2.2 Оперативна пам’ять
Основна пам'ять будується на основі інтегральних мікросхем. Мікросхеми пам'яті організовані у вигляді матриці комірок, кожна з яких має n запам'ятовуючих елементів, де n - розрядність комірки, і має свою адресу. Кожен запам'ятовуючий елемент здатний зберігати один біт інформації, оскільки він має два стабільні стани, які представляють двійкові значення 0 і 1. При запису інформації запам'ятовуючий елемент встановлюється в один із двох можливих станів. Для визначення поточного стану запам'ятовуючого елемента його вміст має бути зчитаний.
Загальна структурна схема пам’яті наведена в додатку.
В мікросхемах пам'яті реалізується координатний принцип адресації комірок, згідно з яким комірка із заданим номером лежить на перетині відповідних вертикальної та горизонтальної ліній. Запам'ятовуючі елементи, об'єднані загальним горизонтальним провідником, прийнято називати рядком. Запам'ятовуючі елементи, підключені до загального вертикального провідника, називають стовпцем. Кожній горизонтальній лінії відповідає один з кодів адреси рядка, а кожній вертикальній лінії відповідає один з кодів адреси стовпця. Молодші розряди адреси вказують адресу рядка, а старші розряди адреси вказують адресу стовпця.
Адреса комірки, що поступає в мікросхему пам'яті, пропускається через логіку вибору, де вона розділяється на дві складові: адресу рядка і адресу стовпця. Адреси рядка і стовпця запам'ятовуються в буфері адреси. Адреси рядка і стовпця подаються в мікросхему на дешифратори стовпця і рядка відповідно. Виходи дешифраторів утворюють систему горизонтальних і вертикальних провідників, до яких підключені матриці комірок пам'яті, при цьому кожна комірка пам'яті розташована на перетині одного горизонтального й одного вертикального провідників.
Крім адресних вертикальних провідників у мікросхемі повинна бути така ж кількість інформаційних провідників, по яких передаватиметься інформація, яка зчитується та записується до пам'яті. Сукупність запам'ятовуючих елементів і логічних схем, пов'язаних із вибором рядків і стовпців, називають ядром мікросхеми пам'яті.
Крім ядра, в мікросхемі є ще інтерфейсна логіка, що забезпечує взаємодію ядра із зовнішнім світом. У її завдання, зокрема, входить проведення комутації потрібного стовпця на вихід при читанні і на вхід при записі, яка здійснюється через вихідні ключі, що керуються логічними схемами запису і зчитування.
Організація введення-виведення
До числа пристроїв введення належать наступні:
• Клавіатура.
• Оптичні пристрої, зокрема зчитувачі перфокарт, паперових стрічок та штрихових кодів, цифров а відеокамера, оптичний пристрій зчитування міток.
• Магнітні пристрої, наприклад, пристрій для зчитування коду, нанесеного в вигляді магнітних стрічок.
• Екранні пристрої, до числа яких входять сенсорні екрани, світлове перо, мишка.
• Широкий спектр аналогових пристроїв з цифровим виходом.
До числа пристроїв виведення належать наступні:
• Електронно-променева трубка.
• Рідкокристалічний дисплей.
• Принтер (ударного типу, струменевий, лазерний, точково-матричний).
• Графопобудовувач.
• Перфоратори карт та стрічок.
• Широкий спектр аналогових пристроїв з цифровим входом.
• Звукові пристрої.
Пристрої введення-виведення та з'єднані з ними внутрішні пристрої комп'ютера, крім вузлів прямого функціонального призначення, містять елементи, які переміщують інформацію між ними та процесором і основною пам'яттю. До цих елементів належать:
• Блоки, призначені для зберігання інформації, яка підлягає введенню-виведенню.
• Шини, по яких здійснюється обмін інформацією між процесором та пам'яттю комп'ютера і керуючими вузлами зовнішніх пристроїв.
