Проверка в несколько миллионов шагов

 

Шаги машинного цикла, описанные на предыдущих страницах, хорошо иллюстрируют последовательности дискретных действий, которые повторяются многократно при чтении очередной инструкции центральным процессором. Каждое действие происходит за время порядка 30 нс (наносекунда; 1нс=10^-9 с). ОЗУ. Эта процедура состоит из миллионов отдельных шагов и в зависимости от объёма памяти компьютера занимает до нескольких секунд. Проверка ОЗУ сложна по двум причинам. Во-первых, каждая микросхема ОЗУ обычно содержит 64 К информации (1К = 1024 бит), т.е. 65 536 бит. Во–вторых, в этих крошечных, плотно упакованных микросхемах информация хранится иначе, чем в ПЗУ. Как показано на двух предыдущих разворотах, восьми битный элемент данных, считываемый процессором из ПЗУ, содержится в одной микросхеме. В ОЗУ 8 бит (1 байт) данных записаны в определённой последовательности в 8 различных микросхемах. Такая организация оперативной памяти позволяет наиболее эффективно пользоваться адресным пространством памяти и оптимально планировать схему системной платы.

Чтобы убедиться, что ни одна микросхема ОЩУ не вышла из строя, ЦПУ обращается к ним, задавая адреса, определяет те 8 микросхем, каждая из которых должна послать 1 бит по шине данных в центральный процессор. Процессор сверяет принятый таким образом байт с тем, который записан в память. Эти байты должны совпадать. Для проверки всех ячеек одной микросхемы ЦП должен повторить этот тест 65 536 раз (с различными адресами). Разумеется, в то же самое время проверяются другие семь микросхем ОЩУ. Обнаружив ошибки, процессор запоминает, что определённые области ОЗУ неисправны и ими не следует пользоваться.

 

                            Организация памяти ЭВМ

Под памятью ЭВМ понимаются запоминающие устройства (ЗУ). Стоимость памяти составляет существенную часть общей стоимости ЭВМ. Память ЭВМ имеет многоуровневую организацию:

- внутренняя (сверхоперативная (СВОП), кэш-память, ПЗУ, ОП).

Кэш-память, внутренняя память ЭВМ. В настоящее время память этого типа широко используется в мини-, общего назначения и супер-ЭВМ, а также в более мощных ПК. Кэш-память выполняется на быстродействующих БИС и её быстродействие должно соответствовать скорости работы АЛУ и УУ. Кэш-память используется для ранения наиболее часто используемых программ и данных, осуществляя своего рода связующий буфер между быстрыми устройствами ЦП и более медленной ОП и позволяя получать существенный временной выигрыш.

Оперативная память (ОП) служит для хранения информации (программы, данные, промежуточные и конечные результаты),непосредственно обеспечивающие текущий вычислительный процесс в АЛУ и УУ процессора. Информация в ОП сохраняется только при наличии питания (сеть, батарея); поэтому во избежание потери информации, используемые для наиболее важных работ ЭВМ различных классов обеспечиваются автономным блоком питания (UPS), который автоматически включается при отключении основного питания (переносные ПК). В процессе обработки информации осуществляется тесное взаимодействие ЦА и ОП под управлением первого: из ОП в ЦП поступают команды и операнды, над которыми производятся операции (определяемые их кодами в командах), а из ЦП в ОП записываются промежуточные и конечные результаты обработки. В настоящее время объём ОП колеблется в широком диапазоне, от 640Кбайт (для простых ПК), до нескольких гигабайт у супер-ЭВМ; время обращения к памяти менее 0,2мкс; в качестве элементной используется в основном полупроводниковая база (диапазоны значений времени доступа в наносекундах: СВОП-5-15, кэш-10-50, ПЗУ-30-200, ОП-50-150). Развитие элементной базы постоянно корректирует эти показатели в сторону уменьшения; при этом скорость уменьшения увеличивается.

