шину дополнительного модуля емкостью до 64 Кбайт Шины соединяют компьютерную систему в единое целое. В этом разделе мы рассмотрим несколько примеров шин: ISA, PCI и USB. Когда компания IBM выпустила серию компьютеров PS/2, пришло время начать разработку шины заново. С одной стороны, это решение было обусловлено чисто техническими причинами (шина PC к тому времени уже устарела). В первых компьютерах IBM PC большинство приложений были текстовыми. С появлением Windows постепенно вошли в употребление графические пользовательские интерфейсы.

Ключевыми компонентами данной архитектуры являются мосты между шинами (эти микросхемы выпускает компания Intel — отсюда такой интерес к проекту). По своей внутренней структуре мост делится на две части: мост памяти и мост ввода-вывода. Сигналы шины PCI Теперь давайте рассмотрим каждый сигнал шины PCI отдельно. Начнем с обязательных (32-разрядных) сигналов, а затем перейдем к факультативным (64-разрядным). Транзакции на шине PCI PCI Expres Возможностей шины PCI вполне достаточно для большинства современных приложений, однако потребность в ускорении ввода-вывода постепенно дезорганизует некогда стройную внутреннюю архитектуру ПК Суть технологии PCI Express заключается в замене параллельной шины с ее многообразием задающих и подчиненных устройств высокоскоростными двухточечными последовательными соединениями. Стек протоколов PCI Express Следуя модели сети с коммутацией пакетов, технология PCI Express реализуется на основе многоуровневого стека протоколов Канальный уровень отвечает за передачу пакетов. На этом уровне к заголовку и полезной нагрузке, переданным с уровня транзакций, добавляется порядковый номер и код исправления ошибок — так называемый CRC (Cyclic Redundancy Check — циклический контроль избыточности). Программный уровень выступает посредником между PCI Express и операционной системой.

Шина USB Шины PCI и PCI Express очень хорошо подходят для соединения высокоскоростных периферийных устройств, но использовать интерфейс PCI для низкоскоростных устройств ввода-вывода (например, мыши и клавиатуры) было бы слишком дорого Шина USB состоит из корневого хаба (root hub), который вставляется в разъем главной шины Этот корневой хаб (часто называемый корневым концентратором) содержит разъемы для кабелей, которые могут подсоединяться к устройствам ввода-вывода или к дополнительным хабам, чтобы увеличить количество разъемов. Шина USB поддерживает 4 типа кадров: кадры управления, изохронные кадры, кадры передачи больших массивов данных и кадры прерывания. После того как в 1998 году стандарт USB был окончательно утвержден, разработчики приступили к созданию следующей, высокоскоростной версии USB, названной USB 2.0. Типичным примером микросхемы интерфейса РO (Parallel Input/Output — параллельный ввод-вывод) является микросхема Intel 8255А

Декодирование адреса До настоящего момента мы не останавливались подробно на том, как происходит выбор микросхемы памяти или устройства ввода-вывода. Если компьютер состоит только из центрального процессора, двух микросхем памяти и РЮ, можно значительно упростить декодирование адреса Арифметические действия в компьютерах осуществляются сумматорами. Одноразрядный полный сумматор можно сконструировать из двух полусумматоров. Чтобы построить сумматор для многоразрядных слов, полные сумматоры соединяются таким образом, чтобы выходной сигнал переноса каждого сумматора передавался его левому соседу.

 
Архитектура и скульптура Европы Декоративно-прикладное искусство Искусство России XVIII века