Квантование сигнала

Центральный процессор, системные шины.

     Процессор, иначе, центральный процессор – Central Processing Unit (CPU) – это основной элемент компьютера, в современных компьютерах представляет собой сверхбольшую интегральную схему, реализованную на одном полупроводниковом кристалле. Процессор это программно управляемое устройство обработки информации, в котором производятся все вычисления.

     Для современных процессоров характерно:

• простота производства, что обеспечивается единой технологией производства;
• низкая стоимость, так производство современных процессоров является массовым;
• малые габариты, современный микропроцессор имеет площадь несколько квадратных сантиметров,  размер одной стороны всего несколько миллиметров
• высокая надежность;
• малое потребление энергии.

                Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

     С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной  памятью, процессор связан несколькими  группами проводников, называемых шинами. Основных шин три.

     Адресная  шина. Комбинация из нолей и единиц в этой шине образует адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. В процессоре эта шина связана с регистром, который называют «программный счетчик». Регистр «программный счетчик» всегда содержит адрес оперативной памяти, из которого считывается текущая, то есть выполняемая в данный момент процессором, команда.

     Шина  данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора для обработки, и после выполнения над ними необходимых действий, запись их обратно из процессора в оперативную память.

     Шина  команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует делать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, в регистр процессора, который называют «регистр команд». Команды тоже представлены в виде байтов.

     В процессе работы процессор обслуживает  данные. Находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть – как адресные данные, а часть – как команды. Совокупность всех возможных команд процессора, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют близкие системы команд.

     Таким образом, в процессе работы процессор  выполняет следующие функции:

• чтение и дешифрация команд из основной памяти;
• чтение данных из оперативной памяти и регистров на адаптерах внешних устройств;
• прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;
• обработку данных и их запись в оперативную память и регистры адаптеров внешних устройств;
• выработку управляющих сигналов для всех узлов и блоков персонального компьютера.

     Часто различают процессоры CISC (Common Instruction Computer процессоры с полным набором команд) и RISC (Reduced Instruction Set Computer - процессоры с сокращенным набором команд).

     Основные характеристики процессора.

     Разрядность процессора. Это число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. В настоящее время в основном работают 64-разрядные процессоры. Очевидно, что чем больше разрядность, тем выше производительность процессора.

     Производительность  процессора определяется также скоростью  выполнения команд программы. Поскольку  время исполнения разных команд существенно  варьируется, то для характеристики производительности процессора используют тактовую частоту.

     Тактовая  частота. В основе работы процессора лежит тактовый принцип, что и в обычных часах. Тактовый период – это время, за которое в процессоре, в одной ячейке памяти (бите) может произойти смена данных (т.е. ноль обратится в единицу или единица в ноль). Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем выше его производительность, но строгой зависимости нет.

     Система команд. В составе команд современного процессора, как правило, присутствуют арифметические и логические команды над числами с фиксированной и плавающей запятой, а также дополнительные команды, реализующие обработку графических, видео- и аудиоданных. В предшествующих моделях для реализации таких команд нужно было создавать программу, включающую несколько десятков или сотен машинных команд. За счет этого соответствующие действия выполняются намного быстрее. Общее количество команд, реализуемых современным процессором, достигает нескольких сотен.

     Наличие и характеристики кэш-памяти.

     Кэш-память в процессорах используется для ускорения доступа к данным, размещенным в ОЗУ. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. В общем случае кэш-память – это определенным способом организованная память - место, куда помещается информация, подготовленная для использования каким - либо устройством. (В данной ситуации это сверхоперативная память, но кэш может быть создан и другими микросхемами памяти, например кэш-память между оперативной памятью и жестким диском ускоряет обмен информацией между этими устройствами).

     Когда процессору нужны данные, он сначала  обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную  память. Принимая блок данных из оперативной  памяти, процессор заносит его  одновременно и в кэш-память.

     Обычно  используется кэш-память первого и  второго уровня. Кэш-память первого  уровня имеет меньший объем, чем  кэш-память второго уровня, но она  размещается непосредственно в  процессоре и потому намного быстрее. Различия между процессорами Pentium и Celeron состоят главным образом в том, что у первых размеры кэш-памяти существенно больше. У процессоров серии Хеоп, предназначенных для серверов, кэш-память еще больше. С каждым новым поколением процессоров кэш-память увеличивается, и таким образом увеличивается производительность компьютера.

     Параллельное  исполнение команд.

     Оно основано на том, что каждая команда  исполняется процессором за несколько  внутренних циклов работы. Поэтому, когда  исполнение одной команды переходит  к следующему циклу, процессор одновременно может начать обрабатывать другую команду. За счет организации конвейера команд скорость работы процессора намного возрастает. Но конвейер не всегда возможен. Поэтому активно развиваются научные исследования, связанные с оптимизацией построения конвейеров обработки команд.

Понятие системного программного обеспечения: назначение, возможности, структура; операционные системы.

     Программное обеспечение ЭВМ - это совокупность программ, процедур и правил вместе со связанной с этими компонентами документацией, которая позволяет использовать ЭВМ для решения различных задач.

     Необходимость в разработке программного обеспечения  обуславливается следующими обстоятельствами:

• обеспечить работоспособность ЭВМ, так как без программного обеспечения ЭВМ не может работать;
• облегчить взаимодействие компьютера с пользователем;
• сократить цикл от постановки задачи до получения результата ее решения на ЭВМ;
• повысить эффективность использования ресурсов ЭВМ.

     Между программами, как и между физическими  узлами и блоками существует взаимосвязь – многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть мы можем говорить о межпрограммном интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой уровней.

     Уровни  программного обеспечения представляют собой пирамидальную конструкцию, показанную на рисунке. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней. Такая классификация удобна для всех этапов работы с вычислительной системой, начиная с установки программ до практической эксплуатации технического обслуживания. Каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы в целом. Так, например, вычислительная система с программным обеспечением базового уровня не способна выполнять большинство функций, но позволяет установить системное программное обеспечение.

     Базовый уровень программного обеспечения

     Самый низкий уровень программного обеспечения  представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования, и хранится в специальных микросхемах, называемых постоянным запоминающим устройством (ПЗУ – Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства или, в случае необходимости в перепрограммируемых постоянных запоминающих устройствах специальным способом, и не могут быть изменены в процессе работы вычислительной системы.

     Системный уровень программного обеспечения

     Этот  уровень переходный. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции.

     От  программного обеспечения этого  уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом. Так, например, при подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств – они входят в состав программного обеспечения системного уровня.

     Другой  класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Именно благодаря им он получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.

     Совокупность  программ системного уровня образует операционную систему компьютера. Если компьютер оснащен программным  обеспечением системного уровня, то он уже подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и, самое главное, к взаимодействию с пользователем. То есть наличие операционной системы – непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой.

     Операционные  системы

     Операционная  система - это комплекс специальных программ и правил, предназначенных для управления загрузкой, запуском и выполнением других пользовательских программ, а также для планирования и управления ресурсами вычислительной системы и процессами, использующими эти ресурсы при вычислениях.

     Операционная  система представляет собой комплекс системных и служебных программных  средств. С одной стороны она  опирается на базовое программное  обеспечение компьютера, входящее в систему BIOS (базовую систему ввода-вывода), с другой стороны она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней – прикладных и большинства служебных приложений.