• Керуючі вузли внутрішніх та периферійних пристроїв (контролери введення-виведення).
• Пристрої зв'язку (інтерфейсні схеми, які далі скорочено будемо називати інтерфейсами) зовнішніх пристроїв, які забезпечують зв'язок між зовнішніми і внутрішніми пристроями комп'ютера відповідно до протоколів обміну.
Рис.5 схема під’єднання зовнішніх пристроїв до комп’ютера
На Рис.5 Схема показує, як всі ці компоненти можуть бути з'єднані між собою, щоб сформувати об'єднану підсистему введення-виведення. Контролери введення-виведення призначені для переміщення даних між основною пам’яттю та інтерфейсом відповідного пристрою. Інтерфейси проектуються спеціально під конкретний пристрій введення-виведення, щоб зв'язатися з певними видами пристроїв, як наприклад клавіатурою, дисками або принтерами. Інтерфейси повідомляють контролери про готовність зовнішніх пристроїв до приймання наступної партії даних, або, повідомляють зовнішні пристрої, що внутрішні пристрої комп'ютера готові одержати від них наступну партію даних.
Порядок обміну інформацією між передавачем і приймачем задається в протоколі обміну. Протоколи вказують порядок поступлення сигналів керування, як наприклад, скидання принтера сигналів статусу, як наприклад готовність принтера, або сигналів передачі даних, як наприклад "тут є байти, які ви запросили. "
В комп'ютерах використовуються два принципи передачі інформації - синхронний і асинхронний. При синхронному принципі передавач інформації утримує на своєму виході інформацію деякий наперед визначений час, достатній для її фіксування в приймачі. При асинхронному принципі приймач отримавши інформацію повідомляє про це приймача, який лише після цього може змінити інформацію на своєму виході. Тому існують два методи передачі даних. Перший передбачає передачу разом з даним тактового сигналу, призначеного для фіксування даного. Цей вид протоколів обміну називають протоколами з стробуванням. У більшості протоколів обміну використовується другий метод, згідно з яким приймач повинен підтвердити отримання відправлених йому команд і даних, або вказати, що готовий одержати дані. Цей вид протоколів обміну називають протоколами з квітуванням.
Зовнішні пристрої, які оперують великими блоками даних, як наприклад, принтери і драйвери магнітних дисків і стрічок часто обладнуються буферною пам'яттю. Буферна пам'ять дозволяє операційній системі комп'ютера відправляти або приймати великі об'єми даних до/від зовнішніх пристроїв найшвидше. Додаткова спеціалізована пам’ять на дисках є зазвичай різновидністю кеш пам'яті, тоді як принтери обладнуються повільнішою пам'яттю з довільною вибіркою. Пристрої керування здійснюють керування відповідним зовнішнім пристроєм та зчитують дані з буферної пам'яті і вказують місце їх поступлення.
Магнітні диски та стрічки належать до типів пам'яті, призначених для тривалого зберігання інформації. Проте, зрозуміло, що і для них існує відповідний термін зберігання. Він становить приблизно п'ять років для магнітних пристроїв пам'яті та до 100 років для оптичних пристроїв пам'яті.
Інтерфейси введення-виведення забезпечують узгодження передачі інформації між внутрішніми (як наприклад пам'ять і регістри процесора) та зовнішніми пристроями введення-виведення. Зовнішні пристрої часто є електромеханічними, тоді як процесор і пам’ять - електронні пристрої. Тому швидкість передачі даних від зовнішніх пристроїв є зазвичай, повільнішою.
Висновок
RISC-процесори є швидшими і економічнішими за CISC. У принципі, є можливість проектувати процесори на чистій RISC-архітектурі. Але відмовитися від архітектури x86 вже неможливо, оскільки під неї написано більшість поширених у світі програм, включаючи комп'ютерні ігри
В даній курсовій роботі було поставлено за мету спроектувати структурну схему комп’ютера на RISC архітектурі. Основою для проектування інформаційного тракту було взято навчальний процесор DLX і оптимізовано його під виконання шести інструкцій, які подаються в вхідних даних до курсової роботи.
