Процессорная система

СОДЕРЖАНИЕ

Введение             2

1. Теоретическая  часть          3

 1.1 Процессорная система              3

 1.2 Общая классификация процессорных систем     5

1.3 Задача памяти в процессорных системах      8

 1.4 Принцип работы памяти         8

 1.5 Общая классификация памяти       9

1.6 Основные типы ОЗУ        11

1.7 Основные  типы ПЗУ        12

2. Практическая  часть         14

2.1 Определение  объёма памяти       14

2.2 Синтез ПЗУ          15

2.3 Синтез ОЗУ           18

Заключение             22

Литература            23

ВВЕДЕНИЕ

Информация, циркулирующая  в вычислительной системе, хранится в памяти. Основными критериями оценки запоминающего устройства являются показатели емкости, быстродействия и потребляемой мощности.

Компьютерная память обеспечивает поддержку одной из наиважнейшей функций современного компьютера – способность длительного хранения информации.

В зависимости  от места нахождения в вычислительной системе память подразделяют на внутреннюю (оперативную, сверхоперативную и постоянную) и внешнюю (различные накопители).

В теоретической части данной работы рассмотрена компьютерная память, ее виды и классификации, в практической части – осуществлено построение внутренней памяти процессорной системы.

В конце работы сделано заключение и приведен список использованной литературы.

1. Теоретическая  часть 

1.1 Процессорная система.

Вид деятельности, в котором задействован человек, как правило, обусловлен решением каких- либо задач. Процессорные системы также как и человек выполняет или решают задачи в разных областях. В тоже время есть люди, которые работают в нескольких трудовых областях одновременно, либо группа людей работает над решением одной и той же задачи. Так и ПС могут решать одну задачу, две задачи, либо группа объединённых ПС решает одну и ту же задачу. В связи с этим представляется возможным дать классификацию ПС.

Система - это  совокупность элементов, которые находятся  между собой в определенных отношениях и связях и которые образуют определенную целостность, единство какого-либо явления или предмета исследования (system от греч. - соединенная из частей)

Итак можно  сформулировать определение, процессорная система - это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих вычислительных устройств (процессоров), периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенных для подготовки и решения задач пользователя.

Рисунок 1. Общая схема вычислительной системы.

В верней части  блок-схемы показано ОЗУ, разделенное  на отдельные блоки. Каждый блок имеет свое местное устройство управления оперативной памяти. Обмен между ОЗУ и быстрой ВЗУ происходит сравнительно большими объемами информации достаточно быстро и оперативно. Программирование упрощается, так как пользователю дают весь объем памяти (ОЗУ+ВЗУ) для прямой поячеечной адресации. Такие адреса носят названия виртуальных. Физическими адресами данных являются только адреса ОЗУ. В первом блоке ОЗУ размещена резидентная часть ОС (часть блоков ОС которые часто используются). Под системой коммутации располагаются процессоры: центральный процессор (ЦП) и периферийные процессоры ввода-вывода (ППВВ), выполняющие функции обмена между ОЗУ и периферийными устройствами. Простейшие ППВВ, по терминологии для отечественных ЭВМ, также называют каналами.

Левый канал подключен  к ВЗУ. Поскольку скорость передачи данных высокая и, следовательно, время  обмена короткое канал поддерживает связь ОЗУ с выбранным ВЗУ  все время, пока не закончится обмен. Поэтому этот канал называется селекторным, то есть канал выбирает устройство на все время обмена. К правому каналу подключены более медленные периферийные устройства ввода вывода (УВВ). Чтобы полностью использовать пропускную способность канала, его снабжают своим быстродействующим ЗУ и системой переключения с одного УВВ на другое. Этот канал работает в 2 такта: во-первых, он накапливает данные из УВВ в ячейках памяти, закрепленных за этим УВВ, переключаясь, по мере готовности передать или принять данные, с одного УВВ на другое, а во-вторых, обменивается более крупными порциями данных между своим буферным ЗУ и ОЗУ. Этот тип канала за способность к быстрому переключению получил название мультиплексного.

1.2 Общая классификация процессорных систем.

По  назначению.

Универсальные предназначаются для решения широкого класса задач (от математических расчетов до обработки мультимедиа), т.е. такие ВС должны обслуживать программные приложения, разработанные для самых разных и далеко отстоящих друг от друга направлений научных исследований. 

Специализированные ориентированы на решение узкого класса задач.

По типу:

Многопроцессорные. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память. Параллельная работа процессоров и использование общей оперативной памяти обеспечиваются под управлением общей операционной системы. Это позволяет в случае отказа одного из процессора, перераспределить нагрузку между оставшимися процессорами.

Рисунок 2. Многопроцессорная вычислительная система.

Многомашинные.

