Принципы и структура ЭВМ 1 Принципы на которых

Принципы и структура ЭВМ 1. Принципы, на которых строится ЭВМ 2. Структура классической ЭВМ

1. Принципы ЭВМ

Принципы ЭВМ Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления. Программа должна размещаться в одном из блоков машины - в запоминающем устройстве (ЗУ), обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы. Программа так же, как и числа, с которыми оперирует машина, представляется в двоичном коде. По форме представления команды и числа однотипны.

• Эти Принципы приводят к следующим важным последствиям: – промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же ЗУ, что и программа; – числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы.

• Трудности физической реализации ЗУ, быстродействие которого соответствовало бы скорости работы логических схем, требует иерархической организации памяти. • Арифметические устройства машины конструируются на основе схем, выполняющих операцию сложения. Создание специальных устройств для вычисления других операций нецелесообразно. • В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).

2. Структура классической ЭВМ

Структура классической ЭВМ состоит из следующих основных блоков: , арифметико-логического устройства (АЛУ, запоминающего устройства (ЗУ) и устройства управления (УУ).

• Запоминающее устройство (память) - это совокупность ячеек, предназначенных для хранения некоторого кода. Каждой из ячеек присвоен свой номер, называемый адресом Информацией, записанной в ячейке, могут быть как команды в машинном виде, так и данные. • Машинная команда - это двоичный код, определяющий выполняемую операцию, адреса используемых операндов и адрес ячейки ЗУ, по которому должен быть записан результат выполненной операции. • Операции, определяемые кодом операции команды, выполняются в арифметико-логическом устройстве (АЛУ).

2. 1 Устройство управления Все действия в ЭВМ выполняются под управлением сигналов, вырабатываемых устройством управления (УУ).

1 • Управляющие сигналы формируются на основе информации, содержащейся в выполняемой команде, и признаков результата, сформированных предыдущей командой (если выполняемая команда является, например, командой условного перехода). • • Устройство управления помимо сигналов, определяющих те или иные действия в различных блоках ЭВМ (например, вид операции в АЛУ или сигнал считывания из ЗУ), формирует также адреса ячеек, по которым производится обращение к памяти для считывания команды и операндов и записи результата выполнения команды.

2 • Устройство управления формирует адрес команды, которая должна быть выполнена в данном цикле, и выдает управляющий сигнал на чтение содержимого соответствующей ячейки запоминающего устройства. • Считанная команда передается в УУ. По информации, содержащейся в адресных полях команды, УУ формирует адреса операндов и управляющие сигналы для их чтения из ЗУ и передачи в арифметико-логическое устройство.

3 • После считывания операндов устройство управления по коду операции, содержащемуся в команде, выдает в АЛУ сигналы на выполнение операции. • Полученный результат записывается в ЗУ по адресу приемника результата под управлением сигналов записи. • Признаки результата (знак, наличие переполнения, признак нуля и так далее) поступают в устройство управления, где записываются в специальный регистр признаков. Эта информация может использоваться при выполнении следующих команд программы, например команд условного перехода.

Еще одна, но более полная Структурная схема ЭВМ

Еще одна Структурная схема ЭВМ

Процессор

• Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы. • Считают, что процессор состоит из четырех устройств: арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), блока регистров (БР) и кэш-памяти (см. структуру классической ЭВМ).

• АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Промежуточные результаты сохраняются в БР. • • Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. • УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т. е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

Системная шина

• Основной функцией системной шины является передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. • Системная шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. • По этим шинам передаются операнды – команды, управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода.

• По шине данных пересылаются операнды в блоки ЭВМ, адреса которых указаны на шине адреса. • Шина управления следит, чтобы операнды при движении не мешали другу и перемещались по очереди. • Сигналы, передаваемые по управляющей шине, синхронизируют работу процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации.

Память

• Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных. • Существует несколько разновидностей памяти: • оперативная, • постоянная, • внешняя, • кэш, • регистровая.

