3. Принципы организации и построения эвм

ЭВМ является сложной многофункциональной системой, выполняющей множество разнообразнейших функций.

Система это совокупность взаимосвязанных элементов, функционирующих по определенному правилу с целью достижения определенного результата.

Сложной системой является система, удовлетворяющая ряду следующих условий:

• большое число разнообразных элементов;

• наличие многоуровневой иерархической структуры;

• наличие контуров обратной связи;

• наличие сильной взаимосвязи как между элементами одного так и между элементами разных уровней;

• наличие большого числа состояний системы и параметров их описывающих;

• наличие большого числа функций сложной системы;

• наличие в системе контуров компенсации воздействия окружающей среды.

Если у системы есть эти признаки, то это говорит о наличии в системе иерархической организации, который можно проиллюстрировать в виде пирамиды, разделенной на несколько уровней (см. рис.3).

Рисунок 3. Иерархическая организация ЭВМ

Где, СЭ –структурные элементы, ОЭ- операционные элементы, ЛЭ - логические элементы, ЭЭ- электрические элементы.

Причем соблюдаются условия:

- ЭВМ=∑ СЭ;

- СЭ = ∑ ОЭ;

- ОЭ = ∑ ЛЭ;

- ЛЭ = ∑ ЭЭ.

Таким образом система связывает нижние уровни с верхними, реализуя тем самым основное свойство иерархической организации: «свойства присущие верхнему уровню не присущи нижнему уровню».

Число структурных элементов в классической ЭВМ равно 5. Принципиальная схема классической ЭВМ представлена на рисунке:

Рисунок 4. Основные структурные элементы

П - процессор;

ОП - основная память;

ВП – внешняя память;

ВУ – внешнее устройство;

ИФОШ – интерфейс общей шины.

При иерархической организации каждый уровень работы ЭВМ описывается на своем языке. На уровне логических элементов используется алгебра логики. Программирование в ЭВМ начинается на операционном уровне. При программирование на операционном уровне используется язык микроопераций. Примерами структурных элементов могут служить различные регистры, накапливающие сумматоры, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, де мультиплексоры, схемы сравнения, преобразователи кодов.

Если выйти за рамки рассматриваемого курса, то ЭВМ не является верхним уровнем иерархической организации. Таким образом, можно рассмотреть еще одну пирамиду, в которой ЭВМ будет занимать самый нижний уровень:

Рисунок 5. Иерархическая структура сетей

Для рассмотрения элементов на операционном и логическом уровнях применяется принцип декомпозиции Глушкова.

3.1. Принцип декомпозиции Глушкова

Как уже было сказано выше данный принцип используется на уровнях ОЭ и ЛЭ. Он утверждает, что каждый сложный элемент состоит из более простых элементов, которым не присущи свойства сложного элемента.

ПРИНЦИП ДЕКОМПОЗИЦИИ НА СТРУКТУРНОМ УРОВНЕ:

В соответствии с принципом декомпозиции любой структурный элемент разбивается на два блока(см. рис 6).

Рисунок 6. Структурный элемент в соответствии с принципом декомпозиции

А – входной обрабатываемый операнд;

В – результат обработка операнда А в операционном блоке;

ОБ – операционный блок;

УБ – управляющий блок;

РМК – регистр микрокоманд;

БКИ – блок контроля информации;

ОС – осведомительные сигналы;

УС – управляющие сигналы;

СИ – синхроимпульсы;

Fk – код операции.

ОБ осуществляет преобразования операнда А в соответствии с Fk, подающегося извне. Во время реализации операции ОБ вырабатывает совокупность осведомительных сигналов, представляющих собой результат обработки операнда А. Эту совокупность составляют следующие сигналы:

• Z (равенство результата 0);

• F или S (знак операнда);

• C4 (перенос из старшего разряда);

• 0 или R (сигнал переполнения разрядной сетки).

В УБ происходит расщепление программы в соответствии с осведомительными сигналами. Например если результат обработки операнда равен 0 (Z=1), то выполняется одна последовательность микрокоманд , если же Z=0, то другая последовательность микрокоманд. Управляющий блок получает код операции F извне, и в соответствии с ним генерирует последовательность микрокоманд. В F указан начальный адрес микропрограммы управляющего блока. Микропрограмма состоит из микрокоманд, а каждая микрокоманда указывает какие управляющие сигналы задействовать, тем самым отвечая на четыре вопроса:

• где взять данные?

• что с ними сделать?

• куда поместить результат?

• каков адрес следующей микрокоманды?

Для реализации всех вышеописанных функций микрокоманда имеет специальный формат. Она состоит из операционной части, в которой содержатся ответы на первые три вопроса и адресной части, указывающей на адрес следующей микрокоманды.

Для реализации F управляющие сигналы задаются в определенном порядке и в определенном количестве.

На выходе структурного элемента ставится блок контроля, проверяющий безошибочность выполнения обработки операнда А.

Рассмотрим основные структурные элементы ПРОЦЕССОР и ОСНОВНУЮ ПАМЯТЬ с точки зрения принципа декомпозиции Глушкова на структурном уровне.

ПРОЦЕССОР:

Рисунок 7. Структура процессора

АЛУ - арифметико-логическое устройство (выполняет операции вычисления);

УУ - устройство управления (осуществляет управления блоками процессора);

РП - регистровая память(состоит из регистров общего назначения и предназначена для

хранения результатов вычисления и операндов для работы АЛУ);

ИФП - интерфейс процессора (используется для работы с системной шиной);

СШ - системная шина(связывает в единое целое структурные элементы).

ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ:

Упрощенная структура основной памяти (ОП) приведена на рисунке 8.

Н_оп – накопитель основной памяти;

УУ_оп – Устройство управления основной памяти;

РА - регистр адресов;

РД - регистр данных;

ШУ – шина управления;

ШД – шина данных;

ША – шина адреса;

Системная шина состоит из трех шин ША, ШУ, ШД. С шины адреса (ША) снимается адрес операнда, следующей команды или микрокоманды. ША обеспечивает только запись информации в регистр адресов (РА) с которым она связана.

Шина данных предназначена для считывания и записи информации в основную память. Она непосредственно связана с регистром данных, который в отличии от регистра адреса позволяет производить не только запись информации но и её считывание. разрядность регистра адреса обычно соответствует разрядности ШД.

Рисунок 8. Структура ОП

{ Данными является 4-ёх разрядный операнд. Основная память микро-ЭВМ лабораторного стенда состоит из шестнадцати регистров по тридцать два разряда каждый. Для задания адреса одного из 16 регистров требуется 4-ёх разрядный адрес }

Шина управления служит для передачи управляющих сигналов к УУ_оп и получения ответа на запросы от УУ_оп. По данной шине подаются сигналы :

• обращение

• режим;

• пуск.

Управляющий сигнал «РЕЖИМ» устанавливает режим работы памяти. Режимом может быть:

• режим хранения;

• режим работы.

Причем режимом работы может быть либо режим записи, либо режим чтения. Управляющие сигналы режима учитываются только при наличии сигнала обращения к ОП. Работа ОП инициируется сигналом «ПУСК».

С помощью ответного сигнала «ГОТОВНОСТЬ» определяется состояние ОП [можно ли приступать к выполнению очередной операции].

{Рассмотрим структуру Регистровой памяти (РП) на примере микро-ЭВМ, используемой в лабораторных работах по курсу «Архитектура ЭВМ и систем» РП состоит из шестнадцати 4-ёх разрядных регистров общего назначения. Управление РП осуществляется с помощью двух шин А и В (см. рис 9).

Обращение к регистрам происходит по двум шинам А и В. С помощью шины А можно только считать информацию из регистров общего назначения, таким образом РОНы являются источниками информации, если мы пользуемся шиной А. Управляющие сигналы задаются управляющим блоком. Шина В в отличии от шины А является двунаправленной, и позволяет не только считывать но и записывать информацию в РОНы. }

Рисунок 9. Структура РП

ПРИНЦИП ДЕКОМПОЗИЦИИ НА ОПЕРАЦИОННОМ УРОВНЕ:

В соответствии с принципом декомпозиции на операционном уровне рассматривается структура операционных элементов. В теории принципа декомпозиции на операционном уровне рассматривается, что операционный элемент состоит из двух частей КОМБИНАЦИННОЙ(КЧ) и запоминающей(ЗЧ) и относятся к цифровым автоматам. Упрощенная структура организации операционного элемента представлении на рисунке 10.

Рисунок 10. Структурная схема операционного элемента

К операционным элементам, имеющим память, относятся регистры, счетчики, накапливающие сумматоры и.т.д.

На практике же существует огромное количество операционных элементов, не имеющих запоминающих модулей, такие схемы называют комбинационными схемами. К ним относятся такие устройства как шифратор, дешифратор, мультиплексор, де мультиплексор, схема сравнения, преобразователь кодов, пороговая схема, комбинационный сумматор и.т.д.

Работа всех операционных элементов инициализируется подачей синхроимпульсов на специально предназначенный для этого вход. В связи с этим, достоверную информацию с выходов операционного элемента можно снять только по приходу синхроимпульса на синхро-вход (см. рис 11).

Рисунок 11. Синхронизация работы операционного элемента

Синхроимпульсы подаются в определенной последовательности. Данная последовательность задается изначально для любого цифрового вычислительного устройства. Всем известно, что одной из основных характеристик современного персонального компьютера является тактовая частота f_такт, которая напрямую зависит от периода следования синхроимпульсов t_си , и определяется как:

f_такт = 1/ t_си .