1270. Канал связи

1271. 

1272. Рисунок 4.2. Структурная схема персональной ЭВМ

1273. тактовой частоты шины, следовательно, частота МП является одной из характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в ЭВМ выполняется за определенное количество тактов.

1274. Отличительной особенностью ПК является системная (или общая) шина, которая является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:

1275. - кодовые шины адреса (КША), данных (КШД) и инструкций (КШИ), содержащие провода и схемы сопряжения для передачи кода адреса основной памяти, данных и инструкций соответственно в другие блоки машины;

1276. - шину питания, содержащую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе электропитания.

1277. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1278. 1) между МП и ОП;

1279. 2) между МП и портами ввода-вывода внешних устройств (ВнУ);

1280. 3) между ОП и портами ввода-вывода ВнУ (в режиме прямого доступа к памяти).

1281. Все блоки, а точнее, их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной производится микропроцессором либо непосредственно, либо через дополнительную микросхему контроллера шины, формирующую основные сигналы управления. Остальные блоки ПК (основная память, ВнУ и другие) будут рассмотрены позже.

1282. Из рисунков 4.1. и 4.2. видно, как разделены функции между устройствами ЭВМ.

1283. В общем случае функционирование ЭВМ производится в следующей последовательности:

1284. - инициализация ЭВМ;

1285. - ввод программы и данных в память;

1286. - запуск программы;

1287. - выполнение программы;

1288. - вывод результатов.

1289. Структура и функционирование отдельных подсистем ЭВМ будут рассмотрены в подразделах 4.4 – 4.6 данного раздела.

1291. Тема 4.2. Функциональная организация эвм

1292. Как уже отмечалось, ЭВМ можно рассматривать в двух аспектах: функциональном и структурном.

1293. С функциональной точки зрения ЭВМ - это система абстрактных элементов, в терминах которых представляется информация, относящаяся к данным и алгоритмам, и процессы вычислений, порождаемые алгоритмами.

1294. К числу таких элементов относятся:

1295. - наборы символов и машинные элементы информации;

1296. - машинные операции и команды;

1297. - адреса и способы адресации;

1298. - управляющие слова (слово состояния программы (ССП) и др.).

1299. Структура ЭВМ – это состав элементов и конфигурация связей между ними, определяемая функциями ЭВМ.

1300. Структуры могут различаться при одинаковых функциях. Так, например, структура ЭВМ, приведенная на рисунке 4.1, и структура персональной ЭВМ, имеющей шинную структуру, приведенная на рисунке 4.2., имеют одинаковую функциональную организацию. Различные структуры определяют различные временные характеристики и затраты оборудования. Следовательно, функции являются первичными по отношению к структуре, и поэтому проектирование ЭВМ должно начинаться с конкретизации функций, т.е. с принципа программного управления в плане способов представления информации, способов адресации, типов команд и т.д.

1301. Для обозначения круга вопросов, относящихся к функциональной организации ЭВМ, часто применяют термин архитектура. Существует несколько разных определений архитектуры. Приведем некоторые из них.

1302. Архитектура вычислительной системы – общая логическая организация вычислительной системы (ВС), определяющая процесс обработки данных в конкретной ВС и включающая методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических средств (ТС) и программного обеспечения (ПО).

1303. Фон-неймановская архитектура – организация ЭВМ, при которой ЭВМ состоит из двух основных частей - линейно-адресуемой памяти, слова которой хранят команды и элементы данных, и процессора, выполняющего эти команды.

1304. Архитектура ЭВМ – совокупность основных устройств, узлов и блоков ЭВМ, а также структура основных управляющих и информационных связей между ними, обеспечивающая выполнение заданных функций.

1305. В [10] приведено такое определение: архитектура - это распределение функций, реализуемых системой, по отдельным уровням, и точное определение границ между уровнями.

1306. Рассмотрим кратко абстрактные элементы, определяющие функциональную организацию ЭВМ.

1307. 1. Машинные элементы информации включают:

1308. - двоичные коды;

1309. - байты, слова;

1310. - представление чисел в форме с фиксированной точкой, плавающей точкой, двоично-десятичной форме, символьном виде.

1311. 2. Машинная операция - это действие, инициируемое одной командой и реализуемое оборудованием ЭВМ.

1312. С набором операций связано понятие «системы команд». В систему команд ЭВМ обычно входят следующие типы команд [2]:

1313. - пересылки информации внутри компьютера;

1314. - арифметические и логические операции над информацией;

1315. - операции над строками (текстовой информацией);

1316. - операции обращения к внешним устройствам;

1317. - операции передачи управления (переходы условные и безусловные);

1318. - обслуживания, вспомогательные и др.

1319. Системы команд современных ЭВМ (и, в частности, ПК) содержат более 200 команд.

1320. 3. В ЭВМ применяются следующие способы адресации памяти [7, 11]:

1321. - непосредственная;

1322. - прямая;

1323. - косвенная (базирование и индексирование);

1324. - ассоциативная;

1325. - неявная.

1326. Непосредственная адресация заключается в указании в команде самого значения операнда, а не его адреса.

1327. Прямая адресация состоит в указании в команде непосредственно абсолютного или исполнительного адреса операнда.

1328. Прямая адресация регистра состоит в указании его имени.

1329. Косвенная адресация имеет ввиду указание в команде регистра или адреса ячейки памяти, в которых находится абсолютный, исполнительный адрес операнда или их составляющие.

1330. Ассоциативная адресация – указание в команде не адреса, а идентифицирующего содержательного признака операнда, подлежащего выборке (применяется в ассоциативных запоминающих устройствах).

1331. Неявная адресация – адрес операнда в команде не указан, но он подразумевается кодом операции.

1332. Адресация ячеек основной памяти ПК имеет две разновидности – относительную и стековую [2].

1333. Относительная адресация

1334. В этом виде адресации абсолютный адрес (А_абс) формируется как сумма адресов исполнительного (А_исп) и сегментного (А_сегм)

1335. (А_абс) = (А_исп) + (А_сегм),

1336. где А_сегм – 20-битовый начальный адрес сегмента, который является увеличенным в 16 раз (сдвинутым на 4 бита влево) 16-битовым адресом сегмента А_сегм, хранящимся в одном из 16-битовых сегментных регистров. Начальный адрес сегмента в этом варианте всегда кратен 16 байтам, т.к. сегмент всегда состоит из целого числа параграфов, а параграф равен 16 байт, т.е.

1337. А_сегм = 16·А’_сегм = А’_сегм 0000

1338. 16-битовый исполнительный адрес может в ПК представлять собой сумму трех адресов:

1339. А_исп = А_смещ [+А_баз][+А_инд],

1340. где А_смещ – 16-битовый адрес смещения относительно начала сегмента (или относительно базы, если есть А_баз);

1341. А_баз – 16-битовый адрес смещения базы адреса операнда относительно начала сегмента;

1342. А_инд – адрес индекса (или просто индекс) - дополнительная составляющая часть адреса операнда, использующаяся часто при программировании циклических процессов с массивами и таблицами. Индекс должен быть непосредственно задан в соответствующем регистре МПП.

1343. При адресации данных могут использоваться все составляющие адреса:

1344. А_абс = А_сегм + А_исп = А_сегм + А_смещ[+А_баз][+А_инд],

1345. где А_сегм = 16·А’_сегм

1346. При адресации команд программы могут использоваться только две составляющие адреса:

1347. А_абс = А_сегм + А_исп = А_сегм + А_смещ = А’_сегм·16+А_смещ

1348. Стековая адресация

1349. В стековой памяти (стеке) доступ к ячейкам памяти не произвольный, а по принципу «последний записанный операнд первым считывается» (FILO).

1350. А_абс = А_сегм + [А_баз]+А_смещ

1351. В защищенном (многопрограммном) режиме работы микропроцессора начальные адреса сегментов хранятся в таблицах дескрипторов и имеют длину 24 или 32 бит (в зависимости от типа МП). В сегментных регистрах в этом режиме хранятся селекторы, содержащие адресные ссылки на соответствующие таблицы дескрипторов.

1352. Тема 4.3. Режимы работы эвм

1353. ЭВМ могут выполнять обработку информации в разных режимах (рисунок 4.3. [2]):

1354. 