На основі гарвардської архітектури спроектовано структурну схему кешів, оскільки використовується роздільно кеші інструкцій і даних. Основна ж пам'ять не має такого розмежування, вона базується на пристонській архітектурі.
Пристрій керування побудований на основі абстрактного автомату Мура і має 18 стійких станів, які визначаються поточною інструкцією, яка виконується на даний момент, і визначають стани 15 вихідних сигналів, які керують інформаційним трактом
Список використаної літератури
Мельник А.О. Архітектура комп’ютера. Наукове видання. – Луцьк: Волинська обласна друкарня, 2008. – 470с.
Patterson D., and Hennessy J. Computer Architecture. A quantitative Approach. Second Edition. - Morgan Kaufmann Publishers, Inc., San Francisco, California, 1996. - 760 p.
Opcodes [Електронний ресурс] - Режим доступу:
https://opencores.org/projects/plasma/opcodes
Майоров С.А., Новиков Г.И. Принципы организации цифровых машин. - Л., Машиностроение, 1974.
Single-Cycle Datapath and Control [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.cs.fsu.edu/
zwang/files/cda3101/Fall2017/Lecture5_cda3101.pdf
2.2 Оперативна пам’ять
Основна пам'ять будується на основі інтегральних мікросхем. Мікросхеми пам'яті організовані у вигляді матриці комірок, кожна з яких має n запам'ятовуючих елементів, де n - розрядність комірки, і має свою адресу. Кожен запам'ятовуючий елемент здатний зберігати один біт інформації, оскільки він має два стабільні стани, які представляють двійкові значення 0 і 1. При запису інформації запам'ятовуючий елемент встановлюється в один із двох можливих станів. Для визначення поточного стану запам'ятовуючого елемента його вміст має бути зчитаний.
Загальна структурна схема пам’яті наведена в додатку.
В мікросхемах пам'яті реалізується координатний принцип адресації комірок, згідно з яким комірка із заданим номером лежить на перетині відповідних вертикальної та горизонтальної ліній. Запам'ятовуючі елементи, об'єднані загальним горизонтальним провідником, прийнято називати рядком. Запам'ятовуючі елементи, підключені до загального вертикального провідника, називають стовпцем. Кожній горизонтальній лінії відповідає один з кодів адреси рядка, а кожній вертикальній лінії відповідає один з кодів адреси стовпця. Молодші розряди адреси вказують адресу рядка, а старші розряди адреси вказують адресу стовпця.
Адреса комірки, що поступає в мікросхему пам'яті, пропускається через логіку вибору, де вона розділяється на дві складові: адресу рядка і адресу стовпця. Адреси рядка і стовпця запам'ятовуються в буфері адреси. Адреси рядка і стовпця подаються в мікросхему на дешифратори стовпця і рядка відповідно. Виходи дешифраторів утворюють систему горизонтальних і вертикальних провідників, до яких підключені матриці комірок пам'яті, при цьому кожна комірка пам'яті розташована на перетині одного горизонтального й одного вертикального провідників.
Крім адресних вертикальних провідників у мікросхемі повинна бути така ж кількість інформаційних провідників, по яких передаватиметься інформація, яка зчитується та записується до пам'яті. Сукупність запам'ятовуючих елементів і логічних схем, пов'язаних із вибором рядків і стовпців, називають ядром мікросхеми пам'яті.
Крім ядра, в мікросхемі є ще інтерфейсна логіка, що забезпечує взаємодію ядра із зовнішнім світом. У її завдання, зокрема, входить проведення комутації потрібного стовпця на вихід при читанні і на вхід при записі, яка здійснюється через вихідні ключі, що керуються логічними схемами запису і зчитування.
