45

Учебное пособие по курсу «Организация и функционирование ЭВМ»

Составитель: к.т.н., доцент факультета Информатики

ВАСИЛЕВСКИЙ Александр Витальевич.

В пособии приводятся сведения об основных принципах работы ЭВМ и ее аппаратуре. Они могут быть полезны начинающим программистам и пользователям ЭВМ для правильной эксплуатации аппаратуры и для выбора устройств ЭВМ при ее комплектовании.

Основные информационные функции

На начальных этапах изучения электронной вычислительной машины - ЭВМ (она же компьютер) может оказаться полезной систематизация её функций и устройств, приведенная в Таблице 1. Здесь представлен минимальный и достаточный набор функций самых разнообразных систем. Работа с материальными предметами, как более наглядная, полезна для сравнения. Оказывается, что материальные продукты, например хлеб, соль, одежда, машины и т.д., а также информационные продукты, например, стихи, музыка, компьютерные программы и т.д., имеют общую основу.

Таблица 1

Аналогия функций при работе с информацией и с материальными предметами

	Наименование функции	Работа с информацией	Работа с материалом (веществом)
1	Хранение	Память	Склад, хранилище
2	Преобразование	Процессор	Станок, технологическое оборудование
3	Передача на расстояние	Канал связи	Транспортное устройство
4	Автоматическое программное управление	Управляющее устройство	Управляющее устройство (например, в станке с ЧПУ)

Основные принципы работы компьютера можно рассмотреть на примере вычисления по формуле, скажем, требуется определить стоимость компьютера, который мы решили приобрести по частям. Формула здесь очень проста : Р _комп. =  Р _{элемент} ; т.е. нужно суммировать стоимости отдельных элементов компьютера. Берем списки цен элементов компьютера (“прайс-листы” от различных поставщиков), средством, хранящим информацию, является бумага в данном случае. Сначала целесообразно выбрать тип центрального процессора (в дальнейшем эти вопросы будут описаны подробнее), выбрать поставщика и записать на бумагу цену , например, Pentium E2140-1600, стоит 74.00 $. Далее выбираем системную плату, которая подходит к центральному процессору, например, GA-8I945PL-S3 стоимостью 70.00 $, получаем 74+70=143. Далее выбираем память, которая подходит к системной палате и соответственно к процессору, например, DIMM DDR2-800 1024Mb PC-6400 стоимостью 34.00 $ сумма уже177 $ и т.д. Полученная в конце после добавления всех порядка 10 элементов сумма может нас неприятно удивить своей величиной, но здесь намеренно подчеркивается то, что была получена новая, неизвестная нам ранее информация путем преобразования старой известной нам исходной информации. Конкретную полученную стоимость компьютера вновь запишем на бумагу для ее сохранения (чтобы не мучить свою память). Дальше вы можете по почте переслать полученное значение суммы тем, кто может вам помочь. Данный упрощенный пример демонстрирует применение указанных в таблице функций. В нашем случае хранение информации выполняет бумага, преобразование информации мы выполняем вручную путем сложения в столбик (лучше для этого использовать калькулятор), передачу на расстояние выполняет почта. Автоматического программного управления нет, так как все выполняется вручную. Если же работа выполняется в компьютере, то необходимо автоматическое программное управление и соответственно программа работы компьютера. Понятно, что работа с такими астрономическими скоростями как миллионы и миллиарды операций с секунду возможна только автоматическая. Функция передачи на расстояние может показаться на первый взгляд не очень важной, однако следует помнить, что основной прогресс электроники и информационной техники исторически диктовался именно связью – телеграф, телефон, радио, телевидение, спутниковая связь, компьютерные сети, мобильные телефоны. Эта область продолжает очень быстро развиваться. Аналогично и в материальном мире – средства транспорта очень быстро развиваются – самолеты, автомобили, космические корабли …

Логические основы

Различные устройства автоматики и, в частности электроавтоматики, были построены задолго до появления ЭВМ . Они широко применялись, применяются и будут применяться на производстве, на транспорте, в элетроэнергетике и т.д. Достижения электроавтоматики были использованы при создании ЭВМ. Рассмотрим простой пример, предположим, что нужно обеспечить включение и отключения электропилы таким образом, чтобы снизить опасность травматизма. Пила должна включаться двумя одновременно нажатыми кнопками К1 и К2, расположенными на расстоянии 0,5 м друг относительно друга на пульте управления, чтобы обе руки человека-оператора были на кнопках и нечаянно таким образом рука не оказалась в опасном месте, например около пилы. После включения пилы кнопки не нужно держать нажатыми, для отключения пилы предусмотрена кнопка останова С. Соответствующая электросхема на контактных элементах приведена на рис. 1.

К1 К2 Пускатель П

С П

+ -

Рис.1 Схема управления электропилой.

На схеме прямоугольник под надписью “Пускатель” изображает катушку электромагнита, который включает электропилу при протекании по ней тока. Напомним кратко работу электромагнитного контактного элемента (реле, пускателя): когда ток начинает протекать по катушке электромагнита, он втягивает якорь и тем самым перемещает контакты. Контакты, первоначально разомкнутые – замыкаются (П), контакты, первоначально замкнутые – размыкаются. В кнопках перемещение контактов осуществляется от рук человека. Замыкающие контакты: К1, К2, П, размыкающий – С. Поскольку на крайние вертикальные линии подключены + и – источника питания, то для пуска нужно замкнуть одновременно К1 и К2, нажав их, чтобы по катушке пускателя потек ток. Пускатель срабатывает и включает пилу, кроме того он замыкает свой контакт П, по которому сам себя подключает через замкнутый контакт останова С. Теперь можно отпустить К1 и К2, пускатель останется включенным. Для останова пилы нужно нажать на кнопку С, при этом ее контакт разорвет цепь самопитания пускателя и отключит его. В рассмотренной схеме имеется два интересных элемента:

1. Логическая схема “И”

2. Схема запоминания на контакте самопитания П.