      Режимы работы ЭВМ

1355. Рисунок 4.3. Классификация режимов работы ЭВМ

1357. Как видно из рисунка 4.3., ЭВМ могут работать

1358. - в однопрограммном (монопольном) режиме;

1359. - в многопрограммном режиме.

1360. Однопрограммный режим использования компьютера самый простой и применяется во всех поколениях компьютеров. Из современных ЭВМ такой режим чаще всего используется в ПК, где он называется реальным режимом МП. В этом режиме все ресурсы ПК передаются одному пользователю. Пользователь сам готовит и машину, и всю необходимую информацию, загружает программу и данные, непосредственно наблюдает за ходом решения задачи и выводом результатов. Такой вариант режима называют режимом непосредственного доступа.

1361. Имеется и второй вариант однопрограммного режима – вариант косвенного доступа, при котором пользователь не имеет непосредственного контакта с компьютером. В этом варианте пользователь готовит свое задание и отдает его на машину. Задача запускается в порядке очередности, и по мере готовности результаты ее решения выдаются пользователю. Этот вариант сейчас практически на ПК не применяется.

1362. Однопрограммный режим непосредственного доступа более удобен для пользователя, но для него характерен очень низкий коэффициент загрузки оборудования как при подготовке задач, так и в процессе их решения (так, при вычислениях простаивают внешние устройства, при печати простаивает процессор, основная и внешняя память и т.д.). Поэтому в современных ПК (для которых характерен именно однопрограммный режим в силу их «персональности»), последний в МП дополняется многоступенчатой суперконвейерной обработкой данных, использующей некоторые элементы многопрограммности.

1363. Многопрограммный режим (его называют также мультипрограммным, многозадачным, а в ПК - многопользовательским) обеспечивает лучшее использование ресурсов компьютера, но несколько ограничивает интересы пользователя. Естественно, такое разделение ресурсов может выполняться только автоматически.

1364. Простейшим вариантом многопрограммного режима является режим пакетной обработки. Он в максимальной степени обеспечивает загрузку всех ресурсов машины и наименее удобен пользователю. В классических системах пакетной обработки информации все подлежащие решению задачи анализировались и объединялись в различные группы (пакеты) с целью обеспечения в пределах пакета равномерной загрузки всех устройств машины. После формирования всех пакетов они по очереди запускались на обработку. Пользователь в этом режиме обращался к машине два раза: на ввод задания и на получение результатов (по современной терминологии такой режим относится к режимам группы “offline”).

1365. В ПК этот режим претерпел существенные изменения и сводится по существу к последовательному решению одновременно поступивших задач (пакета задач) в соответствии с их приоритетностью и временем поступления. Переход к выполнению следующей задачи выполняется только после окончательного завершения текущей. Отметим, что в развитых системах такой пакетной обработки при внезапном поступлении информации по более приоритетной задаче, выполняемая на ПК менее приоритетная задача уступает свое место (прерывается).

1366. Второй вариант многопрограммного режима – режим разделения времени характерен тем, что на машине действительно решается несколько задач, каждой из которых по очереди выделяются кванты времени, обычно недостаточные для полного решения задачи. Условием прерывания решения текущей задачи служит либо истечение кванта выделенного времени, либо обращение к процессору какого-либо приоритетного внешнего устройства, например, клавиатуры для ввода информации.

1367. Режим реального времени – еще один вариант режима с разделением машинного времени. Этот режим применяется в основном в динамических системах управления и диагностики, когда строго регламентируется время ответа системы (выполнения задания) на случайно поступающие запросы.

1368. Все режимы разделения машинного времени обеспечивают пользователю работу в режиме “online”.

1369. Очевидно, что наиболее сложным является многопрограммный режим. Для обеспечения этого режима работы в ЭВМ должны быть выполнены следующие требования:

• Наличие средств, управляющих порядком выполнения задач.

• Емкость памяти, достаточная для размещения информации, относящейся к нескольким задачам.

• Защита памяти.

• Система прерывания программ (для сообщения об особых ситуациях, возникающих при выполнении программ).

• Возможность параллельной работы процессора и системы ввода-вывода.