Технические средство реализации информационных процессов

2.1. Представление информации в технических устройства»

В основу любого устройства, предназначенного для преобразо­вания или хранения информации, должен быть положен принцип ее представления, то есть ее физический носитель. Известны, напри­мер, механические устройства, в которых информация представля­ется углами поворота или перемещения объектов относительно друг друга. Так как автоматизация процесса обработки информации все­гда являлась важной задачей для дальнейшего прогресса промышлен­ности и науки, предлагались устройства, принцип представления информации в которых зависел от уровня развития техники: меха­нические устройства с ручным, а затем с паровым приводом, элект­ромеханические, электрические устройства и, наконец, электронные устройства. Последние получили широкое распространение и за 30—40 лет вытеснили устройства других типов. Исключение состав­ляют случаи, когда преобразование информации требует наличия движущихся объектов, например, лентопротяжные или дисковые ме­ханизмы памяти больших объемов, исполнительные механизмы и приводы и некоторые другие. Преимущество использования элект­ронных устройств обусловлено многими факторами, главными из которых являются удобство преобразования и передачи электричес­ких сигналов, малая инерционность электронных устройств и, сле­довательно, их высокое быстродействие.

Вычислительные устройства, использующие непрерывную фор­му представления информации, называются аналоговыми вычисли­тельными машинами (АВМ). Вычислительные устройства, использу­ющие дискретную форму представления, называются цифровыми вычислительными машинами (ЦВМ).

В настоящее время устройства, использующие непрерывный способ представления информации, вытесняются более прогрессивны­ми цифровыми устройствами, даже из таких традиционно «анало­говых» областей, как телевидение и телефония. Что касается непо­средственно вычислительных систем, то их развитие, начавшееся преимущественно с АВМ, постепенно перешло к ЦВМ и к середине 70-х гг. прошлого столетия ЦВМ полностью вытеснили АВМ.

В дальнейшем мы будем рассматривать только вычислительные устройства с дискретным представлением информации, поэтому здесь остановимся несколько подробнее на принципе построения и полез­ных свойствах АВМ.

АВМ имели блочную структуру, т.е. представляли собой систему связанных между собой базовых элементов. Связи между базовыми элементами, их состав и количество изменялись для каждой задачи, решаемой на АВМ. В качестве базового элемента использовался опе­рационный усилитель, схема которого показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Операционный усилитель

Он состоит из усилителя, входных элементов (Е1, ..., Еn) и эле­мента обратной связи (Еос). В качестве элементов используются ра­диоэлектронные компоненты; резисторы, конденсаторы, индуктив­ности. В зависимости от типов элементов, базовый элемент может производить сложение, интегрирование, дифференцирование и не­которые другие операции над входными напряжениями (Ubx1, ..., ubxn), результат операции снимается в виде выходного напряжения (Ubых). Основными достоинствами АВМ являлись простота аппарат­ной реализации и высокая скорость получения решения. Основным же недостатком являлась низкая точность результата, так как радио­электронные компоненты, подвергаясь воздействиям внешней сре­ды, изменяли свои параметры, что и влияло на точность решения.

ЦВМ имеют гораздо более высокую сложность аппаратной и программной реализации. Информация в них имеет определенные границы представления, т.е. точность представления информации ко­нечна. Для расширения границ представления необходимо увеличи­вать аппаратную часть или увеличивать время обработки. Основны­ми достоинствами ЦВМ, а в дальнейшем — компьютерных систем (КС) являются:

• гарантированная точность результата, зависящая только от гра­ниц представления данных;

• универсальность — способность обрабатывать данные любыми
методами, представляемыми последовательностью простых арифметических и логических операций;

• возможность реализации большого числа известных численных
математических методов решения задач.

2.2. Базовая система элементов компьютерных систем

Компьютерные системы (КС) используют естественное представ­ление чисел в позиционной системе счисления, поэтому при пост­роении базовых элементов очень большое значение имеет выбор ос­нования системы счисления. Как уже говорилось выше (см. главу 1), для построения цифровых устройств была выбрана двоичная систе­ма счисления. Одним из преимуществ двоичного представления яв­лялось и то, что для проектирования устройств можно было исполь­зовать мощный аппарат алгебры логики — булевых функций.