Логическая схема обеспечивает выполнение такого условия, что включение будет только , если и К1, и К2 будут включены сразу. Можно, например, соединить К1, К2 параллельно, тогда включение произойдет, если включится или К1, или К2, или вместе К1, К2.

Работа схемы запоминания заключается в том, что без нее при отпускании хотя бы одной кнопки К1 или К2 пила сразу бы отключилась, и пришлось бы держать руки на пульте все время, пока идет работа, иногда для безопасности так и поступают, то есть не делают в схеме запоминание. Можно представить, что схема запоминает пуск пилы и сохраняет его до того момента, когда нужно прекратить запоминание, нажав на С, то есть остановить пилу.

Работа контактной схемы наглядна, однако контактые элементы работают слишком медленно, чтобы делать на них ЭВМ, хотя исторически одну из первых ЭВМ сделали именно на таких элементах. В настоящее время ЭВМ релизуются на полупроводниковых микросхемах. Именно потрясающий прогресс микросхемотехники позволил создать современные компьютеры. Ту же схему автоматики на микросхемах средней степени интеграции избражает рис.2.

&

Т

К1 S П

T

К2

R

С

Рис 2. Схема управления электропилой на микросхемах.

В схеме на рис.1 используются двоичные сигналы: тока нет – ток есть, в схеме рис.2 : напряжения нет ( точнее низкий уровень напряжения, например, 0,4 В ) – напряжение есть ( высокий уровень, например, 2,4 В ). На рис.3 изображены графики зависимости напряжентия от времени в различных точках схемы рис.2. При нажиме на кнопки и К1, и К2 уровни напряжения становятся высокими, что вызывает выходной сигнал на микросхеме & (И), одновременное нажатие на обе кнопки запоминается в триггере Т – сигнал & устанавливает триггер по его входу S (set). На его выходе уровень напряжения становится

U

t

K1

K2

&

T,П

С

Рис.3 График сигналов в схеме рис.2.

высоким и через усилитель, изображенный треугольником, подается на включение электродвигателя пилы. Когда требуется отключить пилу, нужно нажать на кнопку С, ее сигнал поступает на вход триггера R (reset), триггер сбрасывается. Выходной сигнал триггера становится низким, соответственно низкий сигнал на выходе усилителя отключает пилу. Отметим, что в схемах на контактах логические функции (И) выполняют последовательным соединением контактов, а запоминание выполняют с помощью контакта самопитания (рис.1). На рис.2 используется специальная микросхема & (И) для логической функции и специальная микросхема триггер для запоминания, в остальном все аналогично.

Несмотря на огромную разницу в реализации одних и тех же функций на схемах рис. 1 и 2, основные законы электротехники одинаковы. Например, микросхема & тоже содержит последовательную цепь электрических ключей, аналогичных контактам, но выполненных на транзисторах, см. рис.4.

+

R &

K1

K2

_

Рис.4. Упрощенная схема выполнения логического & (И) на транзисторах в микросхеме.

Для того, чтобы через резистор R потек ток, нужно замкнуть оба ключа на транзисторах, то есть открыть оба транзистора. Это достигается подачей высокого уровня напряжения на К1 и К2.

Рис. 2 иллюстрирует описание цифровых схем, в том числе и ЭВМ, на уровне функционально-логических элементов (логических ячеек, триггеров и др.). Более детальное описание на уровне транзисторов, резисторов и др. (рис.4) обычно в цифровой схемотехнике не используется. Основу математического аппарата описания цифровых схем в данном случае составляет Булева алгебра.

Величины, используемые в ней - двоичные, они принимают значения 0 и 1. Часто 0 соответствует низкому уровню сигнала, а 1 – высокому. Основные операции над ними: И (AND,&,,), ИЛИ(OR,,+), НЕ(черта сверху,). Представим в табличном виде эти операции над двумя переменными Х, У

Таблица 2

Таблица истинности основных булевых операций

Х	У	И	ИЛИ	НЕ-И	НЕ-ИЛИ	НЕ-Х	НЕ-У
0	0	0	0	1	1	1	1
0	1	0	1	1	0	1	0
1	0	0	1	1	0	0	1
1	1	1	1	0	0	0	0

В первых двух столбцах Х, У этой таблицы приведены все 4 возможные комбинации двух двоичных переменных. Операция И дает на выходе 1 (“истина”), если и одна, и вторая (и остальные, если бы их было много) переменные равны 1. Операция ИЛИ дает на выходе 1, если или одна, или вторая (или осталные, если бы их было много) переменные равны 1. Отсюда понятно название операций. Отрицание НЕ (инверсия) меняет 1 на 0 и 0 на 1 (наоборот). В Булевой алгебре применяются скобки. Из таблицы 2 можно получить правила отрицания:

НЕ-(Х  У) = (НЕ-Х + НЕ-У) ; (1)

НЕ-(Х + У) = (НЕ-Х  НЕ-У) ; (2)

Правые части приведенных выше равенств получаются из двух правых столбцов таблицы 2 и они точно совпадают с пятым и шестым столбцами.

Булеву алгебру можно применять для описания самых различных явлений, например, логических схем компьютера и других цифровых устройств, описания поведения людей, машин и т.д. Например:

(Покупаю книгу) = (Есть желание)  (Есть деньги)  (Есть время купить) . Данное выражение истинно только, если истинны (“да”) и одно, и второе, и третье в правой части. Отсюда можно сделать вывод, что компьютеры и другие цифровые устройства, работая по Булевой алгебре, отображают самые разнообразные явления жизни.