Возможны два  варианта:

обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты решения;

обе машины работают параллельно, но обрабатывают собственные потоки заданий.

Основной недостаток многомашинной ВС - достаточно в  ВС в каждой ЭВМ выйти из строя  по одному устройству (даже разных типов), как вся система становится неработоспособной.

Рисунок 3. Многомашинная вычислительная система.

По  характеру устройств:

Однородные системы содержат несколько однотипных ЭВМ (или процессоров). Основной недостаток однородных ВС - неполная загруженность отдельных ЭВМ (процессоров) во время её работы. В связи с этим недостатком применяются неоднородные ВС;

Неоднородные. Неоднородные системы содержат разнотипные ЭВМ (или процессоры).

По  управлению:

Централизованные. Функции управления сосредоточены в главной ЭВМ (процессор). Ее задачей являются распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия.

Децентрализованные. Функции управления распределены между ее элементами, т.е.  каждый процессор или ЭВМ действуют автономно, решая свои задачи.

Смешенные. Совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления.  Т.е. ВС разбивается на группы взаимодействующих ЭВМ (или процессоров), где в каждой группе осуществляется централизованное управление, а между группами - децентрализованное.

1.3 Задача памяти в процессорных системах

Главная задача процессорной системы – выполнять программы. Программы вместе с данными, к которым они имеют доступ, в процессе выполнения должны (по крайней мере частично) находиться в оперативной памяти. Операционной системе приходится решать задачу распределения памяти между пользовательскими процессами и компонентами ОС. Эта деятельность называется управлением памятью. Таким образом, память (storage, memory) является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления. Эффективность работы памяти компьютера напрямую зависит производительность всей вычислительной системы в целом. В недавнем прошлом память была самым дорогим ресурсом.

1.4 Принцип работы памяти

Кратко рассмотрим принцип работы оперативной памяти. Минимальный элемент памяти - бит или разряд способен хранить минимально возможный объем информации - одну двоичную цифру. Бит очень маленькая информационная единица, поэтому биты в памяти объединяются в байты - восьмерки битов, являющиеся ячейками памяти. Все ячейки памяти пронумерованы. Номер ячейки называют ее адресом. Зная адрес ячейки можно совершать две основные операции:

1) прочитать  информацию из ячейки с определенным  адресом;

2) записать информацию  в байт с определенным адресом.

Чтобы выполнить одну из этих операций необходимо, чтобы от процессора к памяти поступил адрес ячейки, и чтобы байт информации был передан от процессора к памяти при записи, или от памяти к процессору при чтении. Все сигналы должны передаваться по проводникам, которые объединены в шины.

По шине адреса передается адрес ячейки памяти, по шине данных – передаваемая информация. Как правило, эти процессы проходят одновременно.

Для работы ОЗУ используются еще 3 сигнала и соответственно 3 проводника. Первый сигнал называется запрос чтения, его получение означает указание памяти прочесть байт. Второй сигнал называется запрос записи, его получение означает указание памяти записать байт. Передача сразу обоих сигналов запрещена. Третий сигнал – сигнал готовности, используемый для того, чтобы память могла сообщить процессору, что она выполнила запрос и готова к приему следующего запроса.

1.5 Общая классификация памяти

• Внутренняя память предназначена для хранения относительно небольших объемов информации при ее обработке микропроцессором.
• Внешняя память предназначена для длительного хранения больших объемов информации независимо от того включен или выключен компьютер.
• Энергозависимой называется память, которая стирается при выключении компьютера.
• Энергонезависимой называется память, которая не стирается при выключении компьютера.

• К энергонезависимой внутренней памяти относится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Содержимое ПЗУ устанавливается на заводе-изготовителе и в дальнейшем не меняется. Эта память составлена из микросхем, как правило, небольшого объема. Обычно в ПЗУ записываются программы, обеспечивающие минимальный базовый набор функций управления устройствами компьютера. При включении компьютера первоначально управление передается программе из ПЗУ, которая тестирует компоненты компьютера и запускает программу-загрузчик операционной системы.

К энергозависимой  внутренней памяти относятся оперативное  запоминающее устройство (ОЗУ), видеопамять  и кэш-память. В оперативном запоминающем устройстве в двоичном виде запоминается обрабатываемая информация, программа ее обработки, промежуточные данные и результаты работы. ОЗУ обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причём в любой момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Это отражено в англоязычном названии ОЗУ – RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом). Доступ к этой информации в ОЗУ осуществляется очень быстро. Эта память составлена из сложных электронных микросхем и расположена внутри корпуса компьютера. Часть оперативной памяти отводится для хранения изображений, получаемых на экране монитора, и называется видеопамять. Чем больше видеопамять, тем более сложные и качественные картинки может выводить компьютер. Высокоскоростная кэш-память служит для увеличения скорости выполнения операций компьютером и используется при обмене данными между микропроцессором и RAM. Кэш-память является промежуточным запоминающим устройством (буфером). Существует два вида кэш-памяти: внутренняя, размещаемая внутри процессора и внешняя, размещаемая на материнской плате.

