Тема 3. Технические средства реализации информационных процессов

1. Архитектура эвм. Принципы работы компьютера.

 

ЭВМ определяется как комплекс взаимосвязанных программно-управляемых технических устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных с целью получения результатов решения вычислительных и информационных задач.

 

Основные принципы функционирования компьютера были сформулированные в 1945 году Джоном фон Нейманом.

1. В основе работы ЭВМ лежит программный принцип, согласно которому все вычисления выполняются путем последовательного выполнения команд программы ЭВМ.

2. Принцип хранимой программы означает, что программы и данные во время выполнения программы хранятся в одном адресном пространстве в оперативной памяти и различаются не по способу кодирования, а по способу использования. Программа может выступать также в качестве исходных данных (самомодифицируемые программы).

3. Использование двоичного кодирования при хранении и обработке данных в ЭВМ. Отдельные разряды двоичного числа объединяются в более крупные единицы, называемые словами.

4. Информация размещается в ячейках различных запоминающих устройств. Каждая ячейка памяти имеет адрес, по которому происходят запись или считывание слов данных и программ.

 

К настоящему время принципы фон Неймана дополнены рядом других принципов:

- открытая архитектура, которая означает, что в основе разработки новых ЭВМ лежат общедоступные стандарты, которые унифицируют взаимодействие различных типов оборудования и отдельных технических узлов ЭВМ. Использование при разработке оборудования открытых стандартов позволяет разным производителям разрабатывать для ЭВМ новые аппаратные средства, заменяющие или дополняющие существующее оборудование;

- модульность построения технической архитектуры состоит в том, что вся ЭВМ состоит из отдельных функционально и конструктивно законченных модулей. Соблюдение этого принципа упрощает процедуру замены устаревших или неработоспособных узлов ЭВМ на современные или рабочие;

- стандартизация технических устройств ЭВМ означает, что все устройства ЭВМ согласованы по своим электрическим, электромагнитным параметрам, протоколам работы, габаритам и т.д.;

 

- принцип микропрограммирования, заключающийся в том, что машинный язык не является конечной субстанцией, приводящей в действие процессы в ЭВМ. Процессор имеет в своем составе блок микропрограммного управления. Этот блок для каждой команды на машинном языке генерирует последовательность действий-сигналов для физического выполнения требуемой машинной команды. Можно также считать набор команд микропрограммами по отношению к операционной системе.

 

При этом под архитектурой ЭВМ понимают абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию.

 

Понятие архитектуры является комплексным и включает:

- структурную схему ЭВМ;

- средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ;

- организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;

- организацию и способы адресации памяти;

- способы представления и форматы данных ЭВМ;

- набор машинных команд ЭВМ;

- обработку прерываний.

 

Структура ЭВМ представляет совокупность конструктивных элементов (устройств), из которых состоит ЭВМ, и связей между ними.

 

Связь между различными устройствами, представляющую собой физическую магистраль, состоящую из многопроводной линии для передачи электрических сигналов, называют интерфейсной шиной. Различают шины для передачи адресов, управляющих сигналов и данных.

 

Перечисленные принципы функционирования ЭВМ предполагают обязательное наличие у ЭВМ следующих устройств:

● арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

● устройство управления, предназначенное для организации и синхронизации работы всех устройств ЭВМ;

● память для хранения данных;

● внешние устройства для обеспечения обмена информацией с человеком.

Обобщенная структурная схема ЭВМ представлена ниже

 

В современных компьютерах арифметико-логическое устройство и устрой-ство управления объединены в один блок - процессор, предназначенный для обработки данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций и программного управления работой устройств компьютера.

 

Все арифметические и логические операции непосредственно выполняются арифметико-логическим устройством.

 

Устройство управления формирует и подает во все блоки ЭВМ управляющие импульсы, обусловленные выполняемой командой.

 

Для кратковременного хранения данных, непосредственно используемых в вычислениях, имеются специальные ячейки памяти процессора, называемые процессорной памятью или регистрами.

 

Под кэш - памятью понимают особый вид быстродействующей памяти, выполняющей в компьютере роль промежуточной памяти (буфера) при обмене данными между быстродействующим устройством ЭВМ и менее быстродействующим с целью уменьшения периодов ожидания более производительного устройства.

 

Программы и данные во время непосредственного сеанса работы хранятся в основной (оперативной) памяти компьютера.

 

Оперативная память состоит из ячеек памяти одинаковой длины.