Організація введення-виведення
До числа пристроїв введення належать наступні:
• Клавіатура.
• Оптичні пристрої, зокрема зчитувачі перфокарт, паперових стрічок та штрихових кодів, цифров а відеокамера, оптичний пристрій зчитування міток.
• Магнітні пристрої, наприклад, пристрій для зчитування коду, нанесеного в вигляді магнітних стрічок.
• Екранні пристрої, до числа яких входять сенсорні екрани, світлове перо, мишка.
• Широкий спектр аналогових пристроїв з цифровим виходом.
До числа пристроїв виведення належать наступні:
• Електронно-променева трубка.
• Рідкокристалічний дисплей.
• Принтер (ударного типу, струменевий, лазерний, точково-матричний).
• Графопобудовувач.
• Перфоратори карт та стрічок.
• Широкий спектр аналогових пристроїв з цифровим входом.
• Звукові пристрої.
Пристрої введення-виведення та з'єднані з ними внутрішні пристрої комп'ютера, крім вузлів прямого функціонального призначення, містять елементи, які переміщують інформацію між ними та процесором і основною пам'яттю. До цих елементів належать:
• Блоки, призначені для зберігання інформації, яка підлягає введенню-виведенню.
• Шини, по яких здійснюється обмін інформацією між процесором та пам'яттю комп'ютера і керуючими вузлами зовнішніх пристроїв.
• Керуючі вузли внутрішніх та периферійних пристроїв (контролери введення-виведення).
• Пристрої зв'язку (інтерфейсні схеми, які далі скорочено будемо називати інтерфейсами) зовнішніх пристроїв, які забезпечують зв'язок між зовнішніми і внутрішніми пристроями комп'ютера відповідно до протоколів обміну.
Рис.5 схема під’єднання зовнішніх пристроїв до комп’ютера
На Рис.5 Схема показує, як всі ці компоненти можуть бути з'єднані між собою, щоб сформувати об'єднану підсистему введення-виведення. Контролери введення-виведення призначені для переміщення даних між основною пам’яттю та інтерфейсом відповідного пристрою. Інтерфейси проектуються спеціально під конкретний пристрій введення-виведення, щоб зв'язатися з певними видами пристроїв, як наприклад клавіатурою, дисками або принтерами. Інтерфейси повідомляють контролери про готовність зовнішніх пристроїв до приймання наступної партії даних, або, повідомляють зовнішні пристрої, що внутрішні пристрої комп'ютера готові одержати від них наступну партію даних.
Порядок обміну інформацією між передавачем і приймачем задається в протоколі обміну. Протоколи вказують порядок поступлення сигналів керування, як наприклад, скидання принтера сигналів статусу, як наприклад готовність принтера, або сигналів передачі даних, як наприклад "тут є байти, які ви запросили. "
В комп'ютерах використовуються два принципи передачі інформації - синхронний і асинхронний. При синхронному принципі передавач інформації утримує на своєму виході інформацію деякий наперед визначений час, достатній для її фіксування в приймачі. При асинхронному принципі приймач отримавши інформацію повідомляє про це приймача, який лише після цього може змінити інформацію на своєму виході. Тому існують два методи передачі даних. Перший передбачає передачу разом з даним тактового сигналу, призначеного для фіксування даного. Цей вид протоколів обміну називають протоколами з стробуванням. У більшості протоколів обміну використовується другий метод, згідно з яким приймач повинен підтвердити отримання відправлених йому команд і даних, або вказати, що готовий одержати дані. Цей вид протоколів обміну називають протоколами з квітуванням.
Зовнішні пристрої, які оперують великими блоками даних, як наприклад, принтери і драйвери магнітних дисків і стрічок часто обладнуються буферною пам'яттю. Буферна пам'ять дозволяє операційній системі комп'ютера відправляти або приймати великі об'єми даних до/від зовнішніх пристроїв найшвидше. Додаткова спеціалізована пам’ять на дисках є зазвичай різновидністю кеш пам'яті, тоді як принтери обладнуються повільнішою пам'яттю з довільною вибіркою. Пристрої керування здійснюють керування відповідним зовнішнім пристроєм та зчитують дані з буферної пам'яті і вказують місце їх поступлення.
