Arkhitektura_EVM_uchebnoe_posobie

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Андриенко В.Н. Шамарин Ю.В.

АРХИТЕКТУРА ЭВМ

Учебное пособие

Донецк ДонНУ 2008

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Андриенко В.Н. Шамарин Ю.В.

Архитектура ЭВМ

Учебное пособие

Донецк ДонНУ 2008

СОДЕРЖАНИЕ

3

ВВЕДЕНИЕ

Современные электронно-вычислительные машины и вычислительные системы являются одним из самых значительных достижений научной и инженерной мысли, влияние которого на прогресс во всех областях человеческой деятельности трудно переоценить

Электронные вычислительные машины (ЭВМ) и информационновычислительные сети являются в современном обществе самыми востребованными ресурсами. Войдя в человеческую жизнь, компьютеры сейчас стали неотъемлемой частью нашей цивилизации. И хотя первая ЭВМ с автоматическим программным управлением была создана чуть более полувека назад, к настоящему моменту насчитывается уже пять поколений вычислительных машин. Столь бурного развития, вероятно, не претерпевала ни одна технология.

Действительно, если первая большая ЭВМ «Эниак» (1946 г.) – занимала площадь около 90 м2, весила более 30 т и потребляла мощность 140 кВт, то современный микропроцессор, способный вместить все электронное оборудование такой машины, имеет площадь всего 1,5-2 см2, обеспечивая при этом такую вычислительную мощность, которая превышает суммарную вычислительную мощность всех ЭВМ, имевшихся в мире в середине 60-х годов. Первая ЭВМ содержала около 18 тысяч электронных ламп, а сейчас 0,09-микронные технологии позволяют разместить в поперечном срезе человеческого волоса в десятки раз большее количество электронных компонентов.

Внастоящем учебном пособии рассмотрены основные понятия архитектуры ЭВМ и различные архитектуры построения ЭВМ, представлена концепция классической архитектуры, изложены арифметико-логические основы построения ЭВМ, описаны основные компоненты классической ЭВМ: процессор, память, устройства ввода/вывода.

Впервой главе определено понятие ЭВМ и ее архитектуры, приведены основные характеристики и классификация ЭВМ. Описана история создания электронно-вычислительных машин. Изложена концепция построения классической ЭВМ, и рассмотрены вопросы классификации архитектуры системы команд.

Вторая глава посвящена арифметико-логическим основам ЭВМ. Рассмотрены вопросы применения систем счисления, алгоритмы перевода чисел из одной системы счисления в другую, способы представления числовой и нечисловой информации в ЭВМ. Изложены теоретические вопросы логической основы ЭВМ – алгебры логики.

Третья глава рассматривает основной узел ЭВМ – микропроцессор. В качестве примера выбран микропроцессор фирмы Intel 8086. Приведены структура микропроцессора, назначение регистров, построение адресного пространства, форматы и кодирование команд, способы адресации операндов, система команд. Представлены сведения об Ассемблере и программировании простейших программ для ЭВМ.

Вчетвертой главе рассматриваются вопросы построения памяти ЭВМ.

4

Приведены характеристики систем памяти и иерархия запоминающих устройств. Изложены виды основной и внешней памяти, их характеристики. Представлены алгоритмы работы кэш-памяти и памяти на магнитных дисках с избыточностью.

Пятая глава посвящена вопросам организации ввода/вывода информации в ЭВМ и использованию различных внешних устройств. Изложены принципы организации ввода/вывода. Представлены основные внешние устройства ЭВМ: системы визуального отображения информации, принтер, клавиатура.

В главе шестой рассмотрены основные направления и тенденции развития современных ЭВМ.

Для оценки степени усвоения материала в конце каждой главы помещен список вопросов.

Авторы внесли следующий вклад при подготовке учебного пособия. Введение, первая и шестая глава написаны Андриенко В.Н., вторая, третья, четвертая и пятая – Шамариным Ю.В.

5

Глава 1

НАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭВМ

1.1. Введение в архитектуру ЭВМ

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) – комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится решение задачи на ЭВМ.

Архитектура ЭВМ – это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию. Понятие архитектуры ЭВМ включает в себя:

структурную схему ЭВМ; средства и способы доступа к элементам структурной схемы; организацию интерфейсов ЭВМ;

организацию и способы адресации памяти; способы представления и форматы данных ЭВМ; набор и форматы машинных команд.

Приведем другое определение архитектуры ЭВМ.

Архитектура ЭВМ – многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженерысхемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Програм- мисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ.

Самого же пользователя интересуют обычно более общие вопросы, касающиеся его взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ;

возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры; состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная

система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

6

Одной из важнейших характеристик ЭВМ является ее быстродействие, которое характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Поскольку в состав команд ЭВМ включаются операции, различные по длительности выполнения и по вероятности их использования, то имеет смысл характеризовать его или средним быстродействием ЭВМ, или предельным (для самых «коротких» операций).

