6.3Принципы построения и структура эвм

Несмотря на большое разнообразие типов ЭВМ, все они построены на основе принципов, сформулированных в 40-х годах XX-го столетия выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом:

• принцип двоичного кодирования. Машина должна работать не в десятичной системе счисления (как механические арифмометры), а в двоичной. Это означает, что программа и данные должны быть записаны в кодах двоичной системы, где каждое число или символ представляется определенной комбинацией нулей и единиц;

• принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности;

• принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными;

• принцип иерархии памяти. Чтобы достаточно быстро можно было считать, память компьютера следует организовать по иерархическому принципу, т.е. она должна состоять, по крайней мере, из двух частей: быстрой, но небольшой емкости (оперативной) и большой (и поэтому более медленной) внешней;

• принцип адресности. Структурно основная память должна состоять из пронумерованных ячеек и процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

• Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков (Рис. 5 ):

Структурная схема ЭВМ

Рис. 5

Процессор - устройство ЭВМ, обеспечивающее обработку данных по заданной программе. Процессор также организует обмен данными и командами между устройствами ЭВМ.

Процессор может обрабатывать только программы и данные, находящиеся непосредственно во внутренней памяти, реализованной в виде запоминающих устройств. (ЗУ) - устройство, способное принимать данные и сохранять их для последующего считывания. Внутренняя память обычно состоит из: оперативной памяти (оперативного запоминающего устройства, ОЗУ) и постоянной памяти (постоянного запоминающего устройства, ПЗУ).

Оперативная память предназначена для хранения программ и данных и последующей передачи их другим устройствам ЭВМ в процессе обработки. ОЗУ обеспечивает чтение находящихся в нем программ и данных и запись в него новой информации. ПЗУ же позволяет выполнять только чтение находящихся в нем программ и данных.

Внешняя память предназначена для долговременного хранения программ и данных.

Устройства ввода-вывода предназначены для ввода, корректировки и вывода программ и данных.

Эта схема, широко используемая в первых вычислительных машинах, имела существенный недостаток, связанный с тем, что управление вводом-выводом и выполнение команд осуществлялось одним устройством управления. При такой структуре ЭВМ все виды обработки программы на время выполнения операций ввода-вывода прекращались из-за занятости процессора, что существенно снижало быстродействие ЭВМ.

Для устранения этого недостатка с их состав было включено дополнительное устройство - канал ввода-вывода - устройство, обеспечивающее прямое взаимодействие процессора и периферийных устройств (Рис.6).

Структурная схема ЭВМ с автономным устройством обмена

Рис.6

Существовало два типа каналов:

• мультиплексный – для обеспечения взаимодействия с относительно низкоскоростными устройствами ввода и вывода информации (с перфокарт и перфолент, печатающие устройства и т.д.) и может одновременно обслуживать несколько устройств;

• - селекторный – для обеспечения высокоскоростного обмена (накопители информации на магнитных дисках, лентах, барабанах и т.д.) и может одновременно обслуживать только одно такое устройство. Каналы обеспечивали не только независимый доступ к памяти, но и автономное управление операциями ввода-вывода. Таким образом, в ЭВМ были унифицированы принципы обмена с внешними устройствами.

Изменения элементно-технологической базы привели к изменению сложившихся принципов проектирования вычислительной техники. Появляются ЭВМ, основанные на идеях параллельной и конвейерной обработки информации. Наибольшее распространение в ЭВМ получил вариант обмена информацией между устройствами через общую магистраль (общую шину), и поэтому структура таких ЭВМ получила название шинной (Рис.7).

Структурная схема ЭВМ с шинной архитектурой

Рис.7

Где:

1-управление вводом;	6-данные;
2-адрес порта;	7-управление выводом;
3-ввод данных;	8-адрес порта;
4-управление чтением-записью;	9-вывод данных.
5-адрес памяти;

В их состав входят те же функциональные устройства: процессор, состоящий из арифметико-логического устройства и устройства управления, устройства ввода-вывода, память. Эти устройства связаны между собой с помощью шины данных, используемой для передачи данных, шины адреса — для передачи адресов при обращении к различным устройствам и шины управления — для передачи сигналов управления (команд).