Л1 Основные принципы организации ЭВМ

ЭВМ и ПУ, лекция 1 1Щемелева Т.К.

ЛЕКЦИЯ 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ.

Новые понятия: ЭВМ; архитектура ЭВМ; организация ЭВМ; структура

ЭВМ; устройство; шина; машинное слово; программа; команда; операнд; ячейка; адрес; машина фон Неймана; такт; адресация, идентификация и арбитраж на шине; шины ША, ШД, ШУ; классификации ЭВМ; персональные ЭВМ; микроконтроллеры;

Основные вопросы: 1.Понятие ЭВМ и вычислительной системы (ВС). 2.

Машина фон Неймана. 3.Основные характеристики ЭВМ. 4. Функциональная организации ЭВМ. 5. ЭВМ. 6. Шинная организация ЭВМ. Задачи адресации и идентификации. 7. Этапы выполнения программы. 8. Классификации ЭВМ. 9. Области применения ЭВМ различных классов.

1.1. Понятие ЭВМ и Вычислительной системы (ВС)

ЭВМ (иначе - вычислительная машина, компьютер), по сути – автоматический преобразователь информации, работающий под управлением хранимой во внутренней памяти программы. Выполнение программы преобразования исходных данных происходит в основном устройстве ЭВМ - процессоре. Современная ЭВМ – это сложный комплекс технических и программных средств. Ее процессор выполненный, как правило, на одной полупроводниковой СБИС, называется микропроцессором (МП). Вычислительная система (ВС) – совокупность взаимосвязанных ЭВМ или процессоров, периферийных устройств и программного обеспечения. На ВС возлагается решение более сложных задач пользователя.

Следует выделить два важных понятия, лежащие в основе изучения ЭВМ: архитектура и структура. Под архитектурой ЭВМ понимают логическое представление ЭВМ на уровне понятий языка Ассемблер, необходимых программисту. Архитектура ЭВМ отражает взгляд программиста на ЭВМ. Ее

элементами являются форматы и способы	адресации данных и команд,
механизмы выполнения команд и ввода\вывода,	прерываний программ и т.п.

Структура ЭВМ как взаимосвязанный набор компонентов может изучаться на разных уровнях [1,гл.1]. Организация ЭВМ и ВС изучает структуру ЭВМ и ВС как средство и методы реализации архитектуры.

1.2. Машина фон Неймана

ЭВМ с одним процессором и последовательным выполнением действий по преобразованию информации называется машиной фон Неймана. Дж. Фон Нейман высказал в 1945 г. следующий принцип: программы преобразования информации и данные для преобразования хранятся в общей внутренней памяти. Ее позже назвали оперативной.

Модель ЭВМ фон Неймана может быть описана пятью постулатами. Ясно, что понятия архитектуры ЭВМ соответствуют единственному для того времени машинному языку программирования, под которым здесь и пока будем понимать языка Ассемблер.

1

ЭВМ и ПУ, лекция 1 1Щемелева Т.К.

1)Вычислительная машина должна состоять из следующих устройств: памяти, управления (УУ), арифметико-логического (АЛУ) и ввода-вывода информации. Вычислительные операции исполняются в АЛУ, а управляет вычислительным процессом УУ.

2)Программы и данные представляются в двоичном коде. Программа - это указание на последовательность действий, составляющих вычислительный процесс для решения поставленной задачи обработки информации. Данные – информация, обрабатываемая в ЭВМ в ходе исполнения действий.

3)Программа представлена в виде команд, последовательность которых и определяет последовательность действий по преобразованию информации. В каждой команде закодировано одно действие – операция над одним или двумя данными, позднее в языке программирования ассемблер их назвали

операндами.

4)Программы и данные хранятся в памяти, каждая команда, как и операнд, занимает одну ячейку памяти. Позднее память была названа оперативной Содержимое ячейки названо машинным словом (или просто словом). Память может работать в двух режимах:

чтения (считывания) слова, причем считываемое слово сохраняется до очередной записи в ту же ячейку нового слова.

