Автоматизированные системы управления атомных электростанций 2
![]()
|
Выбор схем регулирования типовых теплоэнергетических процессов и методы настройки типовых регуляторов.19. Структура и принципы построения ЭВМ.Электронная вычислительная машина (ЭВМ, компьютер) представляет собой комплекс технических средств, предназначенный для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. В основу архитектуры большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом в отчете по ЭВМ EDVAC: •принцип программного управления — из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд (СчАК). Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду; •принцип однородности памяти — программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм); • принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен. Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от них — не-фон-неймановские. Например, в ассоциативных компьютерах может не выполняться принцип программного управления, поскольку каждая команда здесь содержит адрес следующей (т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего на выполняемую команду программы). Архитектура фон Неймана часто ассоциируется с принстонской архитектурой, которая характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ и данных. Альтернативная — гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. По прошествии более 60 лет большинство компьютеров так и имеют «фон-неймановскую архитектуру». В СССР независимо отфон Неймана были сформулированы более детальные и полные принципы построения электронных цифровых вычислительных машин (Сергей Алексеевич Лебедев). ЭВМ классической архитектуры фон Неймана состоит из пяти основных функциональных блоков: - арифметическо-логического устройства (АЛУ); - устройства управления (УУ); - запоминающего устройства (ЗУ); - устройства ввода (УВв); - устройства вывода {УВыв). ![]() Рис. Структурная схема ЭВМ архитектуры фон Неймана. ______ данные и команды --------- управляющие сигналы. Арифметическо-логическое устройство и устройство управления составляют совместно процессор (Пр). Процессор — основная часть электронно-вычислительной машины, непосредственно осуществляющая процесс обработки данных и управляющая ее работой. Арифметическо-логическое устройство — функциональная часть процессора выполняющая арифметические и логические действия над данными и предназначения я для выполнения арифметических и логических операций над кодами чисел и команд. В него входит сумматор, ряд регистров, логические схемы и элементы управления. С помощью этих узлов можно складывать, вычитать, умножать и делить числа. Арифметические операции могут выполниться последовательно по разрядам и параллельно. В соответствии с этим могут выть машины последовательного и параллельного действии. В настоящее время наибольшее распространение получили ЭВМ параллельного действия. Запоминающее устройство предназначено для хранения введенной информации, программы вычислений и промежуточных результатов вычислений. Информация, содержащаяся в памяти запоминающего устройства и необходимая для решения задачи, по мере необходимости выводится из него и передается в АЛУ. После выполнения необходимых преобразований она вновь заносится в память. По назначению запоминающие устройства подразделяются на оперативные (ОЗУ), сверхоперативные (СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ). В память ЭВМ записывается и программа решении задачи. Программа состоит из последовательности команд (операций), которые необходимо выполнить для решения определенном задачи. Команда содержит адреса чисел в ячейках памяти, а также указание, какую операцию нужно произвести над этими числами. Программа может быть записана па перфоленте, перфокарте, магнитном диске и магнитной ленте. Составленные заранее программы вводится в память машины перед решением задачи. Оперативное запоминающее устройство состоит из отдельных ячеек, имеющих свои номера или адреса. Каждая ячейка предназначена для хранения кода (слова) определенной длины. Все арифметические, логические операции и операции управления в машине выполняются по специальным управляющим командам. Команда представляется в виде цифрового набора и состоит из кодовой и адресной частей. Кодовая часть (код операции) команды содержит условное обозначение операции, которую должна выполнять машина. Адресная часть указывает на то, где хранится информация, над которой необходимо выполнять данную операцию, и куда направить результат. По числу адресов в команде различаются трех-, двух- и одноадресные машины. Имеются машины, команда которых содержит четыре и пять адресов, но они получили малое распространение. На рис. 2-27, а представлено минимальное содержание трехадресной команды. В трехадресной команде адреса / и 2 указывают местонахождение операндов (данных) в памяти машины, которые следует выбрать для исполнения операции, определяемой кодом операции. Адрес 3 указывает номер ячейки памяти, куда необходимо послать результат. ![]() В двухадресной команде (рис. 2-27,6) в адресной части указываются лишь два адреса, по которым выбираются операнды для исполнения операции, а результат либо может оставаться в арифметическом устройстве, либо посылаться в ячейку, номер которой указан, например, по второму адресу (в этом случае один из операндов хранился в арифметическом устройстве). В одноадресной команде (рис. 2-27, в) в адресной части указывается всего лишь один адрес, по которому выбирается операнд для исполнения операции или же посылается результат. Последовательность команд составляет программу работы машины. Таким образом, ЦВМ должна иметь три основных устройства (рис. 2-28): 1) арифметическое устройство (процессор), предназначенное для выполнения арифметических и логических операций; 2) запоминающее устройство (память), которое служит для хранения программы работы машины, исходных числовых данных, промежуточных и конечных результатов; 3) устройство управления, предназначенное для управления цифровой машиной при автоматической работе ее по программе или при ручном управлении с пульта. Для ввода и вывода информации служат входные и выходные устройства. Исходные данные, а также команды вводятся в запоминающее устройство машины, после чего машина подготовлена для решения задачи по заданной программе. В процессе решения задачи устройство управления выбирает последовательно из памяти команду за командой для исполнения. Исполнение команды протекает в два этапа. На первом этапе производится выборка команды из запоминающего устройства, а на втором — выбранная команда исполняется. Как правило, после исполнения команды, выбранной из ячейки с номером k, исполняется очередная команда, находящаяся в ячейке с номером At+1 и т. д., до тех пор, пока не выполнятся все комаялы программы или же не встретится команда, из-» меняющая обычный порядок выборки. ЦВМ, в которых команды автоматически выбираются из ячеек с номерами, увеличивающимися на единицу при каждой выборке, называются машинами с естественным порядком исполнения команд. Устройство управления выполняет функции управления дли обеспечения взаимодействия составных частей ЭВМ, Оно предназначено для приема и интерпретации кода команды, а также выработки последовательности всех функциональных управляющих сигналов для выполнения операций, задаваемых командой. Кроме того. УУ анализирует ход решения задачи, по мере необходимости модифицирует команды и управляет последовательностью выполнения машиной команд программы в соответствии с заданным алгоритмом — конечной совокупностью точно сформулированных правил решения какой-то задачи. Таким образом, У У в процессе работы обеспечивает автоматическую обработку цифровой информации в ЭВМ. Устройство управления содержит задающий генератор, который вырабатывает импульсы тактовой частоты, синхронизирующие работу машины. Устройство ввода данных предназначено для ручного или автоматического ввода, хранения и автоматической записи в память машины исходных данных решаемой задачи, а также программы вычислений. Информация вводится в ЭВМ с использованием устройствввода с перфокарт, перфолент, магнитных лент, магнитных дисков и др. Накопитель на магнитной ленте (НМЛ) — запоминающее устройство, в котором носителем данных является магнитная лента. Накопитель на магнитных дисках (НМД) — запоминающее устройство, в котором носителем данных является магнитный диск. Устройство вывода данных предназначено для автоматического приема результатов вычислений, хранения и выдачи этих данных в виде, удобном для дальнейшего использования. Результаты вычислений обычно выводятся на печатающее устройство ЭВМ, записываются на магнитную ленту, высвечиваются на экранах и табло пультов и иногданабиваются на перфокарты или перфоленты. Таким образом, одно и то же устройство, например накопитель на магнитной ленте, может выполнить функции как устройства ввода, так и устройства вывода; часто все устройства ввода и вывода объединяются в одну общую группу устройств ввода — вывода.
|