Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме практической работы

Практическая работа 11, 12

«Типовые узлы и устройства вычислительной техники»

Цель работы:изучение типовых логических элементов. Типовые комбинационные цифровые устройства. Последовательные цифровые устройства.

Студент должен

уметь:

- использовать типовые средства вычислительной техники и программного обеспечения в профессиональной деятельности

знать:

- взаимодействие аппаратного и программного обеспечения ЭВМ.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме практической работы

Компьютер — это устройство, предназначенное для обработки и преобразования информации. Долгое время его называли элект­ронной вычислительной машиной (ЭВМ), цифровой вычислительной машиной (ЦВМ) или электронной цифровой вычислительной машиной (ЭЦВМ)

Первая электронная цифровая вычислительная машина, или программируемый калькулятор LNIAC была создана в Пенсильванском уни­верситете под руководством Д. Мочли и П.Эккерта в 1945 г. На роль первой машины претендуют также разработанный в начале 1940-х гг. Дж. Атанасопым и К. Берри специализированный каль­кулятор ABC и предназначенный для расшифровки кодов немец­кой шифровальной машины. В1451 г. под руководством С.А.Лебеде­ва была создана норная советская машина — малая электронная счетная машина (МЭСМ), а в начале 1953 г. — большая (БЭСМ), быстродействие которых оценивалось в 8000 операций/с. Все эти машины были ламповыми и впоследствии были отнесены к ЭВМ первого поколения. Этот период ознаменовался поиском инже­нерных решений для построения различных устройств.

Появление транзисторов позволило значительно усложнить структуру машин, относимых ко второму поколению. Появились так называемые индексные регистры, упрощающие доступ к мас­сивам данных. В качестве оперативной начали использовать память на ферритовых сердечниках Управление вводом-выводом возла­галось на отдельные блоки, что позволило выполнять загрузку данных одновременно с арифметическими операциями, но потребовало специальных средств для синхронизации процессов. В этот же период были созданы первые языки программирования высокого уровня: Фортран, Алгол, Кобол. К машинам второго поколения относятся советские машины «Урал», «Минск-22», «Минск-32», БЭСМ-2 и др.

Интегральные схемы позволили еще больше усложнить машину и увеличить её мощность. Получило распространение конвейерное выполнение команд, начала применяться параллельная об­работка, в устройствах управления стали использовать принцип микропрограммирования. Появился стандартный интерфейс для подключения периферийных устройств. Именно в это время нача­ли выпускать машины серии IBM/360 (370) и ЕС ЭВМ, с появле­нием которых и связан термин «поколение ЭВМ». В дальнейшем к ЭВМ третьего поколения стали относить любые машины, пост­роенные на интегральных схемах малой и средней интеграции.

Машины на базе больших интегральных схем (БИС) и сверх­больших интегральных схем (СБИС) стали называть машинами четвертого поколения. Память машин начали строить на полупро­водниковых элементах. В тот же период была разработана кон­цепция машины с сокращенным набором команд (RISC). В 1980-х гг. появилась японская программа по созданию ЭВМ пятого поколе­ния. Однако широкое распространение персональных компьюте­ров привело к падению интереса к «поколениям ЭВМ» и теперь этот термин выходит из употребления.

Сегодня компьютер стал устройством, способным хранить и обрабатывать огромное количество информации. В течение многих лет передача различных сведений производилась посреди том ус­той речи, графики, рукописных или печатных символов, а обработка информации осуществлялась исключительно мозгом чело­века. С появлением компьютера эта монополия нарушилась, что потребовало создания средств для загрузки и выгрузки информа­ции в его обрабатывающую часть. Были созданы периферийные устройства, предназначенные для преобразования информации (например, графического изображения в текст), кодирования и из­менения формы представления кодированной информации. Это вызвано тем, что способы представления и обработки Информации в компьютере отличаются от тех, что используются мозгом человека и другими объектами внешнего мира.

Представленные в формализованном виде сведения часто называют данными, представление данных осуществляется квантами информации. Под квантом информации следует понимать, некото­рый ее объем, принятый при описании объекта, а также при накоплении, хранении и обработке. Кванты информации различны для компьютера и внешнего мира.

