Подготовил материал: Михаил Метельков

Устройство и принцип работы ЭВМ.

2.1 Упрощенная схема ЭВМ и основные определения.

2.1.1. ЭВМ- техническая система, предназначенная для автоматичес­кого выполнения вычислений на основе заданного алгоритма. Алгоритм- точное предписание, которое задает конечную последовательность чет­ко определенных шагов и позволяет из исходных данных получить конеч­ный результат. Программа представляет собой некоторую последователь­ность машинных команд, которая позволяет реализовать заданную алго­ритмом обработку исходных данных. Программа вводится в память- ЭВМ и управляет работой ЭВМ в процессе вычислений.

2.1.2

Принцип программного управления предписывает и исходные дан­ные, и команды программы в виде многоразрядных двоичных чисел (ма­шинных слов, кодов) размещать з памяти ЭВМ: при этом каждое слово идентифицируется номером (адресом) соответствующей ячейки памяти. На рис. 2.2.1 изображена обобщенная структурная схема ЭВМ: основные устройства (модули) ЭВМ - это про­цессор (Пр) и память. Процессор обеспечивает поочередную выборку команд программы из памяти и их вы­полнение, т.е. реализует программное управление. Основная память и Пр составляют ядро ЭВМ.

В своем составе Пр имеет АЛУ, соб­ственное ОЗУ небольшой емкости в ви­де блока регистров общего назначения (РОН) и устройство управления (УУ), организующее совместную работу всех узлов Пр. Устройства ввода/вывода Рис. 27 '(УВВ) служат для связи с внешним

Рис. 2.2.1

миром (ввод исходных данных и программы, вывод результатов). Внешние ЗУ (ВнЗУ) на магнитных лентах, дисках обладают (по сравнению с ОЗУ) большим объемом памяти, но гораздо меньшим быстродействием. Канал ввода/вывода координирует работу УВВ и ВнЗУ с ядром ЭВМ.

В процессе Функционирования процессор циклически повторяет следую­щие действия (командный цикл):

1) выборка кода очередной команды программы из ОЗУ;

2) анализ кода, определение типа операции и количества операндов;

3) определение местонахождения (адреса) операндов и их выборка из ОЗУ;

4) выполнение над ними заданной операции;

5} вычисление .адреса для выборки следующей команды.

Адрес первой команды (стартовый адрес программы) вводится опера­тором или формируется автоматически при включении питания.

2.1.3

В настоящее время определились два главных направления в развитии средств ВТ; создание персональных микроЭВМ (ПЭВМ) и высокопроизводительных суперЭВМ. Последние строятся на основе многопроцессорных систем с использованием транспьютерных СБИС и с применением спецметодов (распараллеливание вычислений) организации вычислительного процесса.

2.2 Подробности и алгоритм выполнения программы.

Укрупненная структурно-функциональная схема ЭВМ представ­лена на рис.2.2.1, здесь изображено разделение ЭВМ на наиболее крупные компоненты по функциональному признаку, компонента на­зываются соответствующими устройствами и показаны взаимосвязи устройств, Рассмотрим кратко функции устройств.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), иначе - основная память - предназначено для хранения программ и данных, чаще всего работает по адресному, точнее - прямоадресному принципу. Это значит, что ОЗУ выдает и принимает данные по указанию их прямого адреса, т.е. номера места в ОЗУ, ячейки. Цикл работы ОЗУ называется обращением, за обращение производятся запись или считывание одного слова данных. Записываемое слово подается на регистр данных (РгД), адрес подается на регистр адреса (РгА) и после этого выполняется цикл ОЗУ для записи; прежнее содержимое ячейки, в которую производится запись, утрачивается. При обра­щении для считывания на РгА подается адрес и запускается цикл считывания, считанное слово принимается из ОЗУ на РгД, причем в ячейке оно сохраняется. Функционально ОЗУ разделяется на запоминающую и управлявшую части.

Рис. 2.2.1

Основными техническими характеристиками ОЗУ служат длитель­ность обращения я емкость, т.е. число слов, которое можно хра­нить в нем одновременно.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) применяются с целью наращивания общей емкости памяти ЭВМ, поскольку емкость ОЗУ не­достаточна. ВЗУ строятся на магнитных дисках, лентах, гибких магнитных дисках и др.

Устройства ввода и вывода данных предназначены для обеспе­чения взаимосвязи ЭВМ с окружающей средой - человеком, множест­вом людей, оконечными устройствами линий связи, информационно-измерительными системами и др.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) преобразует данные, форму информации, подаваемой в, него из ОЗУ, и возвращает дан­ные в ОЗУ. Иначе говоря, АЛУ выполняет операции над данными числами, символами, адресами, например, операции сложения, умножения, сравнения и др. Чтобы выполнить операцию в АДУ необходимо подать в него операнды, указать операцию и запустить его. А1У разделяется на две части по функциональному признаку: операционный автомат (OA) и управляющий автомат (УА). Технической харак­теристикой АЛУ служат времена исполнения им операций.