записи информации, при которой слово, хранимое в ячейке, автоматически стирается перед записью нового слова;

5)УУ и АЛУ образуют процессор, который читает из памяти и выполняет команды. При выполнении команд процессор читает из памяти и операнды, а при необходимости сохраняет в ней результаты исполнения команд.

Такая модель ЭВМ представлена на рис.1.1.

				УУ
Устройство
ввода		память
Устройство
вывода				АЛУ

Рисунок 1.1.- Структура ЭВМ фон Неймана

-предварительный ввод программы и данных в память через устройства ввода, -запуск программы на исполнение в АЛУ; - исполнение программы в АЛУ;

-сохранение результатов работы программы в памяти; -вывод результатов на устройство вывода.

В описание этапов не включены функции УУ, т.к. оно управляет работой всех устройств ЭВМ на всех этапах путем выдачи в определенные моменты времени, называемые тактовыми, специальных управляющих сигналов на электронные схемы устройств ЭВМ. Какие устройства, на какие схемы и в какие такты от начала выполнения команды получают управляющие сигналы

2

ЭВМ и ПУ, лекция 1 1Щемелева Т.К.

определяет алгоритм выполнения операции. В один такт может выполняться несколько действий в разных схемах ЭВМ.

1.3. Основные характеристики ЭВМ.

Производительность – количество операций в единицу времени. В современных ЭВМ производительность обычно оценивается тактовой частотой работы процессора, измеряемой в Мгц или Ггц. Такт устанавливается разработчиком процессора как наименьшее время, необходимое для выполнения самого продолжительного элементарного действия в процессоре. Такт – обратная частоте величина.

Разрядность машинного слова – число двоичных разрядов (бит), которые одновременно передаются из памяти в процессор. Разрядность машинного слова, например, для IBM PC кратна байту, а для ЭВМ с шиной PCI - 32-м или 64-м битам.

Емкость (обьем) оперативной памяти. В ней хранятся выполняемая в данный момент времени программа и ее данные, поэтому для пользователя весьма важен объем памяти. Он для ЭВМ разных типов может измеряться в в Кбитах, Мбайтах, Гбайтах и т.д. или машинных словах.

-Быстродействие памяти оценивается рядом параметров, число которых зависит от типа электронных схем памяти: временем записи, временем чтения, временем восстановления (регенерации) информации, временем цикла памяти (интервал между двумя ближайшими обращениями памяти) и др.

- Эксплуатационные параметры: вес, габариты, потребляемая мощность, устойчивость к вибрациям и агрессивным средам, надежность (количество часов безотказной работы) и т.д.

Кроме того, каждое устройство ЭВМ имеет собственные параметры и характеристики, которые будут рассматриваться в ходе изучения курса лекций.

1.4.Программистская модель ЭВМ

Итак, функционирование ЭВМ состоит в выполнении программы преобразования данных (операндов). Опишем функциональную организацию современной ЭВМ через понятия архитектуры.

Программа состоит из управляющих слов – команд. Каждая команда – это

код, в котором зашифрованы вид операции		и места хранения операндов. В
команде может содержаться и сам операнд, если операнд-константа.					Каждый
процессор имеет свой набор	команд -	систему	команд.	Система	команд
процессора обычно включает	более сотни операции		как над	одним операндом

(поразрядная инверсия операнда; поразрядный сдвиг операнда и др.), так и над двумя операндами (сложение; вычитание; умножение; пересылка; дизьюнкция и др.). Поэтому каждая команда имеет две части (поля): адресное поле и операционное поле. В адресном указаны сведения о местоположении одного или двух операндов, т.н. адреса А1 и А2. Если операнды хранятся в памяти, то это адреса ячеек памяти. В операционном поле указан код выполняемого действия (операции), разрядность команды и операндов в битах и другая необходимая для УУ информация. Операционное поле обычно кратко называют полем КОП (код

3

ЭВМ и ПУ, лекция 1 1Щемелева Т.К.