При построении функциональных узлов КС используются эле­менты, которые реализуют базовую систему логических функций. Одним из таких базовых наборов является набор из трех функций: дизъюнкции (логическое ИЛИ), конъюнкции (логическое И) и от­рицание (логическое НЕ). На рис. 2.2 показаны условные обозначе­ния и значения выходного сигнала в зависимости от входных сигна­лов. Ноль изображается на диаграммах низким значением сигнала, а единица — высоким. Используя эти базовые элементы, строятся все функциональные узлы ЦВМ.

Рис. 2.2. Базоваясистема логических элементов цифровых устройств

2.3. Функциональные узлы компьютерных систем

2.3,1, Элемент памяти

Основой любого компьютера является ячейка памяти, которая может хранить данные или команды. Основой любой ячейки памя­ти является функциональное устройство, которое может по команде принять или выдать один двоичный бит, а, главное, сохранять его сколь угодно долго. Такое устройство называется триггер, или защел­ка. Оно строится на основе базового набора логических схем. На рис. 2.3 показана схема триггера. Он собран на четырех логических эле­ментах: два элемента «логическое НЕ» (схемы 1 и 2) и два элемента «логическое И-НЕ» (схемы 3 и 4). Два последних элемента представ­ляют собой комбинацию логических элементов «логическое И» и «логическое НЕ». Такой элемент на входе выполняет операцию ло­гического умножения, результат которой инвертируется на выходе логическим отрицанием. Триггер имеет два выхода . Сигнал на выходе Q соответствует значению, хранящемуся в триггере

Рис. 2.3. Схема триггера в состоянии хранения бита информации

Выход используется при необходимости получить инверсное значе­ние сигнала. Входы S и R предназначены для записи в триггер од­ного бита со значением ноль или единица.

Рассмотрим состояние триггера во время хранения бита. Пусть в триггер записан ноль (на выходе 0. низкий уровень сигнала). Еди­ница на выходе схемы 4 и единица на выходе схемы 1 поддержива­ют состояние выхода схемы 3 в состоянии нуля . В свою очередь, ноль на выходе схемы 3 поддерживает единицу на выходе

схемы , Такое состояние может поддерживаться триггером бесконечно долго.

Для записи в триггер единицы подадим на вход S единицу (рис. 2.4). На выходе схемы l получится ноль, который обеспечит на выходе схемы 3 единицу. С выхода схемы 3 единица поступит на вход схемы 4, на выходе которой значение изменится на ноль Этот ноль на входе схемы 3 будет поддерживать сигнал на ее выходе в состоянии единицы. Теперь можно снять единичный сигнал на входе S, на выходе схемы 3 все равно будет высокий уровень. Те; триггер сохраняет записанную в него единицу. Единичный сигнал на входе 5 необходимо удерживать некоторое время, пока на выходе схе­мы 4 не появится нулевой сигнал. Затем вновь на входе S устанав­ливается нулевой сигнал, но триггер поддерживает единичный

Рис. 2.4. Запись в триггер единицы

сигнал на выходе Q, т.е. сохраняет записанную в него единицу. Точно так же, подав единичный сигнал на вход R, можно записать в триг­гер ноль, Условное обозначение триггера показано на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Условное обозначение триггера

2.3,2, Регистры

Триггер служит основой для построения функциональных узлов, способных хранить двоичные числа, осуществлять их синхронную параллельную передачу и запись, а также выполнять с ними некото­рые специальные операции. Такие функциональные узлы называют­ся регистрами.

Регистр представляет собой набор триггеров, число которых оп­ределяет разрядность регистра. Разрядность регистра кратна восьми битам: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные регистры. Кроме этого в состав регистра входят схемы управления его работой. На рис. 2.6 приведе­на схема регистра хранения. Регистр содержит п триггеров, образу­ющих п разрядов. Перед записью информации регистр обнуляется подачей единичного сигнала на вход «Сброс». Запись информации в регистр производится синхронно подачей единичного сигнала «За­пись». Этот сигнал открывает входные вентили (схемы «логическое И»), и на тех входах х₁.. х_n, где присутствует единичный сигнал, про­изойдет запись единицы. Чтение информации из регистра также производится синхронно, подачей сигнала «Чтение» на выходные вен­тили. Обычно регистры содержат дополнительные схемы, позволя­ющие организовать такие операции, как сдвиг информации (регист­ры сдвига) и подсчет поступающих единичных сигналов (регистры счетчики)

Рис. 2.6. n-разрядный регистр хранения с синхронной записью и чтением

2.3,3, Устройство обработки информации

Для обработки информации компьютер должен иметь устрой­ство, выполняющее основные арифметические и логические опера­ции над числовыми данными. Такие устройства называются ариф­метико-логическими устройствами (АЛУ). В основе АЛУ лежит устройство, реализующее арифметическую операцию сложения двух