Реальное или эффективное быстродействие, обеспечиваемое ЭВМ, значительно ниже, и оно может сильно отличаться в зависимости от класса решаемых задач. Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ, резко отличающихся друг от друга своими характеристиками, не обеспечивает достоверных оценок. Поэтому очень часто вместо характеристики быстродействия используют связанную с ней характеристику производительности – объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени. Например, можно определять этот параметр числом задач, выполняемых за определенное время. Однако сравнение по данной характеристике ЭВМ различных типов может вызвать затруднения. Поскольку оценка производительности различных ЭВМ является важной практической задачей, хотя такая постановка вопроса также не вполне корректна, были предложены к использованию относительные характеристики производительности.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации является бит – одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения – байтах (байт равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат: 1 Кбайт = 1024 байта = 210 байта, 1 Мбайт = 1024Kбaйтa = 220 байта, 1 Гбайт = 210 Мбайта = 1024 Мбайта = 230 байта.

Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. Емкость внешней памяти зависит от типа носителя.

Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени.

Точность – возможность различать почти равные значения. Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными единицами представления информации (байтом, словом, двойным словом).

1.2.Классификация ЭВМ

Внастоящее время в мире произведены, работают и продолжают выпускаться миллионы вычислительных машин, относящихся к различным поколениям, типам, классам, отличающихся своими областями применения, техническими характеристиками и вычислительными возможностями. Традиционно вычислительную технику (ВТ) подразделяют на аналоговую и цифровую.

Ваналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информа-

7

ция представляется соответствующими значениями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механизма и т.п.

Эти машины обеспечивают приемлемое быстродействие, но не очень высокую точность вычислений (0,001-0,01). Распространены подобные машины не очень широко. Они используются в основном в проектных и научноисследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники. По своему назначению их можно рассматривать как специализированные вычислительные машины.

В настоящее время под словом ЭВМ обычно понимают цифровые вычислительные машины, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел.

Академик В.М. Глушков указывал, что существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным – применение ЭВМ для автоматизации вычислений.

Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта.

Можно предложить следующую классификацию ЭВМ, в основу которой положено их разделение по быстродействию:

суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных;

большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров;

средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами, могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов;

персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять ин-

дивидуальные потребности пользователей, являющиеся основой для создания автоматизированных рабочих мест (АРМ) для специалистов различного уровня; встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управ-

ления отдельными устройствами и механизмами.

1.3. История развития вычислительной техники

Современное состояние ЭВМ являет собой результат многолетнего развития. В традиционной трактовке развитие ВТ представляют как последовательную смену поколений. Появление термина «поколение» относится к 1964 году, когда фирма IBM выпустила серию компьютеров IBM 360, назвав эту серию «компьютерами третьего поколения». Сам термин имеет разные определения, наиболее популярными из которых являются:

поколения вычислительных машин – это сложившееся в последнее время разбиение вычислительных машин на классы, определяемые элементной базой и производительностью;

8

поколения компьютеров – нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и, в последнее время, программных средств.

В качестве узловых моментов, определяющих появление нового поколения ВТ, обычно выбираются революционные идеи или технологические прорывы, кардинально изменяющие дальнейшее развитие средств автоматизации вычислений. Одной из таких идей принято считать концепцию вычислительной машины с хранимой в памяти программой, сформулированную Джоном фон Нейманом. Взяв ее за точку отсчета, историю развития ВТ можно представить в виде трех этапов:

донеймановского периода; эры вычислительных машин и систем с фон-неймановской архитектурой;

постнеймановской эпохи – эпохи параллельных и распределенных вычислений.

Значительно большее распространение, однако, получила привязка поколений к смене технологий. Принято говорить о «механической» эре (нулевое поколение) и последовавших за ней пяти поколениях ВС. Первые четыре поколения традиционно связывают с элементной базой вычислительных систем: электронные лампы, полупроводниковые приборы, интегральные схемы малой степени интеграции (ИМС), большие (БИС), сверхбольшие (СБИС) и ультрабольшие (УБИС) интегральные микросхемы. Пятое поколение в общепринятой интерпретации ассоциируют не столько с новой элементной базой, сколько с интеллектуальными возможностями ВС.

Нулевое поколение (1492-1945)

Необходимо заметить, что первые счеты – абак, изобретенные в древнем Вавилоне за 3000 лет до н.э., и их более «современный» вариант с косточками на проволоке, появившийся в Китае примерно за 500 лет также до н.э.

«Механическая» эра (нулевое поколение) в эволюции ВТ связана с механическими, а позже – электромеханическими вычислительными устройствами. Основным элементом механических устройств было зубчатое колесо. Начиная с XX века роль базового элемента переходит к электромеханическому реле. Не умаляя значения многих идей «механической» эры, необходимо отметить, что ни одно из созданных устройств нельзя с полным основанием назвать вычислительной машиной в современном ее понимании.

Первое поколение (1937-1953)

На роль первой в истории электронной вычислительной машины в разные периоды претендовало несколько разработок. Общим у них было использование схем на базе электронно-вакуумных ламп вместо электромеханических реле. Предполагалось, что электронные ключи будут значительно надежнее, поскольку в них отсутствуют движущиеся части, однако технология того времени была настолько несовершенной, что по надежности электронные лампы оказались ненамного лучше, чем реле. Однако у электронных компонентов имелось одно важное преимущество: выполненные на них ключи могли переключаться примерно в тысячу раз быстрее своих электромеханических аналогов.

9