операции). Адреса коман,д как правило, в памяти не хранятся, а вычисляются другим способом. Формат типовой команды с двумя адресными полями приведен на рис.1.2.

код
операции	А1	А2

Рисунок 1.2. - Формат типовой команды ЭВМ

Каждая команда в виде машинного слова - кода хранится в ячейке памяти. Организация программы в терминах ассемблерной архитектуры приведена на рис.1.3.

Рисунок 1.3. - Организация программы в терминах языка Ассемблер

Отображать логическую организацию (архитектуру) памяти и ее содержимое принято с помощью карты (таблицы) памяти. Карта памяти с линейной организацией показана на рис. 1.4. Отображаемая память на рисунке содержит К+1 ячеек. Первая ячейка имеет адрес = 0, последняя - К. Адрес каждой последующей ячейки отличается от адреса предыдущей на единицу. Разрядность ячейки (машинного слова) равна в примере байту.

7		0	бит
0
1
2
3			Данные в ячейке.3

…

К

Рисунок 1.4. – Карта памяти ЭВМ

1.5.ЭВМ

Структура любой системы представляется совокупностью элементов и

связями между ними. Элементами ЭВМ как системы можно считать отдельные устройства, соединенные электрическими линиями, передающими информацию в виде двоичных (цифровых, или дискретных) сигналов. Набор двоичных линий

4

ЭВМ и ПУ, лекция 1 1Щемелева Т.К.

для передачи информации одного назначения называется шиной. Шина, состоящая более чем из одной линии, или группа шин, на рисунках и чертежах отмечается значком « ∕ ». Количество двоичных линий, входящих в шину, называется разрядностью шины. Рядом с этим значком указывается в виде числа разрядность шины. Магистраль - это шина или их совокупность, объединяющая множество устройств ЭВМ. ЭВМ может быть построена на основе одной или несколько магистралей.

Основные устройства современных ЭВМ:

Микропроцессор (МП) - это процессор, выполненный по определенной технологии на одной микросхеме. Для временного хранения информации, т.е. на время, не меньшее продолжительности исполнения команды, в состав процессора введено несколько регистров. Один n-разрядный регистр служит для записи, считывания и хранения одного n- битового

машинного слова.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хранения текущей (исполняемой в данный момент времени) программы и ее данных. По логике работы мало отличается от памяти ЭВМ фон Неймана: состоит из ячеек, служащих для хранения, чтения и записи машинных слов.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) применяется для хранения неизменяемых программ и данных. Из ПЗУ в ходе исполнения программы процессор может только читать машинные слова. Запись выполняется редко и только с помощью специальных программ.

Периферийные устройства (ПУ) – устройства ввода и вывода информации.

Внешние запоминающие устройства – для долговременного хранения программ и данных, в т. ч. при отключенной от электропитания ЭВМ.

Интерфейсные схемы – порты, адаптеры, контроллеры, которые служат для сопряжения и согласования устройств ЭВМ друг с другом.

На рис. 1.5. показана упрощенная структурная схема ЭВМ с общей К- разрядной шиной, или магистралью. Каждое устройство ЭВМ создается в виде функционально и\или конструктивно законченного блока (модуля), подключаемого к магистрали. Например, можно выделить процессорный модуль, модуль памяти и т.д.

МП		ОЗУ		ПЗУ

К		порт				адаптер			контроллер
		ПУ				ПУ				ВЗУ

Рисунок 1.5. - Структура ЭВМ

5

ЭВМ и ПУ, лекция 1 1Щемелева Т.К.

Однако внутренние связи между устройствами ЭВМ значительно сложнее, чем представленные на рис. 1.5. Рассмотрим их.

1.6. Шинная организация ЭВМ.