• Существование целой иерархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, энергозависимости, назначению, объему и стоимости. • Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пересчете на один байт памяти имеет большую стоимость, чем память более низкого уровня.

Регистровая память • Регистровая память — наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной). Она представляет собой блок регистров (БР), которые размещены внутри процессора. • Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет, сдвиг операндов, запоминание адресов, фиксация состояния процессора и т. д.

Кэш-память (Сache) В переводе с английского языка слово cache (кэш) означает «тайник» , так кэш-память недоступна для программиста (она автоматически используется компьютером).

1 • Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. • Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось бы на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память (и обратно). Работа кэшпамяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания новых данных и команд). • Этот вид памяти уменьшает противоречие между быстрым процессором и относительно медленной оперативной памятью.

2 • Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие. • В ЭВМ число запоминающих устройств с этим видом памяти может быть различным. В современных ЭВМ имеется два-три запоминающих устройства этого вида. • Кэш-память первого уровня располагается внутри процессора, а кэш-память второго уровня — вне процессора (на так называемой материнской плате).

• Кэш-память первого уровня, которая размещается на одном кристалле с процессором, принято обозначать символами L 1. • Кэш-память, которая располагается на материнской плате (второй уровень), обозначается символами L 2.

Оперативное запоминающее устройство

• Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной (текущей) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. • Это значит, что процессор может выбрать из ОЗУ команду или обрабатываемые данные (режим считывания) и после арифметической или логической обработки данных поместить полученный результат в ОЗУ (режим записи). • Размещение новых данных в ОЗУ возможно на тех же местах (в тех же ячейках), где находились исходные данные.

• ОЗУ используется для хранения программ, составляемых пользователем, а также исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора. • В качестве запоминающих элементов в ОЗУ используются либо триггеры, либо конденсаторы. • ОЗУ — это энергозависимая память, поэтому при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно. • По быстродействию ОЗУ уступает кэш-памяти и тем более сверхоперативной памяти — БР. Стоимость ОЗУ значительно ниже стоимости упомянутых видов памяти.

Постоянное запоминающее устройство

• В ПЗУ хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют тест-мониторные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой) и др. • ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется даже при выключении электропитания. • Перспективным видом постоянной памяти является память с электрическим способом стирания и записи информации (FLASH-память)

Внешние запоминающие устройства

• ВЗУ предназначены для долговременного хранения информации. • • К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры), накопители на жестких дисках (винчестеры), накопители на гибких дисках, проигрыватели оптических дисков. • ВЗУ по сравнению с ОЗУ имеют, в основном, больший объем памяти, но существенно меньшее быстродействие.

Устройства ввода/вывода информации

• К устройствам ввода информации относятся: клавиатура, мышь, трекбол, джойстик, сканер, сенсорный экран, световое перо, цифровая видеокамера, микрофон, датчики и др. • К устройствам вывода информации относятся: дисплей (монитор), принтер, плоттер, акустические колонки и др. • Модем выполняет функции и устройств ввода, и устройств вывода информации. Он позволяет соединяться с другими удаленными компьютерами с помощью телефонных линий связи и обмениваться информацией между ЭВМ. Модем на передаче превращает цифровые сигналы в звуки, а на приеме – наоборот.

Открытость архитектуры • Одной из идей, положенных в основу персональных компьютеров, является открытость архитектуры. Согласно этой концепции, каждый пользователь может самостоятельно формировать конфигурацию своего компьютера по своему усмотрению. • Это означает, что в зависимости от потребности пользователь может подключить к системной шине различные устройства: модем, звуковую плату, клавиатуру электромузыкального инструмента, плату телевизионного приемника и т. п. • Открытость архитектуры позволяет легко модернизировать имеющийся компьютер, например, путем замены винчестера на жесткий диск большего объема, замены процессора, увеличения объема оперативной памяти и т. д.