01 семестр / К экзамену-зачёту / экзамен / экзамен / 13_3xN / тема1

ТЕМА 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЭВМ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Становление информатики как науки, изучающей процессы передачи,

накопления и обработки информации и базирующейся на вычислительной технике

относится к 60-м годам ХХ столетия. Основу современного содержания

информатики составляют вычислительные машины и машинная обработка информации.

Современный этап в развитии вычислительных машин начался в 40-х годах ХХ

столетия.

Вычислительная машина - физическая система (устройство или комплекс

устройств), предназначенная для механизации и автоматизации процесса

алгоритмической обработки информации и вычислений. В настоящее время

наиболее распространены электронные цифровые вычислительные машины,

построенные на базе электронных элементов и оперирующие информацией,

представленной в дискретном (цифровом) виде.

Если требуется решить на ЭВМ задачу, то необходимо разработать алгоритм

- способ действий, ясно и недвусмысленно объясняющий этапы вычислений,

которые должны быть выполнены над исходными данными задачи, чтобы получить

корректное решение (когда оно существует) за конечное время. Алгоритм -

предписанная совокупность четко определенных правил или процессов для

решения задачи за конечное число шагов. Алгоритм, предназначенный для

использования на ЭВМ, должен быть записан в виде программы на языке

программирования - специально выбранной нотации, посредством которой

определяются алгоритмы с той степенью детализации, которая пригодна для

автоматической интерпретации.

Язык программирования - совокупность средств и правил представления

алгоритма в виде, пригодном для выполнения ЭВМ. Программа - запись алгоритма

на некотором языке программирования. Содержательно, т. е. по существу, язык

программирования - это средство общение между человеком, или, как еще

говорят, пользователем языка, и ЭВМ. В последнее время языки

программирования приобрели и другие важные функции - они стали средством

общения между людьми и средством мышления. Спектр языков программирования

широк - от языков низкого уровня (машинных команд) до языков высокого уровня

близких к естественному языку или (если угодно) к привычному языку

математиков.

Создание языков программирования высокого уровня само по себе еще не

обеспечивает полностью возможность решения задачи на ЭВМ. Для этого

необходимо перевести (транслировать) программу с языка программирования

высокого уровня на язык машины. Транслятор - это программа (или устройство),

которая читает программу на одном языке (исходном языке), и переводит ее в

эквивалентную программу на другом языке (целевом языке).

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ

Цель классификации - разделить множество существующих и мыслимых ЭВМ

на непересекающиеся подмножества - классы, чтобы свойства и закономерности,

присущие конкретной ЭВМ, можно было бы определить исходя из свойств и

закономерностей, присущих классу, к которому относится ЭВМ. Классификация

проводится на основе свойств функций, структур и характеристик ЭВМ,

называемых признаками классификации.

По виду перерабатываемой информации ЭВМ делят на три основных класса:

аналоговые (информация представлена в виде непрерывно изменяющихся

физических величин), цифровые (информация представлена в дискретном виде) и

гибридные (или комбинированные).

По области применения, т. е. по назначению ЭВМ делят на два основных

класса: универсальные (для решения широкого класса научно-технических и

планово-экономических задач) и проблемно-ориентированные или

специализированные (для решения ограниченного круга задач). В классе

специализированных ЭВМ часто выделяют подкласс ЭВМ, управляющих реальными

процессами или объектами.

По производительности ЭВМ делят на три основных класса: большие,

средние и малые. ЭВМ различной производительности имеют существенно различную

организацию. Однако оценка производительности ЭВМ - процесс сложный и пока

еще не доведенный до уровня общепринятого стандарта. Поэтому классификация

ЭВМ по производительности заменяется классификаций по быстродействию

процессоров. (Процессор - устройство или функциональная часть ЭВМ,

предназначенная для интерпретации программы.)

По способу функциональной организации выделяются следующие классы ЭВМ:

однопрограммные, многопрограммные или мультипрограммные (для параллельной

обработки нескольких задач за счет совмещения во времени процессорной

обработки одних задач с вводом выводом информации, относящейся к другим

задачам) и ЭВМ, работающие в реальном масштабе времени (в системах управления

реальными объектами и в информационно-измерительных системах).

