Программно-аппаратное обеспечение

1. Классификация архитектур вычислительных систем. 4

2. Архитектура микропроцессоров. 6

CISC 7

RISC 8

Принцип организации простейшего конвейера 11

Устранение конфликтов по данным 16

Методы устранения конфликтов по управлению 18

Суперскалярная архитектура 21

Архитектура машин с длинным командным словом 24

Процессоры Intel 25

Pentium I 25

Pentium II/III 26

Katmai 27

Celeron 27

Coppermine 27

Tualatin 28

Xeon 28

Pentium IV 29

NetBurst architecture 30

Advanced Dynamic Execution 32

Арифметико-логическое устройство (Rapid Execute Engine) 33

IA-64 34

Merced 34

McKinley 34

Madison 35

Процессоры AMD 35

Athlon 35

Hammer 37

Сводная таблица характеристик микропроцессоров 39

3. Оценка производительности процессора 41

MIPS 43

MFLOPS 44

4. Запоминающие устройства современных ЭВМ 46

Классификация запоминающих устройств 46

Классификация ЗУ по функциональному назначению 48

КЭШ-память компьютера 53

Принцип кэширования 53

Увеличение скорости доступа к данным. 54

Управление кэш-памятью. 55

Типы микросхем памяти 59

Статические ЗУ с произвольным доступом 59

Динамические ЗУ с произвольным доступом 60

Асинхронная динамическая память DRAM 60

Синхронная динамическая память SDRAM 61

DDR SDRAM 62

Динамическая память RDRAM 63

Модули динамических оперативных ЗУ 65

5. Запоминающие устройства на жестких магнитных дисках 69

Общие сведения об устройстве жестких дисков 70

Технология S.M.A.R.T. 73

Атрибуты S.M.A.R.T. 74

Значения атрибутов. 74

Пороговые значения атрибутов. 74

Интерфейс ATA 75

Serial ATA 79

Интерфейс SCSI 81

Сравнительные характеристики винчестеров 83

6. Порт AGP 84

Аппаратная реализация порта AGP 86

Тактовая частота 86

Конвейеризация адресов 86

Дополнительная сигнальная зона 87

Программная поддержка порта AGP 87

Опознавание устройств AGP 87

Управление питанием 88

Управление памятью 88

Физическое строение порта AGP 88

Перспективы развития AGP 89

7. Мониторы 89

CRT – мониторы 90

Принципы работы CRT-мониторов 91

SHADOW MASK 93

SLOT MASK 94

APERTURE GRILLE 95

LCD Monitors 99

Принцип работы LCD-монитора 99

Технология STN 102

Dual Scan Screens 103

Thin Film Transistor 105

Разрешение LCD-мониторов 105

Яркость LCD-мониторов 106

Контрастность LCD-мониторов 106

Сравнительная таблица характеристик CRT и LCD-мониторов 107

Plasma 110

FED 111

Sizes-Resolutions-Refresh-Rate 112

Разрешающая способность 112

Размер монитора 113

Максимальная разрешающая способность в цифрах 114

Частота горизонтальной развертки 115

Частота регенерации 116

Ширина полосы пропускания 117

1. Классификация архитектур вычислительных систем.

По-видимому, самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.

Рис. 1. Архитектура SISD

SISD (single instruction stream / single data stream) - одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, пре-жде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины фон-неймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда иницииру-ет одну операцию с одним потоком данных.

Рис. 2. Архитектура SIMD

Но данные в программе обладают неким параллелизмом. Например С = A + B и N = K*M – никак не связаны между собой и могут выполняться параллельно.

С другой стороны, если A, B и C – вектора, то необходимо организовать цикл для прохода и счета.

SIMD (single instruction stream / multiple data stream) - одиночный поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подоб-ного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными - элементами вектора. Способ выполнения векторных операций не оговаривается, поэтому обработка элементов вектора может производится либо процессорной матрицей, как в ILLIAC IV, либо с помощью конвейера, как, например, в машине CRAY-1. Это технология MMX.

Рис. 3. Архитектура MISD

MISD (multiple instruction stream / single data stream) - множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе. Ряд исследователей относят конвейерные машины к данному классу, однако это не нашло окончательного признания в научном сообществе. Будем считать, что пока данный класс пуст.

Рис. 4. Архитектура MIMD

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) - множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.

2. Архитектура микропроцессоров.

Мы настолько привыкли к темпам развития вычислительной техники, что уже как-то даже перестали удивляться им. А удивляться есть чему: за всю историю человечества ничего подобного не знала и не знает ни одна область техники. И самое удивительное, что эти темпы сохраняются уже более пятидесяти лет, с момента появления первой ЭВМ.

"Если бы начиная с 1971 года прогресс автомобилестроения был столь же стремительным, как в области создания микропроцессоров, то сегодня в нашем распоряжении были бы легковые машины, способные мчаться со скоростью 480 тыс. км/ч, затрачивая 1 л топлива на 355 тыс. км пути". Надо сразу же заметить, что этот тезис, высказанный в связи с 25-летием выпуска компанией Intel первого в мире микропро-цессора 4004, - не оригинален. Практически такая же фраза с похожими цифрами была в ходу еще лет двадцать назад для характеристики развития вычислительной техники за первые тридцать лет ее существования (там еще часто добавлялось "и этот автомобиль стоил бы 75 центов"). Но одно существенное различие между тогдашней и нынешней ситуацией все же имеется.

Дело в том, что до середины 70-х годов прогресс в области вычислительной техники во многом обеспечивался за счет смены средств эле-ментной базы компьютеров, реализованной на совершенно различных физических принципах: электронные лампы уступили место дис-кретным полупроводниковым приборам, а те - интегральным микросхемам. А вот все последние годы процессоры развиваются и совер-шенствуются в рамках одной и той же технологии - на базе интегральных полупроводниковых микросхем

CISC

В первые годы развития ПК лучшим способом увеличить производительность было реализовать как можно больше инструкций в централь-ном процессоре. По мере усложнения программ, инженерам приходилось добавлять в микропроцессоры все большее количество инструк-ций и, следовательно, увеличивать количество транзисторов. Так сформировалась стратегия архитектуры СISС (Complex Instruction Set Computer - компьютер с комплексным набором инструкций), которую образно можно представить как перенос "центра тяжести" обра-ботки инструкций на аппаратный уровень системы. За первые 10 лет компьютерной эры список инструкций типичного компьютера расши-рился от нескольких десятков до нескольких сотен операций самых различных форматов. Благодаря этому удалось максимально упростить компиляцию программ и заодно минимизировать размер исполняемого модуля - а это еще один эффективный способ увеличения произво-дительности, поскольку компактную программу проще разместить в оперативной памяти

Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой i360, ядро которой используется с1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000.

Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров.