ЭВМ лекции

Состояния элементов Неймана в момент времени t определяют конфигурацию автомата Неймана (рис. 3) в момент t: K(t).

Рисунок 3 Структура автомата Неймана

Функционирование АН – это переход от состояния К(t) к состояниям

K(t+1), K(t+2)...

За один такт свое состояние может менять большое число элементов Неймана, что фактически приводит к параллельной обработке информации.

Модель фон Неймановской архитектуры в современном представлении состоит из пяти основных компонентов, представленных на рис. 4.

Рисунок 4

Все действия в ЭВМ выполняются под управлением сигналов, вырабатываемых устройством управления (УУ). Управляющие сигналы формируются на основе информации, содержащейся в выполняемой команде, и признаков результата, сформированных предыдущей командой (если выполняемая команда является, например, командой условного перехода). Устройство управления помимо сигналов, определяющих те или иные действия в различных блоках ЭВМ (например, вид операции в АЛУ или сигнал считывания из ЗУ), формирует также адреса ячеек, по которым производится обращение к

памяти для считывания команды и операндов и записи результата выполнения команды.

11

Устройство управления формирует адрес команды, которая должна быть выполнена в данном цикле, и выдает управляющий сигнал на чтение содержимого соответствующей ячейки запоминающего устройства. Считанная команда передается в УУ. По информации, содержащейся в адресных полях команды, УУ формирует адреса операндов и управляющие сигналы для их чтения из ЗУ и передачи в арифметико-логическое устройство. После считывания операндов устройство управления по коду операции, содержащемуся в команде, выдает в АЛУ сигналы на выполнение операции. Полученный результат

записывается в ЗУ по адресу приемника результата под управлением сигналов записи. Признаки результата (знак, наличие переполнения, признак нуля и так далее) поступают в устройство управления, где записываются в специальный регистр признаков. Эта информация может использоваться при выполнении следующих команд программы, например команд условного перехода.

Устройство ввода – позволяет ввести программу решения задачи и исходные данные в ЭВМ и поместить их в оперативную память. В зависимости от

типа устройства ввода исходные данные для решения задачи вводятся непосредственно с клавиатуры (дисплей, пишущая машинка) либо должны быть предварительно помещены на какой-либо носитель – перфокарты, перфоленты, магнитные карты, магнитные ленты, магнитные и оптические диски и т.д. В системах САПР осуществляется ввод графической информации.

Устройство вывода – служит для вывода из ЭВМ результатов обработки исходной информации. Чаще всего это символьная информация, которая выводится с помощью печатающих устройств или на экран дисплея. В ряде случаев это графическая информация в виде чертежей и рисунков, которые могут быть выведены с помощью графических дисплеев, графопостроителей, принтеров, и т.д.

Запоминающее устройство или память – это совокупность ячеек,

предназначенных для хранения некоторого кода. Каждой из ячеек присвоен свой номер, называемый адресом. Информацией, записанной в ячейке, могут быть как команды в машинном виде, так и данные.

12

Обработка данных и команд осуществляется посредством арифметико- логического устройства под управлением устройства управления. АЛУ и УУ совместно образуют центральное процессорное устройство (ЦПУ). Результаты обработки передаются в устройство вывода.

Наиболее важными особенностями архитектуры фон Неймана являются:

1.Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2.Программа должна размещаться в одном из блоков машины – в запоминающем устройстве (ЗУ), обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы.

3.Программа так же, как и числа, с которыми оперирует машина, представляется в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:

∙промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же ЗУ, что и программа;

∙числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы.

4.Трудности физической реализации ЗУ, быстродействие которого соответствовало бы скорости работы логических схем, требует иерархической организации памяти.

5.Арифметические устройства машины конструируются на основе схем, выполняющих операцию сложения. Создание специальных устройств для вычисления других операций нецелесообразно.

6.В машине используется параллельный принцип организации

вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).

Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.

13

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. Это позволило одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

На рис.5 представлена модель компьютерной системы с системной шиной.

Рисунок 5 Архитектура ЭВМ с системной шиной

Данная модель компьютерной системы состоит из трех основных устройств: ЦПУ, памяти и устройства ввода-вывода.