По способу структурной организации ЭВМ принято подразделять на два

класса: однопроцессорные и многопроцессорные или мультипроцессорные.

Мультипроцессорная ЭВМ может состоять как из однотипных, так и разнотипных

процессоров. В первом случае мультипроцессорная ЭВМ называется однородной,

в последнем - неоднородной.

По используемой элементной базе, а также по способам функциональной и

структурной организации ЭВМ принято делить на поколения: I поколение (

элементная база - электронные лампы), II поколение (элементная база -

полупроводниковые дискретные электрорадиокомпоненты), III поколение (

элементная база - интегральные схемы малого и среднего уровня интеграции),

IV поколение (элементная база - большие интегральные схемы (БИС)),

V поколение (элементная база - сверхбольшие интегральные схемы (СБИС),

применение принципа "управления потоками данных" (в отличие от принципа

фон Неймана "управления потоками команд"), использование принципов

искусственного интеллекта).

Классификация ЭВМ может быть продолжена путем рассмотрения

второстепенных признаков классификации.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭВМ

Возможности ЭВМ как средства выполнения вычислений определяются

посредством технических характеристик, основными из которых являются:

операционные ресурсы, емкость памяти, быстродействие, производительность,

надежность и стоимость.

Операционные ресурсы ЭВМ определяются в основном способом представления

информации (множеством форматов, используемых в ЭВМ для представления

чисел, логических значений и символьной информации (текстов)) и системой

команд (перечнем команд, определяющим номенклатуру операций, и способов

адресации информации).

Память ЭВМ разделяется на основную и внешнюю. Емкость основной памяти

чаще всего расчитывают в следующих единицах: Кбит, Кбайт, Мбайт, Гбайт, Тбайт,

где К = 1024 и читается "кило", М = 1024*1024 и читается "мега",

Г = 1024*1024*1024 и читается "гига", Т = 1024*1024*1024*1024 и читается

"тетра". Емкость внешней памяти определяется суммарной емкостью накопителей,

подключаемых к ЭВМ и чаще всего расчитывают в следующих единицах: Мбайт и

Гбайт.

Быстродействие ЭВМ определяется количеством элементарных операций

(сложение, сдвиг и др.), выполняемых в единицу времени.

Производительность ЭВМ определяется средним количеством задач,

обрабатываемых за единицу времени

Надежность ЭВМ - это свойство ЭВМ выполнять возложенные на нее функции

в течение заданного промежутка времени. Работоспособность ЭВМ нарушается в

результате отказов оборудования, возникающих из-за неисправности элементов и

соединений. Отказы - случайные события, частоту которых принято

характеризовать величиной, называемой интенсивностью отказов. Интенсивность

отказов - это среднее число отказов за единицу времени. Интенсивность

отказов - основная характеристика надежности, на основе которой определяется

ряд других характеристик.

Стоимость ЭВМ равна суммарной стоимости оборудования, входящего в состав

ЭВМ.

ПРИНЦИП ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Современные ЭВМ строятся на одном принципе - принципе программного

управления. В основе этого принципа лежит представление алгоритма в форме

операторной схемы, которая задает правило вычислений как композицию

операторов (операций над информацией) двух типов: операторов, обеспечивающих

преобразование информации, и операторов, анализирующих информацию с целью

определения порядка выполнения операторов. Принцип программного управления

может быть реализован в ЭВМ многими способами. Один из способов реализации

программного управления был предложен в 1945 г. Дж. фон Нейманом, и с тех пор

неймановский принцип программного управления используется в качестве

основного принципа всех соврем енных ЭВМ.

Неймановский принцип программного управления состоит в следующем:

1. Информация кодируется в двоичном форме и разделяется на единицы

(элементы) информации, назаваемые словами.

2. Разнотипные слова информации различаются по способу использования,

но не способами кодирования.

3. Слова информации размещаются в ячейках памяти машины и

идентифицируются номерами ячеек, называемых адресами слов.