Рассмотрим структурную организацию ОП современных ЭВМ. Различают: адресную, ассоциативную и стэковую память.

Адресная память – размещение и поиск информации в ней основаны на адресном принципе хранения слов; адресом слова является номер его ячейкп. При доступе к такого типа памяти команда должна указывать номер(адрес) ячейки ОП прямо или косвенно через адресные регистры (база, смещение)

Ассоциативная память – обеспечивает поиск нужной информации по её содержанию; при этом поиск по ассоциативному признаку происходит параллельно во времени для всех ячеек ОП. Во многих случаях такой вид памяти позволяет существенно ускорить и упростить обработку иняормации, что достигается за счёт совмещения операции доступа с выполнение ряда логических операций.     

Стэковая память – также является безадресной и её можно представить в виде одномерного массива ячеек. В таком массиве соседние ячейки связаны друг вс другом последовательной передачей свлов: запись нового слова в ОП производится в её верхнюю яченйку с номером 0, при этом все ранее записанные слова (включая 0-ячейку) сдвигаются на ячпейку вниз, т.е. получают адреса на 1 больше прежних (до операции записи). Считывкание в такого типа памяти производится только из её 0-ячейки; при этом, если производится считывание с удалением слова, то все остальные слова сдвигаются вверх на одну ячейку. Стековая память реализует LIFO – принцип доступа: Last Input – First Output.

 

Рис.1.

 

 

 

                                          0                       k                       n-1

СФА

                                                               . . .                     . . .

	ЗЭ		ЗЭ

                                                    …                      …

             0

		ЗЭ		ЗЭ		ЗЭ

 

Ад-                                              …     …        …         …  

рес

            j

ЗЭ

ЗЭ

ЗЭ

 

                                                    …                      …

            N

Усилитель записи

                                          0         …       k            …   n-1

  W R

Рассмотрим вид памяти 2D-типа (Рис.1.) являющееся одним из более распространённых по причине его быстродействия и удобства реализации. Оперативная память такой организации обеспечивает двух координатную выборку каждого ЗЭ, в совокупности образующих матрицу из 2^m ячеек по n битов (разрядов). Каждый ЗЭ характеризуется использованием троичных сигналов (выборка при записи, выборка при чтении и отсутствие выборки) и совмещением линий входных и выходндых сигналов; адресные и разрядные линии носят общее название линий выборки, объединяющих все ЗЭ матрицы. Адресные линии используются для выборки по указанному адресу совокупности ЗЭ матрицы, которым устанавливается режим чтение/запись. Выборка отдельных разрпядов производится разрядными линиями, по которым осуществляется чтение/запись информации. Адрес (m-разрядный) выбираемой j-ячейки ОП (приложение рис.) поступает на схему формирования адреса (СФА); при этом под действием сигнала запись/чтение ( WR ) СФА выдаёт сигнал настройки j-й линии на запись/чтение. Выделение k-разряда в j-слове производится второй координатной линией; при записи/чтении по k-линии посредством усилителя записи/чтения поступает входной /выходной сигнал, изменяющий/считывающий содержимое ЗЭ с (j , k)-координатами. Линии записи и чтения могут быть объединены  в одну при использовании ЗЭ, допусткающих соединение выхода со входом записи; такой подход широка используется в современных ОП.

Современная ОП ёмкостью в 1Мбайт зранит 2²³ или 8.388.608 ЗЭ, расположенных в виде матрицы, каждый из которых зранит бинарное {0|1} значение. Поэтому в ОП достаточно большого объёма неизбежно возникают ошибки, поэтому для повышения надёжности ОП исполльзуется корректирующий код Хэмминга, защищающий её от появления ошибок и продлевая среднее время появления одиночной, устранимой ошибки до 62 лет.

 

                    Организация систем адресации и команд ЭВМ.