Устройство управления (УУ) управляет остальными устройства, ми ЭВМ, оно передает в управляемое устройство исходные данные, запускает управляющую часть устройства и воспринимает от нее сигнал окончания работы устройства. Таким образом, УУ организу­ет работу а взаимодействие всех устройств в ЭВМ, регламентирует ее во времени. Периодом работы УУ служит исполнение ЭВМ одной команды, так называемый машинный цикл. Технической характеристи­кой УУ и одновременно ЭВМ в целом служит быстродействие - сред­нее число машинных циклов, исполняемых ЭВМ в I с.

Два устройства, АЛУ и УУ, вследствие того, что они тесно взаимосвязаны, т.е. взаимодействуют в течение машинного цикла, часто рассматриваются совместно, как тандем. Этот тандем имеет специальное название "процессор".

ЭВМ автоматически исполняет программы или микропрограммы, написанные на алгоритмических языках или машинных языках про­граммирования. Иначе говоря, ЭВМ реализует алгоритм выполнения программ, написанных на определенных языках.

Пусть программа на машинном языке и исходные данные нахо­дятся в ОЗУ ЭВМ.

Алгоритм выполнения программ, написанных на ма­шинном языке, может быть сформулирован следующим образом (пред­ставлен следующими шагами):

1. Выбрать из ОЗУ очередную команду программы.

2. Выбрать операнды,' указанные (определенные) командой.

3. Выполнить над операндами операцию, указанную командой.

4. Полученный в шаге "3" результат направить в указанное (определенное) командой место.

5. По указанию, имеющемуся в команде, и по признакам полу­ченного в "3" результата определить место в ОЗУ команды, подле­жащей исполнению следующей, т.е. место очередной команда.

6. Перейти к "I".

Таким образом, процесс реализаций программы есть последова­тельность стандартных (или стереотипных) циклов из шагов (1-6), называемых машинными циклами.

Алгоритм (1-6) представлен, разумеется, в укрупненной об­щей форме, здесь не показаны явно многочисленные частные ветви, реализуемые алгоритмом выполнения, а также не рассматриваются методы определения первой команды программы и остановки процесса.

Обратимся теперь к рис 2.2.1 и интерпретируем шаги алгоритма выполнения (1-6) в терминах структурной схемы ЭВМ.

Шаг I. Устройство управления УУ считывает из ОЗУ код очередной команды программы и помещает его б свойрегистр ко­манд (РгК). В течение последующих шагов цикла код команды в РгК определяет управление, т.е. управляющие воздействия, микрокоман­да, формируемые и направляемое на другие устройства устройством управления (УУ).

Шаг 2. УУ читает на РгК код операции и бзависимости от наго по тему или иному алгоритму формирует адреса операндов. Формирование происходит из кодов определенных полей команды к . кодов, хранимых в УУ, с помощью средств (узлов)УУ или средств АЛУ. При этом УУ совместно о АЛУ выполняет некоторую последова­тельность микрокоманд. Сформировав адрес операнда, УУ передает его ОЗУ (на РгА) и запускает последнее с целью выборки. Посте срабатывания ОЗУ, т.о. считывания операнда, УУ передает его из ОЗУ (РгД) в АЛУ. Эта процедура повторяется столько раз, сколько операндов требуется извлечь из ОЗУ для выполнения команды в за­висимости от макета команды и исполняемой операции.

Шаг 3. УУ передает из РгК код операции (КОП) в АЛУ и запускает его. Все необходимое для наполнения операции (операн­ды, операция) имеется в АЛУ, оно выполняет операцию или автоном­но, под управлением своего управляющего автомата, или под управлением УУ, реализуя определенную последовательность микрокоманд- микропрограмму. Окончив исполнение операция, сформировав результат и признаки результата, АЛУ сообщает об окончании операции в УУ.

АЛУ характеризуется средним числом операций в секунду, ко­торое оно исполняет при полной загрузке, т.е. быстродействием АЛУ, а также - длиной разрядной сетки, формами представления данных, составом операций, встроенных в АЛУ (так называемая сигнатура

операций).