Внешняя память может быть с произвольным доступом и последовательным доступом. Устройства памяти с произвольным доступом позволяют получить доступ к произвольному блоку данных примерно за одно и то же время доступа.

1.6 Основные типы ОЗУ

Память динамического типа (англ. DRAM (Dynamic Random Access Memory)) Экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариациях конденсаторов два). Такой вид памяти решает, во-первых, проблему дороговизны (один конденсатор и один транзистор дешевле нескольких транзисторов) и во-вторых, компактности (там, где в SRAM размещается один триггер, то есть один бит, можно уместить восемь конденсаторов и транзисторов). Есть и свои минусы. Во-первых, память на основе конденсаторов работает медленнее, поскольку если в SRAM изменение напряжения на входе триггера сразу же приводит к изменению его состояния, то для того чтобы установить в единицу один разряд (один бит) памяти на основе конденсатора, этот конденсатор нужно зарядить, а для того чтобы разряд установить в ноль, соответственно, разрядить. А это гораздо более длительные операции (в 10 и более раз), чем переключение триггера, даже если конденсатор имеет весьма небольшие размеры. Второй существенный минус — конденсаторы склонны к «стеканию» заряда; проще говоря, со временем конденсаторы разряжаются. Причём разряжаются они тем быстрее, чем меньше их ёмкость. За то, что разряды в ней хранятся не статически, а «стекают» динамически во времени, память на конденсаторах получила своё название динамическая память. В связи с этим обстоятельством, дабы не потерять содержимое памяти, заряд конденсаторов для восстановления необходимо «регенерировать» через определённый интервал времени. Регенерация выполняется центральным микропроцессором или контроллером памяти, за определённое количество тактов считывания при адресации по строкам. Так как для регенерации памяти периодически приостанавливаются все операции с памятью, это значительно снижает производительность данного вида ОЗУ.

Память статического типа (англ. SRAM (Static Random Access Memory))

ОЗУ, которое  не надо регенерировать (и обычно схемотехнически собранное на триггерах), называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти — скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях, а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии связи. Используется для организации сверхбыстрого ОЗУ, критичного к скорости работы.

1.7 Основные виды ПЗУ

ROM — (англ. read-only memory, постоянное запоминающее устройство), масочное ПЗУ, изготавливается фабричным методом. В дальнейшем нет возможности изменить записанные данные.

PROM — (англ. programmable read-only memory, программируемое ПЗУ (ППЗУ)) — ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем. Память представляла собой двумерный массив проводников (строк и столбцов) на пересечении которых создавалась специальная перемычка из металла (например, нихрома или титаново-вольфрамового сплава) или аморфного кремния. Программирование заключалось в пропускании через соответствующую перемычку тока, который заставлял её разорваться — расплавиться и испариться. Восстановление расплавленных перемычек невозможно.

EPROM — (англ. erasable programmable read-only memory, перепрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ)). Представляет собой матрицу транзисторов с плавающим затвором индивидуально запрограммированных с помощью электронного устройства, которое подаёт более высокое напряжение, чем обычно используеся в цифровых схемах. В отличие от PROM, после программирования данные на EPROM можно стереть (сильным ультрафиолетовым светом от ртутного источника света). EPROM легко узнаваем по прозрачному окну из кварцевого стекла в верхней части корпуса, через которое виден кремниевый чип и через которое производится облучение ультрафиолетовым светом во время стирания.

EEPROM — (англ. electrically erasable programmable read-only memory, электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EEPROM является флеш-память (англ. flash memory). Принцип работы EEPROM основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области (кармане) полупроводниковой структуры. Изменение заряда ("запись" и "стирание") производится приложением между затвором и истоком большого потенциала чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта тунеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора

2 Практическая  часть

Вариант 18

Необходимо построить внутреннюю память процессорной системы, состоящей из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).

Длина слова  ПЗУ 8бит

Длина слова  ОЗУ 8бит

Разрядность шины данных 8

Разрядность адресной шины 20

Адреса покрываемые ПЗУ 00000-03FFF

Адреса покрываемые  ОЗУ 40000-5FFFF

Ёмкость микросхемы ПЗУ 16К*4

Ёмкость микросхемы ОЗУ 64К*4

2.1 Определение  ёмкости памяти.

Необходимую ёмкость памяти можно вычислить исходя из начального и конечного адреса, переводя его в двоичный код.

