Обобщенная структурная схема ЭВМ
Принцип программного управления вычислениями является основой для определения функционально-минимального состава устройств вычислительной машины. В соответствии с этим принципом, для технической реализации процессов автоматической обработки информации, представленной в дискретной форме, в состав вычислительной машины должны входить: устройство управления, запоминающее устройство, арифметико-логическое устройство, устройства ввода-вывода информации.
На показанном далее рисунке условно обозначены перечисленные устройства и показаны направления передачи данных и служебной информации, управляющей перемещением и обработкой этих данных в машине. Утолщенными линиями со стрелкой показаны направления передачи данных и инструкций (команд программы), тонкими линиями со стрелкой - потоки управляющих сигналов, генерируемых устройством управления и управляющих циркуляцией и обработкой данных. Рассмотрим взаимодействие устройств в процессе выполнения программы.
Программа и исходные данные (подлежащие обработке в процессе выполнения этой программы) по сигналам устройства управления считываются с используемого в конкретном устройстве ввода носителя информации, преобразуются в форму электрических сигналов и передаются в оперативное запоминающее устройство, где размещаются в отведенных полях памяти. Доступность расположенных в этом устройстве данных и команд программ обеспечивается системой адресации - оговоренным методом размещения информации, хранящейся в памяти машины.
Система адресации предусматривает присвоение каждому размещаемому в оперативном запоминающем устройстве коду - числу или команде - номера (адреса), однозначно определяющего, в каком именно поле памяти расположена эта информация.
Структурная схема ЭВМ
ЗУ- запоминающие устройства; ОЗУ - оперативное запоминающее устройство; ВЗУ - внешнее запоминающее устройство; УУ - устройство управления (ск - счетчик команд; доп - дешифратор операций; рк-регистр команд; ко - код операции; а1,а2,а3- адреса); АЛУ - арифметико-логическое устройство (А- регистр первого операнда; В- регистр второго операнда; С- сумматор); УВВ - устройство ввода информации; УВыВ- устройство вывода информации.
Существует много способов адресации и соответствующих методов поиска данных, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Не вдаваясь в детали реализации этих методов, необходимо усвоить главное - размещение информации в оперативной памяти и выборка этой информации из памяти осуществляются с использованием адресов.
Поскольку команды программы (как и данные) хранятся в оперативной памяти, выполнение программы можно представить как процесс выборки и выполнения команд, хранящихся в полях памяти с последовательными адресами. Выборка команд из памяти осуществляется устройством управления, которое, во-первых, определяет порядок этой выборки, во-вторых, хранит и расшифровывает каждую поступившую команду.
Содержащаяся в команде информация используется для выработки наборов сигналов, управляющих взаимодействием устройств в процессе выполнения этой команды. Часть кода команды (код операции) используется для указания вида подлежащей выполнению операции, в результате чего арифметическое устройство настраивается на соответствующий вид работы. Оставшаяся (адресная) часть кода команды рассматривается как набор адресов данных, участвующих в операции, и результата.
Данные, адреса которых указаны в команде, отыскиваются в оперативном запоминающем устройстве и пересылаются в арифметическое устройство, которое выполняет над ними заданные преобразования. Полученный результат отсылается в оперативное запоминающее устройство и записывается в поле памяти по указанному в команде адресу. Когда выполнение команды закончено, устройство управления формирует адрес следующей команды (в простейшем случае он на единицу больше предыдущего), и процесс повторяется.
По мере выполнения программы в оперативном запоминающем устройстве накапливаются результаты вычислений. Они могут быть выведены из этого устройства в заданной форме на соответствующий носитель информации, как в процессе работы программы, так и после ее окончания. Преобразование информации, хранящейся в оперативном запоминающем устройстве, из внутренней (принятой в ЭВМ) формы во внешнюю и фиксация ее на выбранном носителе, осуществляются устройствами вывода информации.
Внешние запоминающие устройства работают значительно медленнее, поскольку в них использованы другие, нежели в оперативном запоминающем устройстве, принципы записи, однако они способны одновременно хранить значительные объемы информации. Эти устройства взаимодействуют с ЭВМ периодически, выполняя роль буфера, который в зависимости от обстоятельств используется либо как приемник, либо как источник информации.
Сверхоперативное запоминающее устройство (на схеме не показано) по логике работы тесно связано с арифметическим устройством и позволяет в необходимых случаях обрабатывать информацию без обращения к оперативному запоминающему устройству, что ускоряет работу машины. Такая иерархическая структура запоминающих устройств позволяет создать гибкую систему, способную приспосабливаться к разнообразным, зачастую противоречивым, требованиям, предъявляемым к памяти ЭВМ.
Рассмотренная структура была характерна для вычислительных машин первых поколений, в которых в числе других структурных нововведений было обеспечено совмещение во времени операций ввода-вывода информации с работой арифметического устройства посредством включения в состав ЭВМ местных устройств управления вводом-выводом информации. Такая организация обмена информацией получила название системы прямого доступа внешних устройств к памяти, а всякое объединение обрабатывающего устройства с местным устройством управления стали называть периферийным процессором.
Децентрализация функций управления вводом-выводом информации в сочетании с другими структурными усовершенствованиями позволила повысить эффективность работы ЭВМ, однако их общая производительность оставалась невысокой. Одной из главных причин был однопрограммный режим работы, при котором все ресурсы ЭВМ поступали в распоряжение одной программы на все время ее обработки. При такой организации работы несмотря на независимость операций ввода-вывода данных часто возникают ситуации, когда обрабатывающее устройство вынуждено ожидать окончания обмена (поскольку в этот период арифметическое устройство может быть не загружено из-за отсутствия данных).
Поэтому, в последующих моделях, была введена система прерываний, позволяющая временно прекращать выполнение текущей программы – например для ввода-вывода информации и переключать обрабатывающее устройство на выполнение другой программы (на время прерывания первой) и т. д. Система прерываний позволяла организовать многопрограммный режим работы ЭВМ (при этом в памяти машины одновременно присутствует информация, относящаяся к разным программам) и существенно повысить их производительность посредством «уплотнения» процесса обработки. Обрабатывающее устройство в этих ЭВМ стало объединять функции арифметического и центрального устройства управления, и было названо центральным процессором, или просто процессором.
Для организации взаимодействия центрального процессора и периферийных процессоров ввода-вывода (каналов ввода-вывода информации), обеспечения работы системы прерываний используется набор программ, входящих в состав системного программного обеспечения, образующего операционную систему. Операционная система управляет функционированием устройств, автоматизирует подготовку программ к выполнению и организует это выполнение. Являясь неотъемлемой принадлежностью современных средств цифровой техники, операционные системы увеличивают производительность ЭВМ и предоставляют пользователям многочисленные удобства, упрощающие взаимодействие человека с машиной.
Дальнейшее совершенствование структуры и организации работы ЭВМ привело к созданию вычислительных систем. Основу вычислительной системы составлял ряд (набор) процессоров, к которому через унифицированные каналы обмена информацией мог быть подключен широкий набор периферийных устройств. Благодаря этому стало возможным создавать вычислительные системы с переменным по производительности и конфигурации (объему памяти, набору периферийных устройств) составом оборудования, наиболее приспособленные к предполагаемой области их использования.
Решающий шаг по внедрению ЭВМ практически во все сферы человеческой деятельности был связан с прогрессом в области миниатюризации базовых элементов цифровой техники - создания электронных «чипов». Это позволило на порядки уменьшить размеры, снизить энергопотребление, повысить быстродействие и надёжность электронных компонент. Этот процесс привел к созданию персональных ЭВМ (ПЭВМ) простота и удобство работы с которыми, в сочетании с высоким быстродействием и большим объемом оперативной памяти, позволили чрезвычайно расширить круг пользователей этой техники.