целых чисел. Остальные арифметические операции реализуются с помощью представления чисел в специальном дополнительном коде. Сумматор АЛУ представляет собой многоразрядное устройство, каж­дый разряд которого представляет собой схему на логических элемен­тах, выполняющих суммирование двух одноразрядных двоичных чи­сел с учетом переноса из предыдущего младшего разряда. Результатом является сумма входных величин и перенос в следующий старший разряд. Такое функциональное устройство называется одноразряд­ным, полным сумматором. Его условное обозначение показано на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Условное обозначение полного одноразрядного сумматора

Рассмотренные выше функциональные элементы являются ос­новными при построении схем компьютерных систем.

2.4. Принцип автоматической обработки информации Вычислительным устройством

Основным отличием вычислительной машины от таких счетных устройств, как счеты, арифмометр, калькулятор, заключается в том, что вся последовательность команд на вычисление предварительно записывается в память вычислительной машины и выполняется по­следовательно автоматически. Впервые принцип вычислительной машины с автоматическим выполнением команд предложил амери­канский ученый фон Нейман. Он описал основные узлы, которые

должна содержать такая машина. Этот принцип получил название фон-неймановской вычислительной машины. Большинство совре­менных КС в настоящее время построено именно по этому прин­ципу.

Машина фон Неймана состояла из памяти, представлявшей со­бой набор регистров, АЛУ, устройства ввода-вывода и устройства управления (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Машина фон Неймана

Устройство ввода передавало команды и данные в АЛУ, откуда они записывались в память. Все команды, совокупность которых называется программой, записываются в память в соседние ячейки по возрастанию их адресов, а данные, которые требуют обработки,— в ячейки с произвольными адресами. Последняя команда програм­мы — это обязательно команда остановки работы. Каждая команда содержит код операции, которую необходимо выполнить, и адреса ячеек, в которых находятся данные, обрабатываемые этой командой. Устройство управления содержит специальный регистр, который на­зывается «Счетчик команд». После загрузки программы и данных память в счетчик команд записывается адрес первой команды про­граммы. После чего вычислительная машина переходит в режим ав­томатического выполнения программы.

Устройство управления считывает из памяти содержимое ячей­ки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». Регистр команд хранил команду во время ее исполнения. Устройство управления рас­шифровывает тип операции команды, считывает из памяти данные, адреса которых указаны в команде, и приступает к ее выполнению. Для каждой команды устройство управления имеет свой алгоритм' обработки, который заключается в выработке управляющих сигна­лов для всех остальных устройств машины. Этот алгоритм мог быть реализован на основе комбинационных логических схем или с по­мощью специальной внутренней памяти, куда эти алгоритмы были записаны в виде микрокоманд, объединенных в микропрограммы. Выполнение микропрограммы происходит по тому же принципу, что и программы в основной памяти, т.е. по принципу фон Неймана. Каждая микрокоманда содержит набор управляющих сигналов для устройств машины. Отметим, что устройства управления выполнени­ем команд процессоров в современных компьютерных системах так­же строятся по принципу комбинационных схем или микропрог­раммных автоматов, в соответствии с чем делятся на RISC и СISС процессоры, о которых будет рассказано ниже.

Микропрограмма выполнения любой команды обязательно со­держит сигналы, изменяющие содержимого счетчика команд на еди­ницу. Таким образом, после завершения выполнения очередной ко­манды, счетчик команд указывал на следующую ячейку памяти, в которой находилась следующая команда программы. Устройство уп­равления читает команду, адрес которой находится в счетчике ко­манд, помещает ее в регистр команд и т.д. Этот процесс продолжа­ется до тех пор, пока очередная исполняемая команда не оказывается командой останова исполнения программы. Интересно отметить, что и команды, и данные, находящиеся в памяти, представляют собой целочисленные двоичные наборы. Отличить команду от данных уст­ройство управления не может, поэтому, если программист забыл закончить программу командой останова, устройство управления чи­тает следующие ячейки памяти, в которых уже нет команд програм­мы, и пытается интерпретировать их как команды.

Особым случаем можно считать команды безусловного или ус­ловного перехода, когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количе­ство адресов. В этом случае команда перехода содержит адрес ячей­ки, куда требуется передать управление. Этот адрес записывается устройством управления непосредственно в счетчик команд и про­исходит переход на соответствующую команду программы.