 

Байт является наименьшей адресуемой единицей оперативной памяти. Для идентификации ячеек в оперативной памяти каждой из них присваивается адрес, представляющий собой номер ячейки.

 

Ячейки нумеруются числами из последовательного натурального ряда чисел. Организация оперативной памяти ЭВМ представлена на рис.4.2.

 

Запись в память данных осуществляется подачей на шину адреса сигналов, соответствующих адресам ячеек, в которые помещаются данные из шины записи.

 

При чтении данных из памяти по шине адреса передаются адреса читаемых ячеек, а сами данные из ячеек передаются по шине чтения. Возможность произвольного доступа к любой из ячеек памяти позволяет называть оперативную память, как память с произвольным доступом (RAM - Random Access Memory).

 

Тактовые импульсы вырабатываются генератором тактовых импульсов ЭВМ и используются для синхронизации процессов передачи информации между устройствами. Базовая последовательность импульсов задает тактовую частоту работы процессора и во многом определяет скорость работы ЭВМ.

 

Внешние устройства ввода-вывода и хранения данных подключаются к ЭВМ через адаптеры или контроллеры. Основное назначение адаптера состоит в управлении и синхронизации работы внешнего устройства с работой других устройств ЭВМ.

 

Устройства ввода обеспечивают считывание данных с определенных устройств (клавиатуры, сканера, графических манипуляторов и других) и преобразование их в последовательности электрических сигналов, воспринимаемых другими устройствами ЭВМ.

 

Устройства вывода представляют результаты обработки информации в форме, удобной для визуального восприятия. К таким устройствам относятся принтеры, мониторы, графопостроители.

 

Внешние устройства хранения предназначаются для организации долговременного хранения данных и программ. К устройствам внешнего хранения относятся накопители на жестких и гибких дисках, DVD (Digital Video Disk) и CD (Compact Disk) накопители, накопители на магнитных лентах (стримеры), Flasch - память и другие.

 

Управление работой внутренних и внешних устройств ЭВМ производится устройством управления процессора через основной набор логических схем компьютера.

 

Выполнение команд программы процессором.

Рассмотрим выполнение процессором команд программы.

В общем случае формат машинной команды состоит из двух частей. Одна часть содержит код операции, которую команда должна выполнить. Другая часть - адресная, содержащая адреса оперативной памяти операндов, над которыми эта операция должна быть выполнена и по какому адресу должен быть помещен результат выполнения команды. На рис. 4.3 представлен пример двухадресной команды ЭВМ.

 

 

Выполнение программы начинается с загрузки программы и исходных данных в оперативную память с внешнего устройства хранения (если программа не резидентная) и происходит под управлением Операционной системы.

Процесс начинается с чтения и выборки первой команды программы из оперативной памяти. С этой целью в счетчике команд по управляющему сигналу процессора <+1> формируется адрес первой выполняемой команды.

В конце цикла выполнения любой команды в счетчике команд всегда формируется адрес следующей команды, которая должна выполняться вслед за текущей.

 

В случае, если текущей командой была команда перехода, то в качестве адреса следующей команды в счетчик команд, помещается адрес перехода.

Из счетчика команд адрес передается в регистр адреса, а оттуда поступает в адресную шину оперативной памяти для доступа к ячейкам памяти, содержащим команду.

Команда выбирается из оперативной памяти и через шину данных и команд поступает сначала в регистр данных процессора и далее в регистр команд.

Регистр данных выполняет роль буфера между памятью и остальными регистрами процессора; через него пересылаются команды и операнды из памяти и передаются в память результаты обработки.

 

Устройство управления считывает из регистра команд код выполняемой команды и переходит к ее выполнению. Выдается управляющий сигнал по которому из регистра команд адреса операндов последовательно передаются в регистр адреса, а затем в адресную шину.

Код операции из регистра команд передается в арифметико-логическое устройство. Операнды выбираются из памяти и помещаются сначала в регистр данных, а после в операционные регистры 1,:, регистры N процессора.

Устройство управления формирует и передает в арифметико-логическое устройство (АЛУ) сигнал на выполнение команды. Операнды последовательно выбираются в АЛУ, выполняется операция, результат которой помещается в один из операционных регистров и далее в регистр данных.

 

По сигналу устройства управления адрес результата передается из регистра команд в регистр адреса и далее в шину данных. Одновременно из регистра данных по шине данных передается и записывается в память результат решения. В цикле выполнения следующей команды все действия повторяются.