В данной части работы рассмотрим вопросы адресации и системы команд ЭВМ , объединяющие работу двух основных компонентов ЦП и ОП в единое целое. Внутренняя память ЭВМ обычно является адресуемой, т.е.каждой хранимой в ней единице информации (байт, слово) ставится в соответствие адрес (номер ячейки или регистра). В качестве адресуемых единиц информации используются, как правило, байт, слова фиксированной и переменной длины. Являясь универсальной относительно обработки дискретной информации, ЭВМ обеспечивает все типы её обработки: приём, собственно обработку, хранение и выдачу в нужном виде. Обработка информации производится программно путём покомандного выполнения соответствующего алгоритма обработки, описанного на языке системы команд конкретной ЭВМ. Команда представляет собой машинное слово, содержащее код операции (КОП) и операнды (данные), код которыми должна быть произведена операция с указанным кодом. Команда в явной или неявной форме содержит также адреса для результата выполнения операции и следующей выполняемой команды. По характеру выполняемых операций каманды образуют следующие основные группы: арифметические, десятичной арифметики, логические, передача кодов, передачи управления, определения режима работы ЭВМ, ввода/вывода и др. Команда, как правило, содержит не сами операнды, а адреса регистров или ячеек памяти, их содержащие.

Как правило, система команд современных ЭВМ использует несколько типов адресации, например: прямая, относительная, непосредственнная, укороченная, стэковая и т.д. (их количество может превышать 20), указываемых посредством КОП (сложение, умножение, передача управления и др.) или явно специальным полем адресной части команды.

Прямая– предполагает идентичность понятий Аис=Аук,(где Аис-адрес ячейки или номер регистра, а Аук-информация об адресе операнда в команде).

Относительная – характеризуется соотношением Аис=Аб+Аук, где Аб-содержимое базового регистра.

Непосредственная – содержит сам операнд, а не его адрес.

Укороченная – в команде задаются только младшие разряды адресов, старшие при этом полагаются нулевыми (используется совместно с другими).

Стэковая – реализующая безадресное задание операндов, особенно широко испольщуется в микро-, мини-,и некоторых супер-ЭВМ .

ЭВМ в совокупности с их ОП с полным основанием можно отнести к наиболее сложным системам, созданным современной цивилизацией. Их сложность определяется многочисленностью разнофункциональных элементов, большим числом связей между ними и сложностью алгоритмов функционирования и обработки информации.

 

                           Организация системы входа/выхода.

 В этой части переходим к рассмотрению - системы сопряжения (СС), обеспечивающей интерфейс (совокупность линий и шин, управляющих сигналов, электронных схем и протоколов связи предназначенную для обеспечения обмена информацией между устройствами) центральной части с внешней средой ( внешняя память, устройства ввода/вывода, удалённые терминалы, и др. ЭВМ и т.д.). В качестве внешней среды (периферии) ЭВМ можно выделить две большие группы устройств: внешние запоминающие устройства (ВЗУ; предназначены для хранения больших объёмов информации) и устройства ввода/вывода (УВВ; ввод/вывод информации, её регистрация и отображение, и т.д.). Приведу два способа организации ввода/вывода ЭВМ (Рис.2.).

                                     Общая шина (ОШ)

БУВУк

Конт d

Конт1

БУВУ1

ОП

ЦП

                                  …                                                               …

ВУ

ВУ

ВУ

ВУ

                                                              …                                                               …

                                                     (а)

  

 Где ВУ - внешние устройства, обмениваются с ЦП и ОП, включая основную управляющую информацию, позволяют использовать одни и те же ВУ, различными типами и классами ЭВМ, удовлетворяющими определённым стандартам. При этом унифицированные форматы данных преобразуются в индивидуальные в блоках управления ВУ (БУВУ). Унифицированность распространяется на общий интерфейс обмена информацией между ВУ и ЦП+ОП (Рис.2а), а также на формат и набор команд ввода/вывода ЦП. Выполнение общих функций возлагается на специальные устройства СС – контроллеры (Конт) прямого доступа к ОП и каналы (процессоры) ввода /вывода, а специфические – на адаптеры (БУВУ) конкретного типа ВУ.

