Основные понятия. Устройство компьютерных систем. Системы счисления

Программное обеспечение (ПО) — совокупность программ компьютерных систем, необходимых для их эксплуатации.
Системное программное обеспечение (System Software) - совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютерных систем.
Системное программное обеспечение предназначено для:
создания операционной среды функционирования других программ;
автоматизации разработки (создания) новых программ;
обеспечения надежной и эффективной работы самой компьютерной системы;
проведения диагностики и профилактики аппаратуры;
выполнения вспомогательных технологических процессов (копирование, архивирование, восстановление файлов программ и баз данных и т.д.).
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
/40

УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ
отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти;
указанная особенность позволяет производит загрузку и выгрузку управляющих программ в произвольное место памяти процессора, которая в этой структуре не разделяется на память программ и память данных. Любой участок памяти может служить как памятью программ, так и памятью данных.
Память
Устройство управления
Внешние устройства
Процессор

Микропроцессор – процессор, т.е. устройство, отвечающее за выполнение операций, записанных в машинном коде, представляет из себя сверхбольшую интегральную схему, реализованную в едином полупроводниковом кристалле.
CPU - Central Processing Unit – выполняет математические действия над числами, находящимися в основной памяти компьютера или специальных внутренних ячейках – регистрах и дополнительные специальные действия.
Выполняемые микропроцессором команды предусматривают арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, памятью, портами ввода-вывода).
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
/40

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ МИКРОПРОЦЕССОРА
чтение и дешифрация команд из основной памяти;
чтение данных из оперативной памяти (ОП) и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);
обработка данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;
выработка управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.
прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

Микропроцессоры характеризуются тактовой частотой, разрядностью или длиной слова (внутренней и внешней), архитектурой и набором команд.
Архитектура микропроцессора определяет необходимые регистры, стеки, систему адресации, а также типы обрабатываемых процессором данных.
Степень интеграции определяется размерами кристалла и количеством реализованных в нём транзисторов.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
/40

Тактовая частота – характеризует производительность подсистемы (процессора, памяти и пр.), то есть количество выполняемых операций в секунду.
Системы с одной и той же тактовой частотой могут иметь различную производительность, так как на выполнение одной операции разным системам может требоваться различное количество тактов (обычно от долей такта до десятков тактов), а кроме того, системы, использующие конвейерную и параллельную обработку, могут на одних и тех же тактах выполнять одновременно несколько операций.
Разрядность – (условно) количество разрядов (импульсов),которое может обработать процессор за один такт.
Разрядность процессора связана прежде всего с разрядностью регистров процессора, а также с разрядностью шины данных.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
/40

ВНУТРЕННЯЯ СТРУКТУРА ПРОЦЕССОРА
Внутренняя магистраль ЦП
Flags
КЭШ
память
1 уровня
УУ
IP
Шина
Предсказание переходов

ПРОЦЕСС ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОГРАММЫ
Этапы цикла выполнения:
Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса и отдаёт памяти команду чтения.
Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных и сообщает о готовности.
Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её.
Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд, в результате там образуется адрес следующей команды.
Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

КОНВЕЙЕР ПРОЦЕССОРА
Конвейер — это способ организации вычислений, используемый в современных процессорах и контроллерах с целью ускорения выполнения инструкций (увеличения числа инструкций, выполняемых в единицу времени).
Получение
– Fetch
Раскодирование
– Decode
Выполнение
– Execute
Запись результата – Write-back

УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ
Гарвардская архитектура отличается от архитектуры фон Неймана тем, что программный код и данные хранятся в разной памяти.
В гарвардская архитектуре невозможны многие методы программирования (например, невозможно динамически перераспределять память между программным кодом и данными);
гарвардская архитектура позволяет более эффективно выполнять работу в случае ограниченных ресурсов, поэтому она часто применяется во встраиваемых системах.

КЛАССЫ АРХИТЕКТУР МИКРОПРОЦЕССОРОВ
CISC архитектура (Complex Instruction Set Computer ) – исходная архитектуры, обладает полным набором инструкций.
RISC архитектура ( Reduced Instruction Set Computers ) –сравнительно небольшой (сокращённый ) набор наиболее используемых команд определённый в результате статистического анализа большого числа программ для основных областей применения.
Арифметику RISC процессоров отличает высокая степень дробления конвейера.
Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту ( значит, и производительность ) компьютера; чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы.
RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и высокой производительностью, несмотря на больший объем программ, на ( 30 % ).