В вычислительной технике часто используют и более узкое тол­кование термина «данные», служащее для различения обрабатываемой (исходные и конечные данные) и управляющей информации. Все обмены данными между различны­ми устройствами компьютера, а также между компьютером и объектами внешнего мира осуществляются посредством сообщений. Сообщение– это произвольное количество информации, предназначенное для передами между различными устройствами, с явно или неявно указанными началом и концом.

Мы будем иметь дело в основном с дискретными сообщениями в них данные представлены конечным числом квантов ин­формации в виде последовательности символов из некоторого набора, называемого алфавитом. Алфавит может включать в себя цифры, обычные буквы, специальные символы, символы псев­дографики и т.п. Все дискретные сообщения кодируются, но независимо от способа кодирования важнейшими элементами их представления являются биты, байты, машинные слова и файлы.

Бит это наименьшая «порция» информации в двоичном виде. Он служит для внутреннего представления чисел и команд в машине и может принимать значениям «0» и «1».

В конце 1960-х IT. компьютеры стали применять не только для вычислений, но и для обработки буквенно-цифровой информации. Тогда потребовалось кодировать не только десятичные цифры, но и буквы, и различные специальные символы. Общее число используемых символов, подлежащих кодированию, в то время равнялось 256. Для их кодирования потребовался слог (часть 1машинного слова), его и назвали байтом. Предназ­наченные исключительно для США машины IBM/360 использовали всего 128 разнообразных символов, поэтому в них слог (байт) состоял из семи бит. Расширение алфавита компьютера потребовало включить в него буквы национальных алфавитов, на­пример русского. Так появился восьмибитовый байт. Это привело к тому, что длину машинного слова, множество битов, рассматриваемых аппаратурой компьютера как единое целое, стали делать кратной байту. В одном машинном слове может размещаться команда или целое число. Длина машинного слова в настоящее время составля­ет 16, 32 или 64 бита (соответственно, 2, 4 или 8 байт). Однако переменный формат команд в большинстве персональных компь­ютеров привел к тому, что термин «машинное слово» стал использоваться все реже.

Байты и машинные слона объединяются в файлы, имеющие определенную структуру. Обычно файл содержит название, не­которые характеристики, символы контроля и собственно ко­манды (командный файл) и данные. Файл может иметь про­извольный размер и быть представлен в нескольких форматах. Файл является не «машинной» единицей информации, а скорее логической. В зависимости от вида хранящейся в файлах инфор­мации различают командные файлы (программы), текстовые, графические и т. п.

Структура самого компьютера за все время существования ма­шин изменилась незначительно. Она по-прежнему основана на модели фон Неймана, во всяком случае, ее основная па­мять состоит из отдельных ячеек с последовательными номерами (или «адресами»), в которых могут храниться как коды отдельных команд (программа), так и данных. Однако технологический про­гресс привел к объединению нескольких узлов и устройств в од­ной микросхеме.

Упрощенная структура компьютера состоит из следующих основных узлов: арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), управляющее уст­ройство (УУ), устройство ввода данных в машину (УВв) и устройство вывода результатов проведенных расчетов (УВыв) Имен­но такую «пятиблочную» структуру имели вычислительные машины первого поколения. Помимо перечисленных устройств персональный компьютер имеет пульт ручного управления, предназначенный для включения машины и слежения за правильностью её работы.

Рис. 1.1. Упрощенная структура компьютера

Теперь принято называть АЛУ с соответствующими схемами управления процессором, схемы для управления и подключения периферийных устройств — контроллерами и адаптерами, а пере­дача информации между блоками компьютера осуществляется по шинам интерфейса. Арифметико-логическое устройство предназ­начено для выполнения арифметических и логических операций над машинными словами, т.е. кодами,

находящимися в памяти и поступающими в АЛУ для обработки. Кроме того, оно выполняет различные операции по управлению вычислениями.

Оперативное запоминающее устройство, или оперативная па­мять, хранит коды машинных слов (команд и данных) в своих ячейках. Эти ячейки нумеруются, а номер ячейки называется адресом Машина использует хранимую в ОЗУ информацию для организации вычислительного процесса. Информация по­падает в ОЗУ из устройства ввода или из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Внешняя память позволяет хранить большие объемы информации, но обладает меньшим быстродействием по сравнению с ОЗУ. Втечение всего процесса обработки информация поступает в АЛУ только из ОЗУ, а результаты выполнения программы выдаются на устройство вывода после окончания об­работки. Точно так же информация из ВнЗУ, прежде чем принять участие в обработке, должна быть предварительно переписана в ОЗУ.