Дальнейшее развитие технических средств направлено на увеличение производительности ЭВМ за счет повышения частоты работы процессоров, создания многопроцессорных систем, увеличения объемов оперативной памяти и новых разработок в области программного обеспечения.
Основные устройства
Логическая структура ЭВМ может быть представлена в виде следующего набора функциональных устройств (с точки зрения решаемых ими задач, что не означает явного выделения каждого из них в конструктивном плане).
Центральный процессор. Предназначен для автоматического выполнения последовательностей операций, указанных в программах. При этом процессор управляет взаимодействием всех устройств ЭВМ, так или иначе участвующих в передаче, хранении и обработке данных. Основными функциональными блоками процессора является арифметико-логическое устройство, центральное устройство управления и внутренняя память, называемая регистрами и предназначенная для динамического хранения различной информации, связанной с выполняемой программой.
Арифметико-логическое устройство. Служит для выполнения арифметических и логических операций над данными (сложение, вычитание, умножение, деление, логические операции). В качестве операндов (данных) могут использоваться числа в форме с фиксированной и плавающей запятой, логические и алфавитно-цифровые коды.
Центральное устройство управления. Организует согласованную работу всех устройств ЭВМ. По сигналам ЦУУ осуществляется выборка из ОЗУ и расшифровка команд программы, пересылка данных из ОЗУ в АЛУ, выполнение необходимых операций, реализация прерываний.
Оперативное запоминающее устройство. Оно предназначено для приема, хранения и выдачи команд программ, данных, промежуточных и окончательных результатов вычислений. Поэтому можно сказать, что это устройство является основным и непосредственным источником программ и обрабатываемых по этим программам данных, а также местом динамического хранения результатов этой обработки.
Конструктивно оперативное запоминающее устройство реализуется в виде отдельных блоков, имеющих местное устройство управления. Каждый блок имеет фиксированное число физических структур, предназначенных для размещения информации. В машинах первых поколений такие структуры памяти имели одну и ту же информационную емкость (разрядность), которая в современных устройствах, использующих другие подходы к организации и использования физических структур памяти, составляет 32 или 64 разряда.
Прием и выдача информации осуществлялась оперативной памятью по запросам процессора. Запросы содержат адреса, указывающие, из каких ячеек (или групп ячеек) должна выбираться информация, в какие записываться. В современных ЭВМ эти адреса, вырабатываемые процессором при выполнении команд, испытывают многоэтапные преобразования и в результате могут принимать числовые значения из вполне определенного множества (множества допустимых адресов), называемого адресным пространством машины. Совокупность адресуемых 32 или 64 разрядных порций информации (с которыми можно сопоставить адреса указанных порций данного адресного пространства) в современных устройствах и образуют пространство памяти. Максимальная емкость пространства памяти определяется и ограничивается, таким образом, принятой разрядностью адреса.
Обрабатываемые процессором при выполнении команд адреса называют логическими. На последнем этапе их последующих преобразований (когда эти адреса становятся пригодными для непосредственного управления оперативной памятью при организации выборки данных) адреса называют физическими, или абсолютными. В тех случаях, когда емкость пространства памяти, определенная логическими адресами, превышает емкость пространства памяти, определенного физическими адресами (адресами физического пространства), то соответствующие логические адреса называют виртуальными (а определенное ими пространство - виртуальным адресным пространством).
Таким образом, объём виртуального адресного пространства может превышать емкость физического пространства оперативной памяти, доступной процессору в данной ЭВМ. В этом случае данные, адресуемые в виртуальном пространстве, частично размещаются в физическом пространстве оперативной памяти, а частично - на внешних запоминающих устройствах. Очевидно, что при обращении к данным, хранящимся вне пределов оперативного запоминающего устройства, они должны быть предварительно перенесены в физическое пространство основной памяти (этот процесс осуществляется автоматически операционной системой). Такая возможность позволяет писать программы, не учитывая емкость физического пространства оперативного запоминающего устройства конкретного процессора, что упрощает программирование и расширяет вычислительные возможности ЭВМ.