4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих

слов, которые определяют наименование операции и слова информации,

участвующие в операции, и называются командами. Алгоритм, представленный

в терминах машинных команд, называется программой.

5. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к

последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом

программой.

СОСТАВ И ПОРЯДОК ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭВМ

Номенклатура устройств ЭВМ органически проистекает из неймановского

принципа программного управления и свойств технических средств,

обеспечивающих обработку, хранение, ввод и вывод информации.

Вычисления, заданные программой, реализуются процессором. Процессор,

выполняющий в данной вычислительной системе основные функции по обработке

данных и управлению работой других частей этой системы, принято называть

цинтральным процессором. Центральный процессор включает в себя устройство

управления, предназначенное для автоматического управления всеми

устройствами ЭВМ в соответствии с алгоритмом ее функционирования,

арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические

операции, и процессорную память.

Для хранения информации служит память. В памяти размещаются программы,

задающие порядок вычислений, и данные, представляющие исходные значения,

промежуточные и конечные результаты вычислений. В общем случае память

требуемой емкости, достаточно высокого быстродействия и умеренной стоимости

должна состоять из многих разнотипных запоминающих устройств как

быстродействующих и вместе с тем малоемких и дорогих, так и

медленнодействующих, но дешевых и имеющих большую емкость. В простейшем

случае память по отношению к процессору имеет двухуровневую структуру. К

первому уровню относится основная память (например, полупроводниковые

запоминающие устройства), а ко второму уровню - внешняя память (например,

накопители на магнитных дисках). Для уменьшения затрат времени на обработку

информации стремятся уменьшить количество обращений к основной памяти со

стороны процессора. Этого можно достичь, если процессор снабдить местной

(внутренней, регистровой) памятью. Обычно емкость внутренней памяти не

превосходит нескольких десятков слов информации.

Работа ЭВМ протекает следующим образом. После загрузки машинной программы

в память ЭВМ и адреса первой выполнимой команды в регистр адреса команды

процессор начинает выполнять программу от команды с заданным адресом, что

сводится к последовательной выборке команд из памяти и их выполнению средствами

процессора и устройств ввода-вывода. Этот процесс заканчивается в момент

выборки команды, отмечающей конец вычислений. Обычная последовательность

выполнения команд нарушается командами перехода с целью обращения к

подпрограмме, при выполнении цикла, а также в том случае, когда в результате

анализа информации требуется принять решение.

При возникновении определенных условий вне центральных устройств ЭВМ,

во внешних устройствах ЭВМ или в самих центральных устройствах ЭВМ формируется

прерывание, позволяющее изменить состояние процессора. Насчитывается несколько

классов прерываний, обработка каждого из которых состоит в запоминании

информации, указывающей причину прерывания, в запоминании текущего состояния

процессора и формировании нового состояния процессора в качестве текущего.

Старое состояние процессора хранит всю информацию о его состоянии в момент

прерывания. Если в конце программы, получившей управление в результате

прерывания, имеется команда, заменяющая текущее состояние процессора на старое,

то процессор восстановит состояние, предшествующее прерыванию, и выполнение

прерванной программы будет продолжено.

С точки зрения логики работы процессор обрабатывает команды по одной,

причем выполнение следующей команды не начинается до тех пор, пока не будет

выполнена предыдущая команда; после осуществления перехода выполняется команда,

указанная адресом перехода. Точно так же прерывание происходит после выполнения

предыдущей команды, но до начала выполнения последующей. Последовательность

событий, соответствующая такому порядку работы, иногда называется

концептуальной последовательностью или концептуальным порядком.

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ

Структурная организация ЭВМ определяет, как устроена ЭВМ, из каких

физических частей она состоит и как эти части связаны друг с другом.

Устройства ЭВМ соединяются между собой в структуру с помощью цепей,

предназначенных для передачи электрических сигналов. Одна цепь позволяет

передавать в один момент времени бит информации, представленный двоичным

сигналом со значением 0 или 1. Совокупность цепей, связывающих два

устройства, и алгоритм определяющий порядок передачи между устройствами

называется интерфейсом (сопряжения).