В СВ/В современных ЭВМ используются два основных способа организации обмена информацией между ОП и ВУ: программно-управляемый и прямой доступ. В первом случае ЦП непосредственно ре6ализует программу ввода/вывода, выбирая данные из ОП и пересылая их на ВУ, и наоборот. На период операции ввода/вывода основная программа процессорам не обрабатывается, что может существенно снижать общую производительность ЭВМ. В случае прямого доступа ЦП только инициирует операцию ввода/вывода посредством общих команд, запускающих работу канала/контролёра; после успешной инициации операции ввода/вывода ЦП переключается на выполнение основной программы, а канал/контролёр непосредственно выполняет операцию обмена параллельно с работой ЦП. Таким образом, прямым доступом к ОП управляет канал/контролёр, выполняющий следующие функции:

-задание массива данных и области ОП, участвующих в операции обмена;

-формирование последовательных адресов ячеек ОП, используемых в операции;

-подсчёта числа единиц переданной информации в период текущей операции обмена;

-установление моме6нта завершения текущие6 операфции обмена информацией;

-передача в ЦП с прерывание сигнала о конце текущей операции обмена.

Инициируя операцию ввода/вывода, ЦП, вместе с тем, выполняет её различными способами, зависящими от схемы подключения СВ/В к ЦП и ОП.

Рассмотрим две типичные организации СВ/В: (1) общей шиной(ОШ), (2) каналами ввода/вывода(КВ/В). В первом случае все модули ЭВМ соединены общим интерфейсом - общей шиной(ОШ), в совокупности образуя ВС: ЦП, ОП, ВУ (через БУВУ и контролеры для ВУ с блочной передачей данных). Однако при такой организации СВ/В процессор не полностью освобождается от управления передачей данных и связь ЦП – ОП блокируется, снижая производительность ЭВМ. Поэтому данная организация СВ/В широко применяется лишь для микро- и мини-ЭВМ, работающих с короткими словами, имеющих небольшую по количеству периферию, от которой не требуется высокий производительности.

 

 

                                                                 …

 

                            …                                                         …

	ВУ		ВУ		ВУ		ВУ

                            …                                                         …

 

                                                                (б)

Во - втором случае (Рис.2б), обмен информацией между ОП ВУ производится через каналы ввода/вывода (КВ/В), представляющие собой специализированные процессоры ввода/вывода, централизующие аппаратуру управления вводом/выводом и обеспечивающие программно-управляемый обмен информацией. Благодаря наличию в СВ/В каналов, способных реализовать достаточно сложные функции, появляется возможность полностью освободить ЦП от операции ввода/вывода. КВ/В управляются канальными программами, находящимися в ОП; поэтому ЦП лишь инициирует операцию ввода/вывода, указывает номера КВ/В и ВУ, участвующих в операции обмена, и адрес начала канальной программы для инициируемой операции обмена ОП с ВУ. Данная организация СВ/В используется в ЭВМ общего назначения и в супер- ЭВМ.

 

               СИСТЕМА ВНЕШНИХ УСТРОЙСТВ ЭВМ

                           (периферийное оборудование)

 

Если современный массовый ПК имеет весьма ограниченный набор ВУ (как правило: клавиатура, дисплей, пышь, НГМД, НМД типа Винчестер и принтер), то мини- и ЭВМ общего назначения имеют достаточно обширную периферию ВУ различных типов, назначения и количества. Всю совокупность современных ВУ можно классифицировать по двум основным группам (Рис.3): внешняя память и устройства ввода/вывода, наиболее типичные представители которых могут быть охарактеризованы следующим образом.