Магнітні диски та стрічки належать до типів пам'яті, призначених для тривалого зберігання інформації. Проте, зрозуміло, що і для них існує відповідний термін зберігання. Він становить приблизно п'ять років для магнітних пристроїв пам'яті та до 100 років для оптичних пристроїв пам'яті.
Інтерфейси введення-виведення забезпечують узгодження передачі інформації між внутрішніми (як наприклад пам'ять і регістри процесора) та зовнішніми пристроями введення-виведення. Зовнішні пристрої часто є електромеханічними, тоді як процесор і пам’ять - електронні пристрої. Тому швидкість передачі даних від зовнішніх пристроїв є зазвичай, повільнішою.
Висновок
RISC-процесори є швидшими і економічнішими за CISC. У принципі, є можливість проектувати процесори на чистій RISC-архітектурі. Але відмовитися від архітектури x86 вже неможливо, оскільки під неї написано більшість поширених у світі програм, включаючи комп'ютерні ігри
В даній курсовій роботі було поставлено за мету спроектувати структурну схему комп’ютера на RISC архітектурі. Основою для проектування інформаційного тракту було взято навчальний процесор DLX і оптимізовано його під виконання шести інструкцій, які подаються в вхідних даних до курсової роботи.
На основі гарвардської архітектури спроектовано структурну схему кешів, оскільки використовується роздільно кеші інструкцій і даних. Основна ж пам'ять не має такого розмежування, вона базується на пристонській архітектурі.
Пристрій керування побудований на основі абстрактного автомату Мура і має 18 стійких станів, які визначаються поточною інструкцією, яка виконується на даний момент, і визначають стани 15 вихідних сигналів, які керують інформаційним трактом
Список використаної літератури
Мельник А.О. Архітектура комп’ютера. Наукове видання. – Луцьк: Волинська обласна друкарня, 2008. – 470с.
Patterson D., and Hennessy J. Computer Architecture. A quantitative Approach. Second Edition. - Morgan Kaufmann Publishers, Inc., San Francisco, California, 1996. - 760 p.
Opcodes [Електронний ресурс] - Режим доступу:
https://opencores.org/projects/plasma/opcodes
Майоров С.А., Новиков Г.И. Принципы организации цифровых машин. - Л., Машиностроение, 1974.
Single-Cycle Datapath and Control [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.cs.fsu.edu/
Single-Cycle Summary [Електронний ресурс] - Режим доступу: https://www.d.umn.edu/gshute/mips/single-cycle-summary.pdf
Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов. - Л.: Машиностроение, 1980.
Hamacher V., Vranesic Z., and Safwat G. Computer Organization. - McGraw-Hill Publishing Company, International Edition, 1990. - 617 p.
Мотоока Е., Томита С., Танака Т., Сайто Е., Уэхара Т. Компьютеры на СБИС. В двух книгах. - М.: Мир, 1988.
Искусственный интеллект: В 3-х книгах. Кн. 3. Программные и аппаратные средства: Справочник/Под ред. В.Н. Захарова, В.Ф., Хорошевского. - М.: Радио и связь. - 1990. - 368 с.
Microprocessors, Volume I. - Intel Corp., 1992.
Пом А., Агравал О. Быстродействующие системы памяти. - М.: Мир, 1987. - 264 с.
Віджай Нагараян і Марк Хілл «A Primer on Memory Consistency and Cache Coherence», 2011. – 137 с.
Пристрій керування [Електронний ресурс] - Режим доступу: https://posua.com/uk/keruvannya-osvitlennyam/25-mpos-power24.html
1 2 3