Устройство управления служит для автоматического управле­ния вычислительным процессом; оно формирует сигналы управления на все устройства компьютера, преобразуя команды программы в управляющие сигналы. Если узел управления совмещен с АЛУ, то такое объединенное устройство называют централь­ным процессором (ЦП). Он связан с основной памятью (ОП),состоящей из ОЗУ и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), или постоянной памяти, предназначенной для хранения программ ввода-вывода, и управления различными устройствами ввода и вывода (или периферийными устройствами) посредством шины, называемой часто общей шиной (ОШ). Такая общая шина состоит из нескольких подшин: адреса, данных и управления. Мы будем их называть просто шинами. В персональных машинах для экономии места на системной плате (т.е. плате, на которой расположены процессор, память и разъемы для подключения пе­риферийных устройств) шины адреса и данных иногда выпол­няют в виде одной разделяемой во времени шины; тогда адрес и данные по ней передаются только поочередно.

Помимо ЦП и ОШ компьютер содержит множество периферийных устройств, подключающихся к ОШ с помощью контроллеров, адаптеров, шинных мостов.

В персональном компьютере (а в последнее время и в компью­терах других типов) основная память состоит из двух частей — постоянной и оперативной. В очень небольшой по современным понятиям (она достигает нескольких мегабайт) постоянной па­мяти хранится программа начальной загрузки, называемая BIOS (Basic Input-Output System). Эта информация «зашита» в памяти, т. е. хранится постоянно. Оперативная память в момент включения компьютера не содержит никакой информации. При его включе­нии на все блоки подается сигнал установки в исходное «нуле­вое» состояние, начинают формироваться тактовые импульсы и компьютер начинает работать.

Чтобы понять, как работает компьютер, нужно знать, из ка­ких элементов он состоит, т.е. что такое триггер, счетчик, ре­гистр, логическая схема и т. п. Рассмотрим подробно основные понятия. Триггер представляет собой электронную схему, которая может находиться в одном из двух устойчивых состояний «0» и «1». Внешними сигналами можно пе­реводить триггер из одного состояния в другое. Регистр — это не­сколько определенным образом соединенных триггеров, т.е. мож­но записать двоичное слово в регистр, прочитать его, сдвинуть, инвертировать. Счетчик позволяет определить число поступивших на него сигналов. Он также строится на основе триггеров. Логическая схема реализует определенную логическую функцию, т е фор­мирует выходной сигнал при определенных комбинациях сигна­лов на ее входах.

Продолжим рассмотрение работы простейшего компьютера. Содержимое счетчика команд (СчК, его называют instruction pointer — IP) процессора передается по адресной шине на ре­гистр адреса (РгА) основной памяти. В момент включе­ния компьютера в счетчике команд всегда находится один и тот же начальный адрес.

Рис. 1.3. Передача команд из ОП в ЦП

Таким образом, запрашивается содержимое ячейки памяти с этим начальным адресом, принадлежащим BIOS. Как правило, эта ячейка содержит код команды безусловного пе­рехода, служащей для изменения содержимого счетчика команд. Этот код передается на регистр команд (РгК) процессора по шине данных. Содержимое ячейки памяти поступает на РгК, поскольку запрос к памяти произведен из счетчика команд; это обязательное требование для любого компьютера традиционной архитектуры.

Регистр команд процессора состоит из нескольких регистров – регистра кода операций (РгКОП) и регистров адресов процессора (РгАП). Часть слова (содержимого ячей­ки ОП, к которой произошло обращение), попавшая в регистр кода операции, передается в блок управления (БУ), вырабатыва­ющий последовательность управляющих сигналов.

Когда выполняется команда безусловного перехода, вторая ад­ресная часть слова, попавшая в один из регистров адреса процессора, под управлением сигналов с БУ передается вновь на счетчик команд. Эта команда одноадресная, т.е. ее адресная часть содержит только один адрес. На этом и завершается ее выполнение. Блок управления формирует сигнал об окончании выполнения команды, а содержимое ячейки вновь передается на РгАд памяти, т.е. происходит запрос следующей команды.

