Организация вычислительного процесса эвм
Принципы программного управления определяют следующую методику действия на ЭВМ:
до начала счета в ОП напрямую или с помощью ОС заносятся значения всех исходных операндов (в числовой форме) и программирование решения (обработки), т.е. последовательность команд, расположенных в последовательно нумерованных ячейках памяти.
по команде пользователя или ОС в устройство управления передается номер ячейки ОП, где хранится первая команда программы (ее адрес). УУ перемещает содержимое указанной ячейки (команду) в дешифратор. Дешифратор определяет хранимую командой информацию (операнды и операции), а затем организует пересылку операндов из ячеек ОП в регистры ОУ и формирует сигнал сумматору (АЛУ) на выполнение над ними требуемой операции.
АЛУ выполняет предписанную командой операцию, оставляет результат в сумматоре или в одном из регистров и сообщает об окончании выполнения УУ. После чего счетчик автоматически увеличивает свое значение на величину сдвига (4, 8, 16 и т.д.) в зависимости от длины ячейки слова, используемого для хранения команды. На этом один такт выполнения команды заканчивается, после чего цикл повторяется (осуществляется считывание команды ее расшифровка и выполнение).
работа с УВв и УВыв выполняется аналогично с ЗУ. Так, если в команде указана операция вывода на печать, то УУ после ее расшифровки предписывает конкретному устройству ввода или вывода, определенному по собственному логическому номеру (адресу) обработать сигнал о выполнении предписания.
Окончание выполнения программы производит последняя из команд, предписанием о прекращении дальнейшего наращивания содержимого счетчика, т.е. прекращением работы программы.
Каждая из рассмотренных операций проводится по тактам, т.е. дискретно. Например, считывание информации из ячейки, сдвиг на 1 разряд, сложение двух разрядов в регистрах сумматора, запись в ячейку и т.п.
Рассмотренная схема классической ЭВМ и организации вычислительного процесса в нем показывает достаточную простоту и прозрачность методики работы и функционирования ЭВМ при этом.
Лекция №5 эвм с единым интерфейсом
Классическая схема технически реализовывалась соответствующими пятидесятыми годами двадцатого века электронными и электромагнитными компонентами ( лампы, рыле, тумблеры). Существенный прорыв в изменении принципов проектирования технических средств и качественно новые технологии создания микроэлектроники коротко формируются как структурирование и микро миниатюризация, позволили в начале восьмидесятых годов создать техническую реализацию классической схемы ЭВМ в блочном варианте исполнения. При этом помимо оформления типовых компонентов в виде самостоятельных модулей предполагалась идея перекомпоновки классических компонентов по принципу основные и дополнительные, соединенные в единое целое с помощью специального устройства – интерфейса. К основным компонентам отнесли 3 из классической схемы:
устройство управления;
арифметико-логическое, т.е. счетное устройство;
оперативную память (ОЗУ).
К дополнительным (внешним) отнесли:
устройство ввода-вывода;
долговременное запоминающее устройство.
Схема ЭВМ в этом варианте называется схемой с единым интерфейсом и имеет вид:
Процессор Память
Контроллер Контроллер
…
ОУ ОП
ВУ ВУ ВУ УУ ПП
Интерфейс – устройство сопряжения отдельных элементов некоторой системой в единое целое.
Единый интерфейс – электронное устройство сопряжения отдельных модулей ЭВМ в единое целое.
Физически единый интерфейс есть совокупность соединительных элементов – шин, и устройств их обслуживания.
Шина – электрическое соединение (набор проводников предназначенных для передачи электрических сигналов).
Основное достоинство единого интерфейса – возможность относительного простого изменения конфигурации конкретной ЭВМ, увеличением или изменением количества основных и вспомогательных устройств, работающих в одном комплекте.
Процессор – основной модуль, обеспечивающий выполнение действий по решению задач (выполнение расчетов).
Исходя из определения можно сделать вывод, что его составляют 2 типовых компонента:
операционное устройство (арифметико-логическое, АЛУ);
устройство управления (УУ).
Процессор представляется как единое целое, т.к. реализуется одной микросхемой, называемой однокристальной, т.к. выполняется на одном кристалле кремния. Однокристальные процессы используются в мини и микро ЭВМ, включая персональные ЭВМ (ПЭВМ), для больших и сверхбольших ЭВМ используют блочные, секционные процессоры, т.е. состоящие из нескольких взаимосвязанных схем, каждая из которых выполнена на отдельном кристалле. Процессор, как основной компонент, определяет быстродействие ЭВМ. Быстродействие выражается количеством простейших операций в секунду, либо квантом времени на выполнение элементарной операции, т.е. величиной, обратной частоте тактового генератора. Для современных ПЭВМ быстродействие определяется значениями миллионов операций в секунду.
Память (быстрая память) – второй основной компонент ЭВМ, предназначенный для хранения и использования при решении данных и программ.
Проанализируем возможности памяти по 3 параметрам:
энергозависимость.
быстродействие.
объем.
С точки зрения энергозависимости память можно представить совокупностью двух существенных компонентов:
оперативная память (ОП);
постоянная память (ПП).
