Общие принципы построения эвм.

(оглавление)

Первые компьютеры (автоматические электронные вычислительные машины с программным управлением) были созданы в конце 40-х годов XX века и представ­ляли собой гигантские вычислительные монстры, использовавшиеся только для вычислительной обработки информации. По мере развития компьютеры суще­ственно уменьшились в размерах, но обросли дополнительным оборудованием, необходимым для их эффективного использования. В 70-х годах компьютеры из вычислительных машин сначала превратились в вычислительные системы, а за­тем в информационно-вычислительные системы.

В настоящее время основные цели использования компью­теров — информационное обслуживание и управление, сейчас вычислительные машины и системы, по существу, выполняют функции информационно-вычисли­тельных систем. Рассмотрим более подробно внутреннюю архитектуру вычисли­тельных систем (ВС).

Вычислительная система — это совокупность одного или нескольких компьюте­ров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов. В вычислительной системе компьютер может быть один, но агрегиро­ванный с многофункциональным периферийным оборудованием. Стоимость пе­риферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость компьюте­ра. В качестве распространенного примера одномашинной ВС можно привести систему телеобработки информации. Все же классическим вариантом ВС являет­ся многомашинный и многопроцессорный варианты.

Первые ВС создавались с целью увеличить быстродействие и надежность работы путем параллельного выполнения вычислительных операций. Как это ни парадок­сально, тормозом в дальнейшем увеличении быстродействия компьютера являет­ся конечная скорость распространения электромагнитных волн — скорость света, равная 300 000 км/с. Время распространения сигнала между элементами ВС мо­жет значительно превышать время переключения электронных схем. Поэтому чи­сто последовательная модель выполнения операций, характерная для классиче­ской структуры компьютера — структуры фон Неймана, — не позволяет существенно повысить быстродействие ВС.

Общие принципы построения современных ЭВМ.

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В его основе лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программных вычислений.

Алгоритм – конечный набор предписаний, определяющий решение любой задачи посредством конечного количества операций.

Программы для ЭВМ – упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке.

Принцип программного управления может быть реализован разными способами.

Стандартным для построения всех цифровых ЭВМ стал способ, описанный фон Нейманом, при построении первых образцов ЭВМ.

Суть его заключается в следующем: все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов – команд.

Каждая команда содержит указатель на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков.

Операнды – переменные, значение которых участвует в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов) является ещё одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программе, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов используются номера ячеек памяти, предназначенные для хранения программных объектов.

Информация (командная) и данные: числовые, текстовые, графические и т.д. кодируются двоичными числами: 1 и 0.

Обычно все форматы данных, используемых в ЭВМ кратны байту, то есть состоят из целого числа байтов.

Адреса, формируемые ЭВМ, указывают на номер байта. Последовательность битов в формате, имеющая определённый смысл, называется полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций и поле адресов операнда. Применительно к числовой информации или к данным различают знаковые разряды, значащие разряды, старшие и младшие разряды чисел.

Последовательность, состоящая из определённого, принятого для данной ЭВМ, числа байтов, называется словом.

Для больших ЭВМ размерность слова составляет 4 байта. Для ПЭВМ – 2 байта.

В качестве структурных элементов информации различают полуслово, двойное слово и так далее.

Схема ЭВМ отвечающая программным принципам управления для 1 – го и 2 – го поколения ЭВМ:

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВВ), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данных к ним.

Сначала введённая информация полностью или частично запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации.

В ВЗУ информация хранится в виде специальных программных объектов – файлов.

Файл – имеющий имя информационный массив (программа, данные, текст), размещаемый во внешней памяти и рассматриваемый как неделимый при пересылке и обработке. При использовании файлов в вычислительном процессе, его содержимое переносится в ОЗУ, затем программная информация, команда за командой, считываются в устройство управления (УУ).

УУ предназначено для автоматического выполнения программ путём принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ.

Цепи сигналов управления показаны пунктирными линиями.

Цепи информационных сигналов показаны сплошными линиями.

Вызываемая из ОЗУ команда дешифрируется УУ: определяется код операции, которую необходимо выполнить и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико – логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счётчики, логические преобразователи, регистры и так далее.

АЛУ каждый раз перестраивается на выполнение очередной команды. Результаты выполнения операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память.

Отдельные признаки результатов (r=0, r<0, r>0 и т.д.) УУ использует для изменения порядка выполнения команд программы.

Результаты, полученные после выполнения всех программных вычислений передаются на устройство вывода информации (УВыв). В качестве устройств вывода могут использоваться экран дисплея, принтер, колонки, модем.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например ЭВМ типа IBM PC имеет около 200 различных операций.

Любая операция в ЭВМ выполняется по определённой микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ, соответствующей последовательностью сигналов управления или микрокоманд.

Каждая микрокоманда – простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига и перезаписи информации.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности применялось конвейерное выполнение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы, то есть формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операций, отсылка результатов выполнялись отдельными функциональными блоками.

В своей работе они образовывали конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений.

Всё же, первые ЭВМ имели сильную централизацию управления, что объяснялось возможностями используемой в них элементной базы, то есть центральное устройство обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода – вывода и т.д.

Всё это позволяло упростить аппаратуру, но значительно сдерживало рост производительности.

ЭВМ 3 –го поколения. Произошло усложнение структуры за счёт разделения процессов ввода – вывода информации и процесса её обработки.

Сильно связаны АЛУ и УУ. Они получили названия процесса.

В структуре ЭВМ появились дополнительные устройства, которые стали называться процессоры ввода – вывода, устройства управления обменом информации или каналы ввода – вывода.

Каналы ввода – вывода (КВВ) получили большое распространение в больших ЭВМ. Такое построение позволило за счёт децентрализации резко повысить производительность ЭВМ.

Среди КВВ выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих УВВ и селекторные каналы, обслуживающие скоростные ВЗУ.

ОП – основная память.

Контр.Вн.У. – контроллер внешних устройств.

КПД – контроллер прямого доступа.

ГТИ – генератор тактовых импульсов.

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линию передачи данных, адресов, сигналов управления и питания.

Единая система аппаратурных соединений значительно упростило структуру, делая её ещё более централизованной.

Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПЭВМ образует процессор и ОП, состоящая из ОЗУ и ПЗУ.

ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее Часто используемых программ управления.

Подключение всех внешних устройств (дисплея, клавиатуры) обеспечивается через адаптеры – согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеров (специальные устройства управления периферийной аппаратурой).

Контроллер в ПЭВМ играет роль КВВ.

В качестве особых устройств следует выделить таймер (устройство измерения времени), КПД (устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор), ГТИ (устройство, обеспечивающее синхронизацию всех устройств).