Таким образом, процедура обращения к памяти повторяется. Содержимое ячейки памяти, к которой произведено повторное обращение, рассматривается в качестве новой команды, т.е. вновь загружается на РгК процессора. Обычно вторая команда служит для начала загрузки ОсП с магнитного диска; она уже не является командой безусловного перехода. При ее выполнении под управ­лением кода операции (часть команды, попавшая на РгКодОП) вырабатываются иные управляющие сигналы, а содержимое пер­вого регистра РгАП, представляющего собой часть РгК, переда­ется на адресный регистр памяти и рассматривается в качестве адреса первого операнда.

Для ОЗУ безразлично, откуда пришел запрос — из счетчика команд или адресного регистра, поэтому в регистре данных (РгД) памяти слово формируется так же, как и раньше. Однако в про­цессоре оно помещается на первый регистр данных АЛУ, поскольку запрос этого слова поступил из адресного регистра РгАП. Затем блок управления формирует аналогичные сигналы для передачи на РгД памяти содержимого второго РгАП в результате содержи­мое ячейки памяти с адресом, находящимся в РгАЦ, поступает на второй регистр данных арифметического устройства.

Затем блок управления вырабатывает сигналы в зависимости от кода операции в РгКОП, подает их в АЛУ, которое выполняет соответствующую операцию, а ее результат помещает в выходной регистр-аккумулятор. После этого содержимое регистра-аккуму­лятора передается в ячейку памяти, адрес которой обычно нахо­дится в первом РгАдПр т.е. выполняется еще одно обращение к ОП. Информация из регистра-аккумулятора передается на регистр дан­ных, а адрес ячейки из РгАП на адресную шину. В зависимости от конструкции машины, числа адресов в выполняемой команде (адресности) и других особенностей, содержимое регистра-акку­мулятора может сохраняться в нем, передаваться в ячейку ОП по адресу, находящемуся в первом или втором РгАП.

После сохранения содержимого регистра-аккумулятора к счет­чику команд (СчК) добавляется длина текущей команды в байтах (часто говорят «единица»), чтобы обратиться к следующей ячейке памяти, и начинается новый цикл выполнения очередной ко­манды.

Таким образом, выполнение программы происходит поступательно: каждый раз в машине реализуется лишь одна команда, попадающая в регистр команд из ОП. Чтобы увеличить, производительность компьютера, нужно либо повысить скорость выпол­нения команды, либо выполнять несколько последовательных команд одновременно. Повышение скорости выполнения команды связано с улучшением технических характеристик и улучшением быстродействия всех компонентов, входящих в компьютер: ЦП, ОП, шин интерфейсов, устройств ввода-вывода. Но увеличение скорости выполнения команды принципиально ограничено: скорость распространения сигналов в машине не может превышать скорость света. Второй путь, заключающийся в и параллельном выполнении нескольких команд, более перспективен.

Программноеобеспечение (ПО) призвано ускорить и упростить этот процесс, а также организовать более полное использование аппаратных средств ком­пьютера.

Обычно программные средства условно делят на три группы: операционные системы, программы технического обслуживания и пакеты прикладных программ.

Вся работа компьютера осуществляется под управлением опе­рационной системы (ОС) комплекса программ, предназначен­ного для распределения ресурсов компьютера, управления режи­мами его работы, облегчения подготовки программ, организации их выполнения и взаимодействия пользователя с компьютером. В этот комплекс входят трансляторы с определенных языков програм­мирования.

При работе компьютера возникает множество задач по планированию работы программ, распределению и защите памяти, управлению периферийными устройствами и т. п. Связь с ними осуществляется также при помощи программ ОС.

Обычно ОС имеет графический интерфейс, с помощью которого пользователь выбирает необходимые для него действия. В персональных компьютерах IBM PC таким графичес­ким интерфейсом служит заставка одной из ОС Microsoft Windows, Linux, Solaris или др.

Программы технического обслуживания предназначены для уп­рощения трудоемкости при эксплуатации компьютера. В состав таких средств входят программы проверки работоспособности компьютера, диагностирования неисправностей, выявления имеющихся периферийных устройств и их состояния. В современных ПК эти про­граммы входят в состав системы ввода-вывода BIOS и выполняются при включении компьютера в работу. (Программы технического обслуживания в мейнфреймах обычно представляют собой часть ОС.)

Пакеты прикладных программ это комплексы программ, пред­назначенные для решения часто встречающихся классов задач и расширения функций ОС.