ОП (ОЗУ) энергозависимая, больше объемная, быстродействующая. Энергозависимая, т.к. прекращение питания даже на небольшой период времени приводит к ликвидации информации в ней. Больше объемная, т.к. определяет возможность хранения от 10 Кбайт до 10 Мбайт в соответствии с возможностью конкретной ЭВМ и ее комплектации. По быстродействию аналогично быстродействию процессора. Реализуется электронными схемами – триггерами.
Триггер – электронное устройство, имеющее два устойчивых состояния (да, нет; 0, 1) и обладающее быстродействием соизмеримым с быстродействием процессора.
Основные режимы работы ОП:
запись;
чтение.
Запись – процесс передачи (размещения) элементарной порции информации в конкретную ячейку ОП.
Чтение (считывание) – процесс снятия копии с содержимого ячейки ОП для дальнейшего использования.
Использование копии возможно передачей в любое другое устройство ЭВМ, при этом количество копий содержимого неограниченно.
ПП (постоянная память) энергозависимая, малообъемная, быстродействующая. Энергозависимая, т.к. сохраняет содержимое при отключенном электропитании. Работает только на чтение (считывание) внесенной в нее однократно информации. Запись в ПП иной информации средствами самой ЭВМ невозможно. Объемы ПП намного меньше, чем ОП, при существенно более высокой стоимости, поэтому используется ПП для хранения абсолютно необходимой минимальной информации, обеспечивающей первоначальный запуск ЭВМ после ее включения (подачи напряжения на ее вход). Хранит, как правило, компоненты операционной системы в минимальном объеме, достаточном для запуска (приведения в рабочее состояние всей системы). В настоящее время объемы ПП интенсивно увеличиваются, и тенденция в этом направлении остается неизменной. Аналогичная тенденция наблюдается и для ОП в связи с разработкой мощных пакетов обработки информации, с целью снижения многократного обмена с внешними запоминающими устройствами (долговременных ЗУ).
Рассмотренные компоненты ПЭВМ (процессор и память) есть обязательный элемент любой ЭВМ, однако без дополнительных внешних (периферийных) устройств они работать не могут.
Внешние (дополнительные, периферийные) устройства – устройства сопряжения ЭВМ с человеком и долговременного хранения больших объемов информации, а также средств мультимедиа, как компонентов УВв.
Главные или основные составляющие ВУ:
устройства ввода (пульт ЭВМ, сканер);
устройства вывода (дисплей, принтеры, плоттеры);
долговременная память (жесткие магнитные диски – ЖМД или винчестеры).
Любое ВУ отличается от основных компонентов ЭВМ, процессора и памяти, по двум параметрам:
быстродействию;
форме сигнала.
Быстродействие любого ВУ существенно ниже быстродействия процессора (на порядки) и сигналы его не аналогичны основным сигналам, т.к. кодируются по собственным методикам. Поэтому организация эффективной совместной работы ВУ с процессором и памятью через интерфейс требует специальных средств взаимодействия, т.е. контроллеров.
Контроллер – электронное средство состыковки внешних устройств ЭВМ с единым интерфейсом.
Основные функции контроллера:
буферизация;
синхронизация.
Буферизация – временное хранение информации в памяти с помощью выделения в ней специальных областей – буферов, для накопления сигналов конкретных ВУ.
Накопление происходит в течении некоторого промежутка времени с достаточно низкой скоростью (скоростью работы конкретного ВУ). При накоплении требуемого объема информации происходит считывание содержимого буфера и передача его через интерфейс в ОП, т.е. выделенную для него область памяти, со скоростью стандартной для основных устройств ЭВМ.
Синхронизация – преобразование нестандартных сигналов ВУ в стандартные для ЭВМ.
Синхронизация осуществляется контроллером в процессе получения сигналов с ВУ до занесения их в буфер. При необходимости выдачи сигналов от основных устройств на конкретное ВУ, например, на печать принтером, контроллер выполняет синхронизацию в обратном порядке, т.е. стандартные сигналы буфера преобразует в конкретные нестандартные для ВУ.
По своему назначению контроллеры индивидуальны, т.е. рассчитаны на работу с конкретным ВУ, поэтому контроллер дисплеев имеет один вид, а жестких дисков – другой.
Некоторые однотипные ВУ могут обслуживаться одним контроллером. По названию возможны два варианта обозначения контроллера:
контроллер;
адаптер.
Единый интерфейс – устройство сопряжения основных и дополнительных блоков в единое целое, удобен по тому, что позволяет достаточно просто изменять набор основных и внешних устройств, например, наращивать память подсоединением ее дополнительных объемов напрямую к интерфейсу. Дополнительные ВУ для подключения к интерфейсу требуют наличия соответствующих контроллеров, соединенных с интерфейсом через обычные разъемы, поэтому конфигурация современных ЭВМ изменяется достаточно быстро и просто в соответствии с требованиями пользователя.
Основное преимущество рассмотренной схемы: блочность построения, т.е. возможность изменения общей конфигурации ЭВМ, подключением или отключением некоторой части в основной ВУ.
Недостаток: резкое уменьшение коэффициента полезного действия процессора при увеличении количества ВУ, т.к. при этом большее количество времени тратится не на расчет, а на управление ВУ.