Около 90% времени в ЭВМ выполняются пересылки информации. При типичном для ЭВМ обмене устройство А называемое ведущим, запрашивает обмен данными с одним из устройств Bj, подключенным к той же шине. В этом случае на шине выполняются операции адресации и идентификации. Адресация

— это выбор ведущим устройством А для обмена одного из устройств Вi. Идентификация - определение ведущим устройством Ао устройства Bj, запрашивающего связь.

Решение этих двух задач требует передачи по линиям связи дополнительной информации, количество которой зависит от организации и структуры шины. Возможно сопряжение радиального типа с индивидуальными линиями, в котором устройство А соединено со всеми устройствами Вi по отдельным линиям. При использовании такой системы существенно упрощается решение задач, но при этом увеличивается количество оборудования.

При использовании сопряжения с общими (коллективными) линиями (см. рис 1.5.) значительно уменьшается их число, но существенно усложняются

процессы адресации и идентификации.
Для	целей	выбора	каждое	устройство	имеет	внутренний
идентификационный		номер -	адрес,	т.е. двоичный	код,	по которому

осуществляется его поиск. Например, как уже известно, свой адрес имеет каждая ячейка памяти, хранящая одно машинное слово. Передача адреса от устройства к устройству в ЭВМ происходит по специальной группе проводников, называемых

шиной адреса (ША).

По шине ША происходит передача адреса от устройства к устройству. Совокупность всех адресов, которые могут быть представлены на шине, называется адресным пространством шины (АП). Размер АП зависит от

разрядности ША и определяется формулой 2n, где n-число линий ША. Например, если ША имеет разрядность 10, то размер адресного пространства ША равен 1024 адресов.

Передача данных между процессором, портами, и памятью происходит по шине данных ШД. К данным, передаваемым по ШД, относятся операнды, результаты операций, команды. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за определенный промежуток времени и выше производительность ЭВМ.

Для успешной передачи данных недостаточно установить их на ШД и установить адрес на ША. Для того чтобы данные были записаны (или считаны) в устройство, подключенное к ШД и ША, необходим ряд служебных сигналов, указывающих на режим работы устройства и т.д. Например, сигналы записи или считывания для памяти, готовности порта к приему или передачи данных, подтверждение приема данных, аппаратного прерывания. Все эти сигналы передаются отдельными устройствами ЭВМ, например, сигналы записи или

6

ЭВМ и ПУ, лекция 1 1Щемелева Т.К.

считывания для памяти устанавливаются процессором. Служебные сигналы передаются по шине управления (ШУ).

Т.о. систему шин ЭВМ входят шина адреса ША, шина данных ШД, шина управления ШУ.

К системной шине всегда подключается более двух устройств, а одновременно передача данных может производиться только между двумя из них. Это означает, что в один и тот же момент возможно появление нескольких запросов на обмен, т.е. на занятие общей шины. Эти запросы могут быть удовлетворены только последовательно один за другим, Только одно из нуждающихся в обмене устройств может получить в свое распоряжение шину и стать ведущим и только после этого передавать по ней данные. Следовательно, любая шина должна обладать средствами арбитража, позволяющими выстраивать очередь запросов, разрешая одновременную передачу данных только между двумя устройствами.

Теперь структуру персональной ЭВМ (ПК) с общими для всех устройств шинами, т.е. единой общей магистралью можно представить схемой на рис. 1.6. Направления передач информации по шинам здесь не показаны?

					МЫШь
МП		ОЗУ
					порт			. . .

ША ШД шу

контролер					Видеоадапте				. . .
	НМЖД					Монитор

Рисунок 1.6.- Структура персональной ЭВМ

Подобная ЭВМ с единой для всех устройств магистралью имеет низкую производительность, т.к. в один интервал времени только одна пара устройств может занять магистраль и выполнить обмен информацией.

Современные ЭВМ имеют несколько - 2 или 3 магистрали, каждую - для определенной группы устройств с близким быстродействием. Это решение раскрывается в последующих разделах курса лекций.