Цепи интерфейса в зависимости от их назначения, определяемого типом

передаваемых сигналов, принято делить на три группы: информационные,

осведомительные и управляющие. Информационные цепи принято делить на две

группы: цепи для передачи адреса памяти или порта ввода-вывода и цепи для

передачи данных.

Физический канал передачи электрических сигналов в ЭВМ для связи между

устройствами называтся шиной. Различают однонаправленные шины, по которым

передача сигналов или данных осуществляется только в одном направлении, и

двунаправленные, обеспечивающие передачу сигналов в обоих направлениях.

Шины, в которых одни и те же линии используются для передачи как адресов,

так и данных, называются мультиплексными.

ЭВМ строятся на основе модульного принципа, по которому отдельные

модули (процессоры, запоминающие и внешние устройства) могут быть связаны в

необходимую конфигурацию без изменения схем модулей. Чтобы дотичь этого,

необходимо стандартизовать интерфейсы - установить единые правила сопряжения

определенного класса устройства. Если внешние устройства имеют стандартный

интерфейс, ЭВМ можно укомплектовать необходимой для конкретной цели

номенклатурой внешних запоминающих устройств и устройств ввода-вывода без

каких либо схемотехнических доработок - простым подключением кабелей. Такой

же эффект достигается стандартизацией интерфейсов основной памяти и интерфейсов

процессоров, посредством которых несколько процессоров могут быть связаны в

вычислительный комплекс.

Основным признаком, по которому различают структурные организации ЭВМ,

является способ соединения центральных устройств ЭВМ с внешними устройствами.

Внешние устройства действуют со значительно меньшей скоростью, чем центральные

устройства. Архитектура ввода-вывода должна обеспечивать обмен информацией

между центральными устройствами и внешними устройствами без снижения

производительности ЭВМ. На практике получили широкое распространение два

способа, в основе которых лежат следующие концепции: концепция единого

интерфейса (или общей шины) и концепция канала ввода-вывода.

Концепция единого интерфейса.

Центральный процессор (ЦП), основная память (ОП) и внешние устройства (ВУ)

подключаются к общей шине (ОШ). Для подключения ВУ к ОШ используются устройства

управления внешними устройствами (контроллеры). Контроллер выполняет две важные

функции: обеспечивает буферизацию и стандартный интерфейс. Буферизация в

контроллере выполняется следующим образом: по мере чтения записей медленным

ВУ контроллер размещает каждый символ в буфере, пока не будет укомплектована

полная запись, которая затем передается по ОШ; аналогично выходная запись

может быть принята из ОШ с большой скоростью и размещена в буфере, с тем чтобы

в последующем переслать ее со значительно меньшей скоростью в медленное ВУ.

Связь между устройствами осуществляется по ОШ с захватом шины. Так как

запрос на выполнение операции ввода-вывода может поступить от нескольких

устройств одновременно, то возникает задача определения очередности на захват

ОШ устройствами. Эта задача решается путем назначения приоритетов, определяющих

преимущественное право устройств на использование ОШ. Наивысшие приоритеты

присваиваются высокоскоростным ВУ. Процессору присваивается низший приоритет,

поэтому ввод-вывод протекает в режиме приостановок процессора: при наличии

запроса на передачу информации обращение ЦП к ОП блокируется до момента

освобождения ОШ и ОП от обслуживания работающих ВУ.

Для обмена информациией между ОП и высокоскоростными ВУ такой режим

ввода-вывода непригоден, поскольку не обеспечивает высокой скорости передачи

информации. Поэтому для таких ВУ обеспечивают прямой доступ к ОП с помощью

контроллера прямого доступа к памяти (ПДП). Работа контроллера ПДП в составе

ЭВМ заключается в следующем:

1. Контроллер ВУ выдает на контроллер ПДП сигнал запроса.

2. Контроллер ПДП подает запрос на захват ОШ в ЦП.

3. ЦП отвечает на него сигналом, отключающим его от шин адреса и данных,

предоставляя тем самым контроллеру ПДП право управлять ОШ.