Однако прогресс в области увеличения емкости оперативной памяти (в современных ЭВМ она уже измеряется в Гигабайтах) постепенно снижает необходимость такого рода взаимодействий (за исключением больших задач).
Важнейшими характеристиками оперативного запоминающего устройства являются формат и цикл обращения. Первая характеристика указывает размер порции данных, считываемых или записываемых за одно обращение (за один акт взаимодействия блока памяти с его устройством управления). Циклом обращения называют минимальный интервал времени между двумя последовательными обращениями к одному и тому же блоку памяти. Эта характеристика (вместе с форматом обращения) определяет быстродействие вычислительной машины.
Устройства управления внешними устройствами.Они необходимы для выполнения вспомогательных функций управления, характерных для конкретного типа устройств и не связанных непосредственно с передачей данных. Это может быть, например, расшифровка команды ввода-вывода информации и выработка сигналов, управляющих выполнением конкретной операции внешним устройством: подвод магнитных головок к дорожке диска и т. п. Одно устройство управления может управлять работой одного или нескольких внешних устройств данного типа. Обычно групповые устройства управления работают с быстродействующими устройствами внешней памяти, а каждое «медленное» устройство снабжается отдельными устройствами управления.
Аппаратура устройства управления либо входит в состав соответствующего устройства (обычно это «медленные» устройства, например, принтеры), либо ее изготавливают в виде самостоятельного блока (устройства управления быстрыми устройствами внешней памяти - магнитными дисками).
Связь внешних устройств и их устройств управления с процессорами осуществляется с помощью магистралей - наборов электрических линий (шин) и электронных схем, формирующих проходящие по шинам сигналы. Эта система сопряжения, называемая интерфейсом, организована так, что для включения любого внешнего устройства в вычислительную систему достаточно соединить стандартные электрические разъемы устройства и магистрали.
Такая простота включения внешних устройств в состав вычислительных систем достигается благодаря следующим особенностям интерфейса:
· стандартному формату данных и управляющих сигналов, которыми внешнее устройство обменивается с процессором (специфика внешнего устройства учитывается в нем самом или в его устройстве управления);
· стандартному формату команд для всех внешних устройств - для процессора внешние устройства различаются только адресами (все преобразования команд в управляющие сигналы осуществляются во внешнем устройстве или в его устройстве управления);
· унификации электрических параметров сигналов, передаваемых по всем шинам интерфейса.
Внешние запоминающие устройства. Во многих случаях всю информацию, связанную с решением задач на ЭВМ, невозможно или нецелесообразно постоянно располагать в оперативном запоминающем устройстве.
В качестве средств памяти для временного или постоянного хранения значительной части программ и данных используются внешние запоминающие устройства, обладающие значительно большей емкостью, чем оперативные. Во внешних запоминающих устройствах хранится, например, основная часть программ операционных систем ЭВМ, подготовленные к выполнению программы пользователей, исходные данные для работы этих программ. Сюда могут выводиться для временного или постоянного хранения результаты вычислений и любая другая информация. Внешние запоминающие устройства в вычислительном процессе непосредственно не участвуют, а хранящаяся в них информация вызывается в оперативное запоминающее устройство (или пересылается из оперативного запоминающего устройства во внешние) по мере необходимости, либо передается на устройства вывода.
Физической основой работы таких устройств - магнитных дисков, является способность ферримагнитных материалов менять магнитное состояние под действием магнитного поля, а после прекращения его действия неограниченно долго сохранять остаточную намагниченность. Запись и считывание информации в этих устройствах осуществляются в процессе взаимного перемещения магнитных головок и носителя. При записи магнитные головки являются источником магнитного поля, меняющего состояние носителя, а при считывании - приемником поля остаточной намагниченности ферримагнитного слоя. Форма организации носителя существенно влияет на информационную емкость таких устройств, способ доступа к находящейся в них информации и скорость записи - считывания.