	Внешние устройства (ВУ) ЭВМ - периферия

              Внешние устройства (ВУ) ЭВМ-периферия

 

- НМЛ                                                - средства общения с ЭВМ

- НМД/НМБ                                - средства вывода информации

- НГМД                                       - средства ввода информации

- НОД                                          - терминалы

- НЦМД                                       - АРМы

- ВД                                             - средства телеобработки

- массовая память (МС)

              Рис.3 Общая классификация внешних устройств.

 

Первая группа ВУ обеспечивает расширение возможностей ЭВМ по обработке информации, предоставляя в распоряжение пользователя устройства для длительного хранения больших объёмов информации, доступ к которой может быть достаточно быстрым. Все эти устройства образуют внешнюю память (ВП) ЭВМ, характеристики которой существенно влияют на технологию обработки информации. Более того, технические характеристики ВП, её внутренняя организация и структура во многом определяют технико-экономические показатели ЭВМ. Структурно СП состоит из внешних запоминающих устройств (ВЗУ) и боков управления (БУВУ); связь с другими компонентами ЭВМ обеспечивается посредством СВ/В, рассмотренной ранее. ВЗУ обеспечивают как оперативную работу с ОП ЭВМ, так и длительное хранение информации.

- НМЛ – накопители на магнитных лентах. Объём и скорость обмена информации в пределах соответственно (1-500) Мбайт и (0,01-3) Мбайт/с. Магнитный накопитель размещается в сменных элементах различных конструкций. Обычно НМЛ (в виде бобин) используются в мини-, супер- и общего назначения ЭВМ для архивного хранения данных и программ, ибо последовательный метод доступа к ним делает нецелесообразным использование их в качестве ВП оперативного обмена. Наряду с традиционным оформлением магнитных лент в виде бобин используются картриджи, стриммеры (в ПК).

- НМД – накопители на магнитных дисках. Общие важные черты присущие им: большая скорость обмена информации и возможность прямого доступа к ней, вместе с тем позволяет хранить большие объёмы информации. (до сотен гигабайт), поэтому НМД составляют основу ВП компьютеров. По режиму эксплуатации НМД делятся на стационарные и съёмные. НМД стационарного типа имеют, как правило, большие ёмкость и скорость обмена, являясь ядром ВП ЭВМ. В качестве съёмных используются дискеты ёмкостью 50-200 Мбайт, что характерно для мини- и общего назначения ЭВМ. В ПК в качестве ВП используются стационарные НМД типа Винчестер и накопители на гибких МД (НГМД).

- НГМД – дискеты размера 5.25/3.5 дюйма, они являются сменными и служат как для хранения, так и для транспортировки программ и данных.

- НМБ - накопители на магнитных барабанах, используются значительно реже чем НМД.

- МС – массовая память, представляет собой большой набор соединённых между собой маленьких бобин МЛ общей ёмкостью порядка сотен гигабайт. МС занимает промежуточное положение между НМЛ и НМД; доступ к ней производится по схеме: {записьÞ½чтение Ü}MS º{ОП ÷ MS }ÞНМДÞ{MS ïОП }.

НОД– один из видов массовой памяти – накопитель на оптических дисках. Напоминает собой звуковой компакт диск, но отличается избыточностью информации. По режиму использования НОД делятся на «только для чтения» (CD-ROM) и «с однократной записью» (CD-WORM), ёмкость которых измеряется в гигабайтах. НОД представляет интерес для архивирования информации и в качестве удобного средства её транспортировки. В последние годы в противовес НМД большой ёмкости появились НОД, допускающие обычные способы доступа к информации (запись/чтение). Такие диски по ёмкости превышают обычные НМД на 50-60% и дискеты в 2500-3000 раз.