4. На запрашивающее ВУ возвращается сигнал, приводящий контроллер ВУ в

действие.

5. Контроллер ПДП генерирует адреса и сигналы управления ввода-вывода,

после чего между контроллером ВУ и ОП происходит обмен данными.

6. По завершению передачи данных ЦП извещается об освобождении ОШ.

Описанные действия повторяются каждый раз, когда контроллер ВУ выдает на

контроллер ПДП сигнал запроса и, заняв у ЦП один машинный цикл управления ОШ,

выполняет операции ввода-вывода. Можно построить контроллер ПДП, реализующий

более разнообразные функции.

В машинах, построенных на основе концепции единого интерфейса, для

подключения к ОШ дополнительных модулей ОП требуется и дополнительное

оборудование - устройство управления ОП. Более экономичной является структура

с выделенной ОП. В ней ОП подключается к ЦП с помощью интерфейса ОП, ВУ

подключаются к ЦП с помощью интерфейса ввода-вывода и сохраняется возможность

прямого доступа к памяти с помощью контроллера ПДП.

Единый интерфейс является высокоэффективным способом организации обмена

информации в ЭВМ, которые комплектуются небольшим числом ВУ, работающих в

режиме ПДП. Такая комплектация типична для мини- и микро-ЭВМ.

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПЭВМ

Персональная ЭВМ (ПЭВМ) - это ЭВМ на базе БИС и СБИС, используемая в

качестве рабочего места специалиста (как правило не в области вычислительной

техники) и предназначенная для решения его профессиональных задач. ПЭВМ

может использоваться в автономном режиме, локальных вычислительных сетях

(в качестве рабочей станции) и системах телеобработки данных (в качестве

удаленного абонентского пункта). Структурная организация ПЭВМ является

развитием структурной организации ЭВМ на основе концепции единого интерфейса.

В настоящее время наиболее популярной на рынке ПЭВМ является линия IBM-

совместимых ПЭВМ на основе микропроцессоров (МП) семейства i80x86 фирмы Intel.

(Микропроцессор - это ЦП в виде одной или нескольких БИС или СБИС) Этой линии

противостоит небольшое число фирм во главе с Apple, ориентирующихся на

архитектуру МП семейства MC680x0 фирмы Motorola.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ МП СЕМЕЙСТВА i80x86

МП семейства i80x86 могут работать в трех режимах: реальном, защищенном,

виртуальном 8086.

Реальный режим является упрощенным режимом для МП i80x86, в этом режиме

он использует объектные коды МП 8086. Поэтому реальный режим широко

используется в ПЭВМ, работающих под управлением операционной системы MS-DOS.

Для программиста МП i80x86 в реальном режиме представляется как МП 8086,

работающий с большей скоростью и имеющий расширенную систему команд и набор

регистров. Физическое адресное пространство - 1 Мбайт. Модель памяти -

сегментированная. Максимальная величина сегмента - 64 Кбайта. Страничное

преобразование адреса запрещено, и линейный адрес соответствует физическому.

Большинство архитектурных и схемотехнических усовершенствований в

МП i80x86 вводились для поддержки режима многозадачности. Механизм

многозадачности позволяет одновременно выполнять несколько программ. Каждая

программа или задача может иметь свои сегменты данных и кодов программ.

В защищенном режиме МП i80x86 позволяет защитить операционную систему от

несанкционированного доступа со стороны программ пользователя, а также

изолировать задачи друг от друга. В защищенном режиме может быть использована

как сегментная, так и страничная организация памяти. Размер сегмента может

достигать 4 Гбайт, а число сегментов для отдельной задачи - 16000.

Режим виртуального 8086 формирует в МП i80x86 одномегабайтную адресную

среду, предназначенную для программ, написанных для МП 8086. Но так как объем

памяти не лимитирован 1 Мбайтом, то в памяти может быть одновременно образовано

несколько виртуальных сред 8086. Например, в каждой такой среде может

существовать собственная копия MS-DOS и прикладная программа. Таким образом

порождается многозадачный режим. Задача виртуального режима состоит из

непосредственно программы, разработанной для МП 8086, и монитора виртуальной

машины, написанного в кодах МП i80x86. Сам монитор виртуальной машины - это

программа, написанная для защищенного режима МП i80x86.