ПЗУ 

Начальный адрес: 00000₍₁₆₎  - 0000 0000 0000 0000 0000₍₂₎

Конечный адрес: 03FFF₍₁₆₎ - 0000 0011 1111 1111 1111₍₂₎

Произошли изменения  в 14 разрядах, следовательно, объём памяти для 8 битных слов будет равен:

2¹⁴ = 16384  = 16 кбайт

ОЗУ

Начальный адрес: 40000₍₁₆₎  - 0100 0000 0000 0000 0000

Конечный адрес:    5FFFF₍₂₎ - 0101 1111 1111 1111 1111

Произошли изменения в 17 разрядах, следовательно, объём памяти для 8 битных слов будет равен:

2¹⁷ = 131072 = 128 кбайт

2.2 Синтез ПЗУ

Для синтеза ПЗУ процессорной системы необходимо получить память объёмом  16К× 8, а в распоряжении есть микросхемы  ёмкостью 16К × 4. Поскольку количество адресных ячеек у микросхем соответствует необходимой величине, а длина хранимого слова одной микросхемы составляет 4 бита, то необходимо объединить 2 микросхемы, где каждая будет хранить по четыре разряда слова.

 16К × 4 * 2 = 16К × 8

 У каждой есть по 14 адресных входов A0-A13 и по 4 выход4 данных, а так же вход CS (выбор микросхемы).

Рисунок 4. Микросхема ПЗУ 16К × 4.

Основные принципы построения ПЗУ:

1. Младшие разряды адресной шины А0 - A13 необходимо подать на соответствующие входы DD1 – DD2.
2. Добавить разрешающую логику (Элемент 6И-НЕ), т.к. для корректной работы памяти, микросхемы должны опрашиваться только тогда, когда на всех пяти старших разрядах (А14 - А19) логический ноль. Сигнал с логического элемента подаётся на вход CS всех микросхем.
3. Соединить информационные выходы микросхем с шиной данных

Выводы первой микросхемы к шине Q0-Q3

Выводы второй микросхемы к шине Q4-Q7

Рисунок 5. Принципиальная схема ПЗУ процессорной системы.

2.3 Синтез ОЗУ

Для синтеза ОЗУ процессорной системы необходимо получить память объёмом 128К × 8, а в распоряжении имеются микросхемы объёмом 64К × 4. Каждая из них имеет по 16 адресных входов, 4 информационных выходов, входы CS и W/R. Так как нужно получить объём 128 кбайт то нам нужно 4 таких микросхемы. Итого 4 микросхемы.

64К × 4 * 8 = 64К × 8

64К × 8 * 2 = 128К × 8

Каждая пара микросхем будет раздельно хранить по 64 кбайт памяти. Для согласованной работы нужен дешифратор адреса, который будет разрешать чтение\запись только одной группы микросхем (DD1-DD2 или DD3-DD4) в зависимости от адресной информации.

Рисунок 6. Микросхема ОЗУ 64К×4.

Для синтеза  ОЗУ необходимо:

1. Подключить параллельно все адресные  входы микросхем (А0-А15) к адресной шине соответственно.

2. Соединить информационные выходы каждой микросхемы с шиной данных по тому же принципу, что и в схеме ПЗУ.
3. Соединить попарно входы CS.
4. Соединить параллельно входы W/R.
5. Для корректной работы памяти создать дешифратор адреса.

Дешифратор адреса состоит из пяти логических элементов.  Он обеспечивает коммутацию групп микросхем DD1-DD2 и DD3-DD4, а так же разрешает запись\чтение всего ОЗУ только тогда, когда на старших разрядах адресной шины A17-A19 устанавливается комбинация 0 1 0 соответственно.

Рисунок 7. Дешифратор адреса

Рисунок 8. Структурная схема ОЗУ.

Рисунок 9. Подсистема памяти процессорной системы

Заключение

В современном  мире, с развитием вычислительной техники, электронная память является наиболее динамично развивающейся частью компьютеров, так как рост производительности   систем требует всё большие объемы, как оперативных запоминающих устройств, так и накопителей.

 Среди внешних накопителей происходит повсеместное вытеснение компакт дисков на компактные флеш-накопители основанные на микросхемах флеш-памяти. Конкурентом внутреннего жёсткого диска HDD (hard disk drive) становится SSD (solid-state drive) – твердотельный накопитель не имеющий подвижных частей, потребляющий малое количество энергии, и имеющий большую скорость чтения/записи.

Содержание:

1. www.excode.ru/art6254p1.html
2. http://rspu.edu.ru/rspu/structure/university_departments/math_faculty/site/stud_materials/Fomichev/page5.html
3. http://inf.e-alekseev.ru/text/Processor.htm
4. http://inf.e-alekseev.ru/text/Memory.html
5. Вычислительная техника: Учеб. пособие  для студ. сред. проф. образования/Юрий Михайлович Келим. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 384 с.