Принцип работы дисковода напоминает принцип работы обычных дисководов для гибких дисков. Поверхность оптического диска (CD-ROM) перемещается относительно лазерной головки постоянной линейной скоростью, а угловая скорость меняется в зависимости от радиального положения головки. Луч лазера направляется на дорожку, фокусируясь при этом с помощью катушки. Луч проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия на поверхности диска. При попадании его на выступ, он отражается на детекторе и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод. Если луч попадает в ямку, он рассеивается и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы преобразуются в электрические, яркое излучение преобразуется в нули слабое - в единицы. Таким образом ямки воспринимаются дисководом как логические нули, а гладкая поверхность как логические единицы

-

- НЦМД – накопители на цилиндрических магнитных доменах, характеризуются отсутствием механических узлов, высокими надёжностью и стойкостью к внешней среде, а также возможностью предварительных сортировки и логической обработки информации в самом накопителе (используются в микро- и мини- ЭВМ повышенной надёжности).

- ВД – виртуальные диски, которые имеют логическую организацию НГМД и занимают область ОП, объём которой определяется при загрузке драйвера ВД. Основным назначением ВД является имитация работы с файловой организацией обычного НГМД, но в значительно более быстром режиме.

Вторую группу ВУ составляют:

- УВВ – такие, как: клавиатура, дисплей; по виду представляемой информации дисплеи делятся на алфавитно-цифровые (текстовая информация), квазиграфические и графические (используют точечное задание изображений и растровый способ их отображения, делясь по цветности на монохромные (чёрно-белые) и цветные. 

Средством визуализации местоположения на экране дисплея является курсор – перемещаемый по экрану специальный светящийся символ. Клавиатура распологает рядом клавиш, управляющих движениет курсора; но намного удобнее пользоваться специальным устройством – мышью.

Мышь – коробочка (с вмотнированным в неё шариком), перемещаемой по поверхности стола, в результате чего соответственно перемещается и указатель на экране.

Джостик – манипулятор, часто используемый в компьютерных играх, для управления перемещением указателя или другого связанного с ним графического объекта.

Световое перо – является важным дополнением дисплея на электронно-лучевых трубках, позволяя в сочетании с мышью не только управлять курсором, но и рисовать графические объекты, снимать значения координат любых точек экрана, а также вводить определённую информацию.

 

                           Средства вывода информации:

Принтеры – матричные, «ромашка», струйные, термографические, лазерные. К ЭВМ подключаются через параллельный интерфейс или последовательный RS-232C. К наиболее удачным принтерам можно отнести модель HP Laser Jet 6 P фирмы Hewlett- Packard (США) и матричных принтеров моделей Epson (Япония) и т.д.

Плоттеры – для вывода графической информации, в первую очередь научного и инженерно- технического характера; лазерные плоттеры – для подготовки высококачественных технических оригинал-макетов графического характера, используемых в дальнейшем для тиражирования, для вывода информации на микрофиши и микрофильмы.

Устройства вывода звуковой информации – синтезаторы, музыкльные платы, звукогенераторы и др.

Средства ввода информации: сканеры, портативные терминалы, регистраторы и т.д.

Распознавание речи – важнейшее направление исследований по созданию ЭВМ последующих поколений.

Терминалы – оконечное устройство (ОУ) пользователя, обеспечивающее возможность обмена информацией по каналу связи с удалённой ЭВМ.

АРМы – проблемно-ориентированный комплекс аппаратно-программных средств, являющийся ОУ пользователя в составе некоторого САПР.

Системы телеобработки – обеспечивают объединение различных ВС в сеть и доступ локальных и удалённых пользователей к распределённым в сети информационно-вычислительным ресурсам и БД/БЗ.

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

 

 

 

Рис.1(а, б)

 

 

Рис.2

 

Рис.3

 

 

 Практическая часть.

 

Такого типа задачи решаются на заправочных станциях, автобазах, предприятиях, фирмах, строительстве, везде, где используются автомашины, для контроля, за расходом горючих и смазочных веществ.

 

 

	Оборотная ведомость
Наименование топлива	Остаток на начало месяца	Приход	Расход	Остаток на конец месяца
Дизельное топливо	524	7654	4067	4111
Бензин	307	6542	5421	1428
Дизельное масло	205	2456	1245	1416
ИТОГО	1036	16652	10733	6955