Основные понятия автоматизированной обработки информации, общий состав и структуру персональных электронно-вычислительных машин. лекция 1-2. Внутренней структуре эвм, содержащей интеллектуальные контроллеры. Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами эвм используется общая шина (часто ее называют магистралью)
 Скачать 1.2 Mb.
|
3. АРХИТЕКТУРА ЭВМ3.1. Фон Неймановская архитектура ЭВМ.Джон фон Нейман выделил и детально описал пять ключевых компонентов того, что ныне называют «архитектурой фон Неймана». Компьютер для обеспечения критериев эффективности и универсальности должен включать в себя следующие компоненты: - центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ); - центральное устройство управления (УУ), управляющее операциями; - запоминающее устройство (ЗУ), или память; - устройства ввода информации; - устройства выводы информации. По фон Нейману эта система должна работать с двоичными числами, быть электронной (а не механической) и выполнять операции последовательно, одну за другой. Принципы фон Неймана стали общепринятыми только потому, что широко применялись все время. Они положены в основу как больших ЭВМ первых поколений, так и более поздних мини-, микро-ЭВМ и персональных компьютеров (ПК).  Рис.3.1. Архитектура фон Неймана (классическая блок-схема вычислительной машины) Принято считать, что машине с архитектурой фон Неймана присущи следующие характеристики: - единственная последовательно адресуемая память (программа и данные хранятся в единой памяти, адреса областей которой составляют последовательность 0, 1, 2,…); - память является линейной (вектор слов); - отсутствуют явные различия между командами и данными (они идентифицируются неявным способом при выполнении операций, что дает возможность обращаться с командами как с данными); - назначение данных не является их неотъемлемой составной частью (назначение данных определяется логикой работы программы.) Рассмотрим принцип функционирования ВМ по архитектуре фон Неймана (см. рис.3.1.). Программы и данные вводятся в ЗУ через устройство ввода и размещаются в последовательных ячейках ЗУ. Каждая ячейка имеет свой порядковый номер, называемый адресом ячейки. В ячейке запоминается (команда или данные). Команды располагаются в последовательных ячейках. Последовательность команд образует программу. Каждая команда кодируется числовым кодом. Код команды состоит из двух частей: КО – код операции и код(ы) адреса(адресов). На рис.3.1. показан код трех адресной команды, так как по логической структуре это наиболее соответствует структуре арифметических операций (1-й и 2-ой операнды, результат). В ЗУ могут оперативно запоминаться промежуточные и окончательные результаты вычислений (обработки данных). Арифметико-логическое устройство выполняет над введенными данными процессы обработки (соответствующие кодам операции). Причем выполняются, в основном, операции суммирования и логические операции (т.е. все арифметические операции выполняются посредством операций алгебраического сложения над числами, поставленными в соответствующих специальных кодах). (это вы рассмотрите на практике). Полученные результаты из ЗУ или непосредственно из АЛУ выводятся посредством устройства вывода (например, устройства печати принтера). Главным устройством является устройство управления (УУ). Между устройством управления и компонентами компьютера существуют прямые и обратные каналы связи. По прямой связи от УУ управляемому объекту (компоненту) подаются указания об управляющих воздействиях, а по обратной связи посылается информация о текущем состоянии объекта управления (двусторонние стрелки). УУ со всеми компонентами имеет двунаправленную связь для осуществления обмена управляющей информацией. Именно это и позволяет ему все время быть в курсе происходящего в каждом устройстве событий и осуществлять принцип программного управления (с помощью ЗУ). По начальному адресу программы (например, адрес i) находится указанная ячейка и считанная из нее команда посылается в УУ (т.к. УУ определяет операцию и управляет процессом ее выполнения). Пример. Если в ячейке с адресом i находится команда сложения чисел a и b, и полученная сумма должна запомниться в определенной пустой ячейке ЗУ. Допустим, что операнды a и b находятся в ячейках соответственно с адресами 0100 и 0101, код операции сложения 01, а сумма должна записаться в ячейку с адресом 0200. Тогда код команды в ячейке i будет иметь следующий вид. <i> - 01 0100 0101 0200 Код команды 01 0100 0101 0200 поступает из ЗУ в УУ. Далее дешифруется часть кода команды – код операции 01. В результате УУ определяет, какая операция будет выполняться и всем компонентам машины, участвующим в ее реализации, по каналам прямой связи посылает соответствующую управляющую информацию. После получения от всех компонент ответной информации об их готовности к выполнению операции в УУ выделяется код адреса первого операнда, т.е. «0100», который посылается в ЗУ. В ЗУ находится ячейка с адресом 0100 и его содержимое посылается (а) пересылается в АЛУ. Далее точно также их УУ код адреса второго операнда посылается в ЗУ и содержимое 0101 (b) пересылается в АЛУ. В АЛУ образуется сумма (a+b). Получив об этом информацию, УУ выделяет последний код адреса 0200 и посылает его в ЗУ. Как только в ЗУ находится ячейка с этим адресом, об этом извещается УУ, которое в АЛУ посылает управляющую информацию о посылке суммы (a+b) в ЗУ. Таким образом, в ячейке 0200 оказывается (a+b). К этому моменту содержимое специального счетчика УУ (так называемого счетчика команд (СЧ), обеспечивающего выполнение соответствующей последовательности команд) увеличивается на единицу (СЧ=i+1). Это новый адрес (адрес подлежащей выполнению очередной команды) посылается в ЗУ и начинается процесс выполнения следующей команды, находящейся в ячейке ЗУ с адресом i+1. Если выполняется команда безусловной передачи управления другой команде программы, находящейся по адресу, например, i+k, то в адресной части выполняемой (текущей) команды будет находиться код адреса (i+k), который будет занесен в указанный выше СЧ. С этого момента машина начинает выполнять ту часть программы, которая расположена в области ЗУ, начиная с ячейки с адресом (i+k). Если же должна выполняться команда условной передачи управления, то адрес (i+k) заносится в СЧ только в том случае, когда выполняется поставленное условие. В противном случае, последовательный процесс выполнения программы не нарушается. Процесс работы фон Неймановской архитектуры очень упрощен и понятия сильно обобщены. На самом деле происходят более сложные процессы, все они по времени строго синхронизируются и в определенной степени совмещаются. Однако алгоритм функционирования в общих чертах именно таков. Современные компьютеры отличаются от выше приведенного. В частности АЛУ, УУ и сверхбыстродействующий блок оперативной памяти объедены в центральный процессор. Процесс выполнения программ может прерываться для выполнения других неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств и иных устройств и блоков компьютера – сигналами прерываний. Многие ВМ сейчас выполняют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Список можно продолжить. Тем не менее, современные ВМ в общих чертах соответствуют основным принципам, заложенным фон Нейманом. |