1.7. Этапы выполнения программы

Выполнение программы (хранимой в памяти ОЗУ или ПЗУ) состоит из следующих этапов работы ЭВМ:

-чтение процессором из памяти очередной команды;

-последующее чтение процессором из ОЗУ или ПЗУ первого операнда и, при необходимости, второго;

-исполнение в процессоре закодированной в команде операции;

-запись результата операции, при необходимости, в ОЗУ или в порт;

7

ЭВМ и ПУ, лекция 1 1Щемелева Т.К.

- формирование адреса следующей команды и обращение за ней в ОЗУ. Число тактов, составляющих отдельные этапы выполнения отдельной команды, может быть различным, но не менее одного на один этап.

При каждом чтении из памяти процессор выставляет на ША адрес ячейки памяти, на ШУ - сигнал ”читать”, в ответ на которые ОЗУ выставляет на ШД, а процессор принимает содержимое ячейки памяти как очередную команду или операнд. При каждой записи в ОЗУ (например, при сохранении результата операции), процессор выставляет на ША адрес ячейки памяти, на ШУ - сигнал ”записать”, в ответ на которые ОЗУ принимает с ШД в указанную шиной адреса ячейку.

Обратим внимание, что при любом обращении процессора к другим устройствам ЭВМ используются все три шины ЭВМ!

Как следует из адресного принципа, если команды программы расположены в ячейках памяти с последовательно возрастающими адресами, для перехода к следующей команде достаточно в процессоре увеличить адрес предыдущей команды и выставить его на шину ША. Это автоматическое изменение адресов команд и составляет основу автоматического управления ходом вычислительного процесса в ЭВМ.

1.8. Классификации ЭВМ

Существует множество классификаций ЭВМ по различным основаниям. Наиболее часто в различных библиографических источниках можно встретить классификации по следующим основаниям [1,гл. 1; 2,§ 1.2]:

физическому представлению информации;

поколениям (этапам создания и элементной базе) ЭВМ; Приведем другие.

a)По основным параметрам) и архитектуре традиционно различают 4 основных класса ЭВМ:

МикроЭВМ - IBM РС, ХТ, AT и т.п.

Мини-ЭВМ - ЕС ЭВМ, DEC,VAХ

Средние ЭВМ (Мэйнфреймы) - БЭСМ, Эльбрус

СуперЭВМ - AlfaServer, Parsytec, Cray T3D, Квант.

b)По назначению ЭВМ в компьютерной сети:

Машины-пользователи (рабочие станции). Рабочие станции – как правило, это младшие модели мини- и микро-ЭВМ, предназначенные для работы с одним пользователем.

Обслуживающие машины (серверы). Серверы предоставляют пользователю определенные ресурсы. Важной характеристикой сервера является объем памяти и скорость обработки данных. В качестве серверов часто используют ВС.

c)По типу обрабатываемых данных:

8

ЭВМ и ПУ, лекция 1 1Щемелева Т.К.

ЭВМ со скалярной обработкой данных. Каждая команда обрабатывает только одиночные операнды - скаляры. Например, пересылка одного элемента данных; сложение двух элементов данных.

ЭВМ с векторной обработкой данных. Имеет команды, каждая из которых обрабатывает данные, представленные в виде упорядоченного набора элементов, называемого вектором. Пример скалярной машины - традиционная машина фон Неймана, которая значительно уступает по производительности векторным машинам.

Векторная архитектура является основой следующих технологий обработки

информации в современных процессорах ПЭВМ IBM PC:

-MMX - в зависимости от контекста, MMX может означать multi-media extensions (мультимедийные расширения) или matrix math extensions

(матричные математические расширения). Технология MMX использовалась в качестве расширения, благодаря которому ускоряется компрессия/декомпрессия видеоданных, манипулирование изображением, шифрование и выполнение операций ввода-вывода. По одной MMX-команде выполняется операция над 4- мя или 8-ю элементами вектора.

