Дополнительные сведения по цифровой электронике Замечание об обозначениях. <...> Мы будем использовать обозначения, принятые в цифровой электронике. <...> На рисунке 1.1 показана схема одноразрядного сумматора, реализованная на элементах трех типов (И, ИЛИ, исключающее ИЛИ). <...> Элементы арифметико-логического устройства 7 Куда уходит перенос из самого старшего разряда (most signi cant bit MSB)? <...> Четыр¼хразрядный сумматор Простая схема последовательного сумматора имеет серьезный недостаток: результат на выходах суммы будет верен, только когда во всех вентилях закончились переходные процессы. <...> Если время задержки в одноразрядном сумматоре τs, то в n-разрядном последовательном сумматоре правильный ответ будет готов только спустя время t = nτs. <...> Задачу решают устройства ускоренного переноса (carry look ahead). <...> В этом случае i-й одноразрядный сумматор вместо переноса вычисляет две логических функции, которые называют генерирование и прозрачность (gi, pi). gi = 1, только если разряд генерирует перенос, независимо от того, приходит перенос из младшего разряда или нет, pi = 1, только если пренос из i − 1 разряда проходит в i + 1. <...> Одноразрядный сумматор со схемами генерации и прозрачности Упражнение 1.4. <...> Четыр¼хразрядный сумматор с ускоренным переносом изображен на рисунке 1.4. <...> Четыр¼хразрядный сумматор с ускоренным переносом Формул стало существенно больше, но вычисления по этим формулам намного быстрее. <...> Задержка параллельного многоразрядного сумматора это просто сумма задержек блока ускоренного переноса и одноразрядного c z c 1.1. <...> Так, из четыр¼х четыр¼хразрядных сумматоров можно получить быстрый 16-разрядный сумматор. <...> Таким образом, y + ¯ разрядном представлении чисел), следовательно, −y = ¯ ¯ y называют обратным кодом y (one's complementary representation), а число ˜ Итак, вычитание это сложение с числом в дополнительном коде z = x−y = x+ ˜ y дополнительным кодом (two's complementary representation). y. <...> Располагая сумматором, можно выполнять умножение, сведя его к сложениям или сложениям <...>
Архитектура_современного_компьютера_учебное_пособие.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Ярославский государственный университет
им. П.Г.Демидова
М.В.Лоханин
Архитектура
современного компьютера
Учебное пособие
Рекомендовано
Научно-методическим советом университета
для студентов, обучающихся по специальности
Электроника и наноэлектроника
Ярославль 2011
Стр.1
УДК 004.38
ББК Ç973.2ÿ73
Ë81
Рекомендовано
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного издания. План 2011 года
Рецензенты:
кандидат технических наук А. Б. Силантьев
Ярославский филиал Физико-технологического института РАН
Л81 Лоханин, М.В. Архитектура современного компьютера: учебное пособие
/ Ì.Â.Ëîõàíèí; ßðîñë. ãîñ. óí-ò. èì. Ï.Ã. Äåìèäîâà. Ярославль:
ßðÃÓ, 2011. 96 ñ.
ISBN 978-5-8397-0854-9
Учебное пособие подготовлено в соответствии с Государственным образовательным
стандартом высшего профессионального образования и
предназначено для студентов, обучающихся по специальности 210100.62
Электроника и нанолектроника (дисциплина Архитектура классического
компьютера , блок Б3), очной формы обучения.
Ðèñ. 37. Áèáëèîãð.: 14 íàçâ.
УДК 004.38
ББК Ç973.2ÿ73
ISBN 978-5-8397-0854-9
⃝ Ярославский
государственный
c
университет
èì. Ï.Ã. Äåìèäîâà, 2011
Стр.2
Оглавление
Введение
1. Дополнительные сведения по цифровой электронике
4
5
1.1. Элементы арифметико-логического устройства . . . . . . . 5
1.2. Интерфейсные схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3. Элементы памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4. Кэширование памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2. Информационная магистраль
27
2.1. Общие принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2. ISA и å¼ расширения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3. PCI и PCI Express . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4. Шины расширения в других архитектурах . . . . . . . . . 41
3. Процессор
44
3.1. Архитектура Фон Неймана . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2. Суперскалярный процессор . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3. Процессоры IA-32 и Intel 64 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4. Программная модель процессора . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5. Режимы работы процессора . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.6. Адресация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.7. Вызовы подпрограмм, исключения и прерывания . . . . . 75
3.8. Набор инструкций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.9. Типы данных и инструкции FPU . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.10. SSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4. Диск
87
4.1. Физические принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2. Кодирование информации на диске . . . . . . . . . . . . . 88
4.3. Интерфейсы ATA и SATA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Список литературы
3
96
Стр.3
Введение
Информационные машины, или, как их чаще называют, компьютеры,
занимают в современной жизни, науке, технике, бизнесе, развлечениях
огромное место. Практически ни одно человеческое занятие не
обходится без компьютеров. Знакомство с компьютером, как правило,
обозначает умение использовать какое-то количество готовых программ,
реже умение написать свою программу, но сам компьютер интересует
пользователя, а часто и программиста только с точки зрения стоимости.
Такое положение дел абсолютно правильно, если речь не идет о
технических специалистах и профессиональных программистах. В этом
случае знание принципов функционирования и архитектуры компьютера
необходимо потому, что такой специалист должен участвовать в разработке
новой электронной техники, понимать, где и как используются
микроэлектронные изделия, уметь написать программу, которая будет
работать эффективно, понимать, что может компьютер и, наконец, понимать,
чего компьютер не может.
Предполагается, что читатель знаком с логическими функциями, логическими
вентилями, задержками, гонками и тактированием цифровых
устройств, с функциями дешифраторов, мультиплексоров, триггеров,
счетчиков, регистров, имеет минимальную практику написания и
отладки программ на языках высокого уровня.
В первой главе рассматриваются несколько цифровых устройств,
специфичных для вычислительной техники. В остальных главах реализация
устройств на уровне вентилей не рассматривается речь идет
о принципах функционирования.
Безусловно, мы будем пытаться изложить то общее, что присуще любым
компьютерным архитектурам, начиная от сверхмощных вычислительных
кластеров до простейших контроллеров, но основное внимание
будет уделено архитектуре IBM PC, базирующейся на процессорах Intel
и AMD разных поколений.
4
Стр.4