С точки зрения программиста режимы работы МП отличаются способом

вычисления физических адресов и обработки прерываний.

АДРЕСАЦИЯ ПАМЯТИ В РЕАЛЬНОМ РЕЖИМЕ МП СЕМЕЙСТВА i80x86

МП 8086 делит адресное пространство на несколько различных сегментов,

например на сегменты данных, кодов программы, стека. Размер сегмента может

достигать 64 Кбайт. Адрес первого байта сегмента всегда кратен 16 и называется

базой сегмента, селектором сегмента или параграфом сегмента. Физический адрес

байта формируется из двух компонент: 16-разрядного эффективного адреса и

селектора сегмента (обычно содержащегося в соответствующем сегментном

регистре), сдвинутого влево на 4 разряда (20-разрядного адреса). Эффективный

адрес в общем случае вычисляется как сумма значений регистра базы, индексного

регистра и смещения. В простейшем случае эффективный адрес задается смещением,

которое указывает расположение байта относительно начала сегмента. При записи

20-разрядного адреса часто употребляется форма с селектором сегмента и

смещением, разделенными двоеточием. Например, 20-разрядный адрес FFE6Eh можно

записать так FFE4h:002Eh. Следует заметить, что один и тот же физический адрес

можно записать несколькими способами, в зависимости от выбранного селектора

сегмента.

ОБРАБОТКА ПРЕРЫВАНИЙ В РЕАЛЬНОМ РЕЖИМЕ МП СЕМЕЙСТВА i80x86

В реальном режиме адрес входа в программу обработки прерывания (обработчик

прерывания) состоит из 4 байтов: 2-байтного селектора сегмента и 2-байтного

относительного смещения. Такая пара 2-байтных машинных слов, называемая

вектором прерывания, хранится в таблице векторов прерываний для 256 векторов,

находящейся в ОП с линейного адреса 0. Адрес вектора любого прерывания

получается путем умножения номера прерывания на 4. Прерывания от 0 до 31

зарезервированы для исключительных ситуаций (ошибка деления, переполнение,

превышение границ массива, запрещенный код операции и т. п.). Для аппаратных

прерываний отведена зона с 32 до 255.

Обычно обработчики прерываний являются частью обслуживающих функций

BIOS (BIOS - это встроенное программное обеспечение ПЭВМ, реализующее наиболее

простые и универсальные услуги по управлению основными (стандартными) ВУ) или

операционной системы MS-DOS. Такие обработчики прерываний называются

стандартными. С точки зрения прикладного программиста представляет интерес

изменение таблицы прерываний, так чтобы она указывала на новые обработчики

прерываний. Для этого необходимо написать подпрограмму, которая выполняет

функцию, отличающуюся от функций стандартного обработчика, записать ее в ОП,

а затем существующему в таблице прерыванию присвоить новый адрес.

Прерывания.

Каждый раз, когда ВУ или программа нуждаются в помощи МП, они посылают

ему сигнал или команду, называемую прерыванием. МП приостанавливает

выполнение текущей программы и активизирует обработчик прерывания,

соответствующую данному прерыванию. Прерывания могут быть вызваны внешними

событиями по отношению к текущему процессу (аппаратные прерывания) и

внутренними по отношению к текущему процессу сигналами (программные

прерывания). Сигналы аппаратных прерываний поступают на два входа МП: INTR -

маскируемый (маскируемые прерывания можно заблокировать в результате установки

соответствующего флага или разряда маски прерываний) и NMI - немаскируемый

(немаскируемые прерывания нельзя заблокировать).

Прерывания по входу NMI обычно используются для реакции ПЭВМ на наиболее

катастрофические события, например, такие, как сбой питания, обнаружение

ошибки в памяти и пр.

Прерывания от таких ВУ, как НГМД, НЖМД, клавиатура, таймер, часы,

последовательный порт, параллельный порт - поступают на вход INTR. Поскольку