-SSE и SSE2 - Streaming SIMD Extensions — потоковые расширения

SIMD (Single Instruction — Multiple Data - одиночный поток команд — множественный поток данных). Инструкции (пока можно их назвать командами) SSE содержат 70 новых команд для работы с графикой и звуком, распознаванием речи в дополнение к существующим командам MMX.

d)По способам распараллеливания вычислительного процесса:

Суперскалярные – в команде нет явных указаний на распараллеливание, реализуется на базе операционных устройств (ОУ) в виде конвейеров, т.е. одновременно в разных ОУ выполняются разные этапы разных команд;

VLIW (Very Large Instruction Word) – очень длинное слово инструкции – в команде указывается несколько кодов операций и операндов;

Мультискалярные (мультитредовые) – имеют несколько процессорных узлов, каждых со своим счетчиком команд и другими управляющими регистрами.

e)По разделению потоков данных и команд:

ЭВМ с Принстонской архитектурой (часто называется архитектурой фон-Неймана)– характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных, а также для организации стека;

ЭВМ с Гарвардской архитектурой – характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных.

f)По особенностям системы команд – архитектуре процессора можно выделить 2 класса:

ЭВМ с CISCархитектурой, т.е. со сложным набором команд;

9

ЭВМ и ПУ, лекция 1 1Щемелева Т.К.

ЭВМ с RISC архитектурой, т.е. с сокращенным набором команд Различия в концепциях CISC и RISC основаны на следующем.

Разработчики процессоров CISC вводят в систему команд как простые (короткие), так и сложные (длинные команды), например, операция сложить выполняется в АЛУ обычно за 1 такт, а умножение – за десятки тактов. Процессор Intel Pentium насчитывает более сотни различных команд и видится программистом как процессор с CISC-архитектурой. В противоположность CISC существуют процессоры с сокращенным набором команд – RISC-процессоры. Их система команд насчитывает всего лишь несколько десятков основных команд, но все команды, выполняющиеся в АЛУ, имеют одну длину в битах и одну структуру (формат). Благодаря этому они выполняются за одно и тоже время – 1 такт. При этом внутреннее устройства процессора получается намного проще, а команды выполняются много быстрее.

Однако современные процессоры настолько сложны, что в одной модели может быть реализовано сразу оба принципа. Так, в тех же процессорах Pentium обрабатывающая часть (блоки выполнения операций ) имеет RISCархитектуру.

Архитектуры ЭВМ и процессоров продолжают развиваться, поэтому классификации должны дополняться и расширяться.

Для ВС также существует много классификаций. Но здесь приведем только две простейшие из них.

По количеству процессоров различают ВС многопроцессорные и

однопроцессорные.

По количеству ЭВМ - одномашинные и многомашинные.

1.9. Области применения ЭВМ

Наиболее широко используемым классом ЭВМ являются микроЭВМ. Это ЭВМ, выполненные на базе микропроцессоров (МП) и микропроцессорных семейств (наборов). МП - электронный прибор, работающий под управлением программы, выполненный обычно на одном полупроводниковом кристалле по технологии БИС и СБИС.

Выделяют три основных подкласса микроЭВМ:

-Персональные (ПК или ПЭВМ)

-Контроллеры (микроконтроллеры - МК)

-Инструментальные ЭВМ

ПК – микроЭВМ с развитым программным обеспечением, ориентированные на пользователя, т.е. требующие минимум времени для обучения и для ввода в

эксплуатацию, поддерживаемые развитой компьютерной инфраструктурой (сетью магазинов и фирм, готовых осуществлять оперативно и по доступным ценам современный компьютерный сервис).

ПК - наиболее применяемый в настоящее время класс микроЭВМ, изучению которого в основном и посвящен данный курс лекций. Среди ПК самым дешевым и популярным представителем является семейство так называемых IBMсовместимых ПК далее – просто IBM РС, т.е. ПК, выпускаемых традиционно фирмой IBM и другими фирмами по лицензированию.

10