Системная шина, в свою очередь, представляет собой совокупность

∙шины данных, служащей для переноса информации;

∙шины адреса, которая определяет, куда переносить информацию;

∙шины управления, которая определяет правила для передачи информации.

14

Существует также шина питания, подводящая электропитание ко всем узлам вычислительной машины.

Физически шины представляют собой набор проводников. Например, 32- разрядная шина имеет 32 отдельных проводника, каждый из которых в определенный момент времени может переносить 1 бит информации.

Архитектура современной вычислительной машины представлена на рисунке.

4. Состав вычислительной системы

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и

программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию. Критериями выбора

аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность.

15

Аппаратное обеспечение

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков.

По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ — Central Processing Unit, CPU) различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Таким образом, протокол — это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный - одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл.

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т. п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

16

Программное обеспечение

Программы — это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами.

Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками существует взаимосвязь — многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть можно говорить о межпрограммном интерфейсе. Уровни программного обеспечения представляют собой пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней.

Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение (операционную систему). Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило,

базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ— Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

Операционная система (ОС) – это центральная и важнейшая часть программного обеспечения ЭВМ, предназначенная для эффективного управления вычислительным процессом, планирования работы и распределения ресурсов ЭВМ, автоматизации процесса подготовки программ и организации их выполнения при различных режимах работы машины, облегчения общения оператора и пользователя с машиной.

В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ

— Erasable and Programmable Read Only Memory, EPROM). В этом случае

изменение содержания ПЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш-технологией), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами.

17

Системный уровень. Системный уровень — переходный. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ

компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции.

От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом. Например,

при подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств — они входят в состав программного обеспечения системного уровня.

Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Именно благодаря им он получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте. Совокупность

программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы компьютера. Если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он уже подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и, самое главное, к взаимодействию с пользователем. То есть наличие ядра операционной системы — непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой.

Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ (их также называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций системных программ. Некоторые

18

служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изначально включают в состав операционной системы, но большинство служебных программ

являются для операционной системы внешними и служат для расширения ее функций.

Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания. Спектр этих заданий необычайно широк — от производственных до творческих и развлекательно- обучающих. Огромный функциональный диапазон возможных приложений

средств вычислительной техники обусловлен наличием прикладных программ для разных видов деятельности.

Поскольку между прикладным программным обеспечением и системным существует непосредственная взаимосвязь (первое опирается на второе), то можно утверждать, что универсальность вычислительной системы, доступность

прикладного программного обеспечения и широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используемой операционной системы, от того, какие системные средства содержит ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие триединого комплекса человек — программа — оборудование.

5. Функциональные характеристики ЭВМ

Конструктивно ЭВМ выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные блоки памяти, клавиатура, дисплей, принтер и т.д.

Системный блок обычно включает в себя системную (материнскую) плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами – адаптерами внешних устройств.

На материнской плате, в свою очередь, размещаются:

∙микропроцессор;

∙системные микросхемы;

∙генератор тактовых сигналов;

19

∙модули ОЗУ и ПЗУ;

∙микросхема CMOS-памяти;

∙адаптеры клавиатуры, накопители на гибких и жестких дисках;

∙контроллер прерываний;

∙таймер и т.д.

Основными функциональными характеристиками ЭВМ являются

∙производительность, быстродействие, тактовая частота;

∙разрядность микропроцессора и кодовых шин данных;

∙тип системного и локального интерфейсов;

∙тип и емкость оперативной памяти;

∙тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках;

∙емкость накопителя на жестких магнитных дисках («винчестера»);

∙наличие, виды и емкость КЭШ-памяти;

∙тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера;

∙наличие и тип принтера;

∙наличие и тип накопителя CD-ROM;

∙наличие и тип модема;

∙наличие и виды мультимедийных аудио-видео средств;

∙имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;

∙аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров;

∙возможность работы в вычислительной сети;

∙возможность работы в многозадачном режиме;

∙надежность;

∙стоимость;

∙габариты и вес.

Производительность современных компьютеров измеряют обычно в миллионах операций в секунду. Оценка производительности приблизительна,

поскольку ориентируется на некоторые усредненные или конкретные виды операций. Поэтому для характеристики ЭВМ вместо производительности обычно

20