Основной принцип построения ЭВМ

            Содержание  

     1. Основной  принцип   построения  ЭВМ 3

     2. Структурная схема  ЭВМ первого и  второго поколения 4

     3. Структурная схема  ЭВМ третьего поколения 5

     4. Структурная схема  ЭВМ четвертого  поколения 6

     5.Стандартные  элементы  структур  современных ЭВМ 7

     6. Выводы 9 
 

 

     

1. Основной  принцип   построения  ЭВМ

     Основным   принципом   построения  современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

     Алгоритм  это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством  конечного количества операций.

     Программа (для ЭВМ) это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке (стандарт ISO 2382/1-84).

     Логическую  организацию ЭВМ независимо от ее элементной базы в 1945 году представил математик Джон фон Нейман. Архитектура  универсальной ЭВМ фон Неймана  предусматривается пять базовых  компонентов:

• Центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ).
• Центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных устройств ЭВМ.
• Запоминающее устройство (ЗУ).
• Система ввода информации.
• Система вывода информации

     Способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. cтал cтандартом для построения практически всех ЭВМ. Суть его заключается в следующем:

• Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов-команд.
• Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адрес) операндов и ряд служебных признаков. Операнды – это переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.
• Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов.
• Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными числами 0 и 1. Каждый тип информации имеет форматы - структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами 0 и 1. Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов.
• Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, поле значащих разрядов чисел, старшие и младшие разряды.

 

2. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколения

     Структурная схема ЭВМ первого и второго  поколения:

• УВВ - устройство ввода. В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним.
• ОЗУ - оперативное запоминающее устройство. Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ).

ВЗУ предназначено для длительного  хранения информации. Информация в  ВЗУ преобразуется в специальный  программный объект - файл. При использовании  файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в  ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается  в устройство управления (УУ).

• Устройство управления предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Вызываемые из ОЗУ команды дешифруются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Все команды программы выполняются  последовательно, команда за командой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный порядок  следования команд). Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений. Для организации  ветвлений используются команды, нарушающие естественный порядок следования команд. Отдельные признаки результатов  r (r=0, r<0, r>0 и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы.

• АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память.
• УВЫВ - устройство вывода. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВЫВ) информации. В качестве УВЫВ могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

     Первые  ЭВМ имели очень сильную централизацию  управления, единые стандарты форматов команд и данных, "жесткое"  построение  циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но  и  операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ  и  др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.

 

     3. Структурная схема ЭВМ третьего поколения

     В ЭВМ третьего поколения произошло  усложнение  структуры  за счет разделения процессов ввода-вывода информации  и  ее обработки.

     Сильносвязанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т.е. устройство, предназначенное для обработки данных. В схеме ЭВМ появились также дополнительные устройства, которые имели название: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, каналы ввода-вывода (КВВ). Последнее название получило наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

     Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое  количество медленно работающих устройств ввода-вывода (УВВ),  и  селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

 

     4. Структурная схема ЭВМ четвертого поколения

     В  персональных  ЭВМ, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение  структуры. Они унаследовали ее от мини-ЭВМ:

• Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью  общей  шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления  и  питания. Единая система аппаратных соединений значительно упростила  структуру , сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.
• Ядро ПК образуют процессор  и  основная память (ОП), состоящая ОЗУ и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначено для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления.
• Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ  и  других обеспечивается через соответствующие адаптеры или контроллеры - специальные устройства управления ВнУ. Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени  и  контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

 

     5.Стандартные элементы  структур  современных ЭВМ

     Стандартные элементы  структур  современных ЭВМ: модульность  построения, магистральность, иерархия управления:

• Модульность  построения  предполагает в  структуре  ЭВМ достаточно автономных, функционально  и  конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске). Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации  и  совершенствованию.
• Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию  структуры  ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления главного, или центрального, процессора. Подключаемые к центральному процессору модули (контроллеры  и  КВВ) могут, в свою очередь, использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющими сигналами, адресами  и  данными.
• Инициализация работы модулей обеспечивается по командам центральных устройств, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими "вверх по иерархии" для правильной координации всех работ.
• Иерархический  принцип   построения   и  управления характерен не только для  структуры  ЭВМ в целом, но  и  для отдельных ее подсистем. Например, по этому же  принципу  строится система памяти ЭВМ.

     Так, с точки зрения пользователя желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости   и  высокого быстродействия. Однако одноуровневое  построение  памяти не позволяет одновременно удовлетворять этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному  принципу.

     В состав процессоров может входить  сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими  десятками регистров с быстрым  временем доступа. Здесь обычно хранятся данные, непосредственно используемые в обработке.

     Следующий уровень образует кэш-память или  память блокнотного типа. Она представляет собой буферное запоминающее устройство, предназначенное для хранения активных страниц объемом десятки  и  сотни Кбайтов. Время обращения к данным составляет 10-20 наносекунд, при этом может использоваться ассоциативная выборка данных. Кэш-память, как более быстродействующая ЗУ, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Сами же программы пользователей и данные к ним размещаются в оперативном запоминающем устройстве (емкость - миллионы машинных слов, время выборки - до 100 нс).

     Часть машинных программ, обеспечивающих автоматическое управление вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает более низкое быстродействие и очень большая емкость.

     Организация заблаговременного обмена информационными  потоками между ЗУ различных уровней  при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать  иерархию памяти как единую абстрактную  кажущуюся (виртуальную) память. Согласованная  работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность  работать с памятью, намного превышающей  емкость ОЗУ.

     Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила  перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.

     В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка является кажущейся. Она  предполагает параллельную обработку  отдельных устройств, задействованных  в вычислениях по различным задачам  пользователей. Например, компьютер  может производить распечатку каких-либо документов и принимать сообщения, поступающие по каналам связи. Процессор  при этом может производить обработку  данных по третьей программе, а пользователь - вводить данные или программу  для новой задачи, слушать музыку и т.п.

     В ЭВМ или вычислительных системах, имеющих несколько процессоров  обработки, многопрограммная работа может  быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения  в ее состав систем и блоков, разделяющих  различные вычислительные процессы друг от друга, исключающие возможность  возникновения взаимных помех и  ошибок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти). Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но являются необходимым элементом  структуры для обеспечения этих вычислений.

 

     6. Выводы

     ЭВМ являются универсальными техническими средствами автоматизации вычислительных работ, т.е. они способны решать любые  задачи, связанные с преобразованием  информации.