Шаг 4. На основе кода операции(K0II)УУ распоряжается результатом: результат либо, остается в АЛУ, при этом УУ переме­щает его в определенный регистр АЛУ, либо он засылается в ОЗУ. В последнем случае УУ по КОП к определенному полю в РгК формиру­ет адрес засылки результата, передает его на РгА, передает ре­зультат из АЛУ в РгД и запускает в ОЗУ обращение для записи. Эти процедуры, как и выше, исполняются в виде последовательности микрокоманд.

Ш а г 5. Для определения следующей команда (ее места в ОЗУ) пользуются одним из двух методов: первый метод навивается методом естественной адресация команд, он полагает, что следую­щая команда хранится в ОЗУ следом за текущей. Это значит, что, зная адрес начала кода текущей команда и длину текущей команда, можно вычислить адрес начала следующей команды. Нередко команды имеют фиксированную длину и, во всяком случав, фиксированный набор длин, поэтому вычисление адреса удобно выполнять на осно­ве счетчика, который в начале машинного цикла показывал бы ад­рес начала текущей команды, а затем прибавлял бы к своему содер­жимому длину кода текущей команда. Такой счетчик называется счет­чиком адреса команда (СЧАК).

Переходы в программе - условные и безусловные, - нарушающие естественный порядок следования исполняемых команд в соответст­вии с их расположением в тексте программы, реализуются в форме исполнения команд перехода. То есть в случае перехода следующая команде определяется посредством выполнения специальной команда, машинного цикла, а не одного пятого шага.

Если для алгоритмов (программ) характерно большое число переходов, естественный метод адресации команд становится нерациональным, так как требует большого числа дополнительных машинных циклов. В этом случае применяется второй метод – метод принуди­тельной адресации команд. Каждая команда содержит в своем коде поле, указывающее адрес следующей команды. Этот адрес, в зависимости от КОП, задается либо безусловно, либо условно. В послед­нем случае по признаку результата, полученному в третьем шаге текущего цикла, УУ выбирает в пятом шаге либо адрес из кода ко­манды, либо – следующий за адресом текущей команды. Ясно, что второй метод адресации команд не нуждается в отдельных командах перехода, однако и он имеет недостаток – дополнительные затраты пространства памяти на хранение полей адресов.

После определения адреса команды он передается из УУ на РгА ОЗУ. На этом пятый шаг цикла заканчивается. Разумеется, пятый шаг, так же как и предыдущие шаги, при реализации складывается из по­следовательности более мелких шагов - из последовательности макрокоманд.

Шаг 6. Выполняется возврат в начало машинного цикла – шагу 1. Адрес следующей команды, необходимый для выполнения пер­вого шага, подготовлен и находится на РгА ОЗУ.

Разумеется, изложенный алгоритм выполнения программ в ЭВМ – некоторый типовой и упрощенный, освобожденный от многочисленных деталей и вариантов, однако именно изложенный вариант составля­ет "костяк", магистраль различных конкретных реализаций данного алгоритма. Алгоритм выполнения необходимо хорошо изучить, сво­бодно владеть им с тем, чтобы узнавать его типовые элементы в дальнейших конкретных, более сложных примерах.

Подведем первый итог изученного. Мы познакомились с типовой структурно-функциональной схемой ЭВМ и далее с алгоритмом выполнения программы, реализуемым этой схемой. ЭВМ посредством взаимодействия своих устройств читает созданную человеком программу как инструкцию и пополняет прочитанное, т.е. работает под управ­лением программы. Чтение и исполнение производится покомандно, интервал исполнения команды составляет стандартный машинный цикл. Цикл разделен на относительно крупные шаги, последние – на мелкие, микрокоманды.

Изученное позволяет также определить важное понятие архитек­туры ЭВМ. Под архитектурой ЭВМ будем понимать структурную схему ЭВМ и совокупность характеристик, параметров ЭВМ, существенных для использования ЭВМ, определяющих качество, возможности ЭВМ. Иначе говоря, архитектура - совокупность характеристик, которыми руководствуется пользователь при выборе ЭВМ или постановке задачи на заданной ЭВМ. Ясно, что в названную совокупность входит большой перечень параметров, мы назовем только некоторые, наиболее важные и понятные после изученных разделов. Отметим, что в процессе применения ЭВМ пользователи имеют дело с комплексом из ап­паратурной основы (собственно ЭВМ) и программной надстройки (опе­рационная система, базы данных и др.), поэтому следует различать архитектуру того и другого. В нашем курсе рассматривается исключительно аппаратурная часть ЭВМ и соответственно только ее архитектура.

Итак, архитектуру ЭВМ определяют ее структура, быстродейст­вие, емкость ОЗУ, емкость ВЗУ и их типы, длина разрядной сетки чисел и команд, сигнатура операций и команд, формы представления чисел (наличие формы с плавающей запятой) и др.

Типы микропроцессоров.