Запись информации осуществляется в форме магнитных дорожек, имеющих вид концентрических окружностей. Выбор дорожки при записи или считывании осуществляется прецизионным механизмом, перемещающим блоки головок в радиальном направлении диска. Благодаря вращению диска любая информация, хранящаяся на нем, оказывается доступной в течение одного оборота диска вокруг оси, поэтому скорость работы этих устройств достаточно высока и зависит от частоты вращения пакета. Поскольку каждая запись на этих устройствах имеет адрес, к хранящейся на диске информации может быть организован прямой (непосредственный) доступ, поэтому их называют устройствами с прямым доступом. Современные ЭВМ комплектуются накопителями с постоянными (несменяемыми) жесткими магнитными дисками.
Сегодня, кроме жестких дисков, в качестве внешних носителей информации используется большой набор устройств, непрерывно пополняемый носителями, использующими достижения технологи и новые материалы каждый из которых предназначен для обеспечения разнообразных требований решаемых задач.
Устройства ввода-вывода информации. Они предназначены для преобразования информации из формы, удобной для использования человеком, в форму, принятую в машине (при вводе), и обратно (при выводе). Известна большая номенклатура такого рода устройств, и оснащение этими устройствами конкретной ЭВМ зависит от сферы ее использования.
Значительная часть устройств ввода-вывода информации имеют один и тот же недостаток: их быстродействие значительно меньше, чем у других устройств ЭВМ. Только самые «быстрые» из них могут обеспечить скорость обмена соответствующую быстродействию накопителей на магнитных дисках. Причина состоит в том, что многие устройства ввода-вывода информации имеют в своем составе значительное число механических узлов.
Алфавитно-цифровые печатающие устройства. Они являются основным средством вывода алфавитно-цифровой информации в форме твердой копии (отпечатанного на бумаге документа). Существует много способов и принципов реализации печати хранящейся в памяти машины информации - некоторые из них будут рассмотрены позже, при рассмотрении состава оборудования ПЭВМ.
Графопостроители. Эти устройства позволяют выводить информацию в графической форме (схемы, чертежи, графики как результаты выполненных расчетов). При необходимости указанные графические документы могут содержать также элементы текста.
Дисплеи (экранные пульты). Они удобны для организации оперативного обмена информацией между пользователем и ЭВМ. В зависимости от вида вводимой на экран ЭВМ или человеком информации (текста или графики) используются текстовые и графические режимы работы дисплея. Текстовые (алфавитно-цифровые) дисплеи применяются для ввода-вывода символьной информации, емкость (максимальное число символов, отображаемых одновременно) их экранов обычно 2000 знаков. Основными блоками дисплея являются: экран; буферное запоминающее устройство, хранящее выводимую на экран информацию; блок управления.
При работе дисплея в режиме чтения информация с клавиатуры заносится на экран, запоминается в буферном запоминающем устройстве и по команде пользователя передается в ЭВМ по каналу связи. В режиме записи информация передается по специальным каналам из ЭВМ в буферное запоминающее устройство дисплея, а затем высвечивается на экране.
Для указания места вводимого на экран символа используется специальная метка - маркер (курсор), обычно имеющий вид линии подчеркивания. Емкость экрана используемых для комплектации ПЭВМ дисплеев составляет обычно 24 строки по 80 символов, емкость буферного запоминающего устройства 256 Кбайт. Информация, введенная на экран, передается в ЭВМ для обработки, а результаты могут быть вновь выведены на экран для их оценки. Такое взаимодействие человека с ЭВМ (называемое интерактивным режимом работы) позволяет с высокой эффективностью решать задачи экономики, проектирования в различных областях техники, автоматизировать процесс научных исследований и т. п.
ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР