Лекция №4 архитектура эвм

Рассмотренные ППУ, типовые программы командных ЭВМ и анализ основных действий, подлежащих выполнению при решении задач математического характера, позволяет рассмотреть общую схему построения любой ЭВМ, в более широком плане архитектуру ее.

Архитектура ЭВМ – представление общих принципов обработки информации на конкретных ЭВМ с точки зрения пользователя.

Архитектура представляет общую логическую организацию вычислительного устройства, состав и назначения ее функциональных компонентов, принципов кодирования информации и т.д. Коротко говоря, архитектура определяет общие потребительские свойства ЭВМ с точки зрения пользователя.

Основные элементы архитектуры:

• общая архитектура ЭВМ;

• организация вычислительного процесса ЭВМ;

• организация общения с пользователем;

• логическая организация представления, хранения и преобразования информации;

• логическая организация совместной работы компонентов программных и аппаратных средств.

Общая структура классической эвм

Проанализировав назначение классической ЭВМ, решение математических задач, можно предположить обязательное наличие специального устройства выполнения арифметических операций над данными. Принципы Неймана определяют обязательность устройств хранения информации в виде данных. Необходимость обслуживания человека требует включение обязательного компонента – устройств организации диалога ЭВМ с пользователем. Логика построения существующих до этого механизмов и устройств предполагает наличие в их составе специального устройства, обеспечивающего координацию работы всех остальных, т.е. управляющего ими. Следовательно, любая ЭВМ есть совокупность обязательных компонентов устройств:

1. операционного.

2. запоминающего.

3. связующего с пользователем.

4. управляющего.

Схема классической ЭВМ позволяет объединить эти компоненты в единое целое:

СУ

ЗУ

ОУ

.

.

Сумматор

УВв

ОЗУ

Регистр 1

Регистр 2

УВыв

ДЗУ

Регистр n

УУ

Дешифратор

Счетчик

Тактовый генератор

где - информационный поток, - управляющий сигнал.

СУ выполнено потому, что традиционно рассмотрение схем в славянском и романо-германском изображении производят слева направо или сверху вниз, поэтому основное операционное устройство располагаются справа, как достижение цели. Выполним краткое описание указанных компонентов:

1. СУ – устройство связи с человеком (пользователем), реально выполнено в виде специальных устройств ввода и вывода информации (УВв, УВыв).

2. ЗУ – запоминающее устройство (память ЭВМ), устройство хранения всей информации ЭВМ, исходных данных, промежуточных и результатных, а также программ, обеспечивающих их обработку и получение, а также управление работой ЭВМ в процессе счета.

3. ОУ – операционное устройство, устройство непосредственного выполнения арифметических и логических действий над операндами в процессе их обработки и преобразования. Параллельно с обозначением ОУ широко используется АЛУ – арифметическо-логическое устройство.

4. УУ – устройство управления, обеспечивает координацию совместной работы всех устройств ЭВМ в процессе их функционирования.

Выполним детализацию основных компонентов на один шаг.

Основные компоненты СУ: УВв – устройство ввода информации и УВыв – устройство вывода информации.

УВв обеспечивает получение информации от пользователя и преобразование ее к виду удобному для ЭВМ. УВв является механо-электрическими или электро-электронными устройствами, обеспечивающими преобразование механических, электрических, а в последнее время и оптических сигналов в электронные. Типичные примеры УВв: пульт дисплея (клавиатура), сканер.

УВыв – устройство преобразования электрических сигналов ЭВМ в графические изображения, либо механические действия, понятные пользователю (человеку). Примеры: дисплей, графопостроитель, принтер.

Запоминающее устройство в простейшем варианте классической ЭВМ детализируется на 2 основных компонента:

• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или долговременная память (ОП);

• долговременное запоминающее устройство (ДЗУ) или долговременная память.

Основные характеристики любого ЗУ определяются носителем информации, используемой для хранения и определяется как:

1. быстродействие;

2. объем.

Указанные характеристики являются взаимоисключающими, поэтому каждое из ЗУ имеет определяющей одну из них. Электронное запоминающее устройство – быстродействующее, но малообъемное. При магнитных носителях информации объемы существенно увеличиваются, а быстродействие существенно уменьшается, т.к. время доступа к информации определяется механическим поиском места расположения ее, т.е. перемещением магнитной головки в требуемые координаты носителя. У оперативного ЗУ быстродействие соизмеримо со скоростью работы ОУ. Объемы ОЗУ относительно невелики 10-ки Кбайт – 10-ки Мбайт. У долговременных устройств объемы значительны – 10-ки Мбайт – 10-ки Тбайт при относительно небольших скоростях записи и считывания. Неоспоримые преимущества магнитных ДЗУ: возможность многократного использования, записи и считывания различной информации. Начинающие широкое распространение оптико-электронные устройства (лазерные диски) как ДЗУ обладают одним недостатком: невозможность в настоящее время многократного использования с точки зрения перезаписи информации.

ОУ – операционное устройство может быть детализировано на основные компоненты:

1. сумматор (АЛУ);

2. регистры.

Сумматор (АЛУ) – устройство непосредственной обработки данных (операндов) с использованием простейших математических операций: сложения и сдвига (вправо, влево).

Регистры – ячейки памяти АЛУ, используемые для хранения операндов в момент их обработки.

Количество регистров невелико (единицы, десятки).

УУ – устройство управления. Основными компонентами являются:

1. дешифратор;

2. счетчик команд;

3. тактовый генератор.

Дешифратор – устройство распознавания команд выполняющее определение кода операций каждой команды и адресов операндов, над которыми она должна быть выполнена.

Адреса определяют номера ячеек памяти (ОП) в которых операнды хранятся.

Счетчик команд – устройство, формулирующее номер используемой, а затем – последующей команды (адрес ячейки памяти, где она находится).

Формирование нового адреса команды автоматически выполняется увеличением адреса выполняемой на величину сдвига (4, 8, 16, 32, 64 байта), т.е. количество байт, отводимых под стандартную ячейку хранения команд. Адрес первой команды программы загружается в счетчик соответствующей программой – операционной системой (ОС), либо вручную (у первых ЭВМ с пульта). Исходя из принципа работы счетчика команд можно сделать вывод, что команды одной программы обязаны располагаться в последовательно пронумерованных (расположенных) ячейках ОП.

Тактовый генератор – устройство, вырабатывающее дискретные сигналы, определяющее время первой элементарной операции.

В настоящее время быстродействие ЭВМ определяется сотнями МГц, т.е. тактовый генератор есть устройство создающее быстродействие (скорость работы ЭВМ). Современные скорости достаточно близко подходят к максимально возможным, т.к. значение скорости света (перемещения электронов) при частотах генератора сотни МГц определяют расстояние, проходящее сигналом в метрах (десятках сантиметров).