Структура ЭВМ Фон-неймановские принципы ЭВМ 1 Принцип

Структура ЭВМ

Фон-неймановские принципы ЭВМ 1. Принцип двоичного кодирования. Это означает, что вся информация в компьютере передается и хранится в двоичном виде. 2. Принцип программного управления. Программа представляет собой набор команд, которые процессор выполняет автоматически и в определенной последовательности

Фон-неймановские принципы ЭВМ 3. Принцип однородности памяти. Разнотипная информация различается по способу использования, а не по способу кодирования. 4. Принцип адресности. Информация размещается в ячейках памяти, которые имеют точный адрес. Зная адрес ячейки памяти, ЦП может получить доступ к нужной информации в любой момент времени.

Структура ЭВМ

Структура классической ЭВМеще одна ЭВМ состоит из следующих основных блоков: запоминающего устройства, арифметико-логического устройства и устройства управления.

Функции процессора • обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций (АЛУ); • программное управление работой устройств компьютера (УУ) • Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены

Функции памяти • приём информации из других устройств; • запоминание информации; • выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Регистры • В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. • Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. • Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд). • Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления.

Виды регистров • сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции • счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти • регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.

Контроллеры и адаптеры • Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты • Контроллеры и адаптеры представляют собой электронные цепи, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. • Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств • Порты устройств представляют собой электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Микропроце ссоры • Микропроце ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). • Первые микропроцессоры появились в 1970 -х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4 -битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8 -битные микропроцессоры с 16 -битной адресацией позволили в середине 1970 -х годах создать первые бытовые микрокомпьютеры.

И снова 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.

Следствия этих обстоятельств : • числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы; • промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же ЗУ, что и программа;

Следствия - продолжение • 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).

Структура классической ЭВМеще одна ЭВМ состоит из следующих основных блоков: запоминающего устройства, арифметико-логического устройства и устройства управления.

Еще и еще одна Структурная схема ЭВМ

Общий принцип работы ЭВМ 1 Общий принцип работы ЭВМ заключается в следующем. Из процессора на шину адреса выдается адрес очередной команды. Считанная по этому адресу команда (например, из ПЗУ) поступает по шине данных (внутри системной шины) в процессор, где она выполняется с помощью АЛУ. После исполнения процессором текущей команды на шину адреса выводится адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда Устройство управления процессора определяет адрес следующей выполняемой команды (фактически номер очередной ячейки памяти, где находится очередная команда) И т. д.

Общий принцип работы ЭВМ • Общий принцип работы ЭВМ заключается в следующем. • Из процессора на шину адреса выдается адрес очередной команды. • Считанная по этому адресу команда (например, из ПЗУ) поступает по шине данных (внутри системной шины) в процессор, где она выполняется с помощью АЛУ. • После исполнения процессором текущей команды на шину адреса выводится адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда • Устройство управления процессора определяет адрес следующей выполняемой команды (фактически номер очередной ячейки памяти, где находится очередная команда) • И т. д.

• 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 (Опера нд (англ. operand) в языках программирования ― аргумент операции; данные, которые обрабатываются командой; грамматическая конструкция, обозначающая выражение, задающее значение аргумента операции). • Операции, определяемые кодом операции команды, выполняются в арифметико-логическом устройстве (АЛУ).

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

Про УУ 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. • 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.

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. • 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 вводавывода. • 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.

Память • Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных. • Существует несколько разновидностей памяти: оперативная, постоянная, внешняя, кэш, CMOS (КМОП), 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-память1 (Сache) • В переводе с английского языка слово cache (кэш) означает «тайник» , так кэш-память недоступна для программиста (она автоматически используется компьютером). • 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 на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память (и обратно). Работа кэш-памяти 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.

Кэш-память2 • 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).

Сache (кэш) • Кэш-память уменьшает противоречие между быстрым процессором и относительно медленной оперативной памятью. • 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.

Сache (кэш) • Кэш микропроцессора — кэш (сверхоперативная память), используемый микропроцессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Является одним из верхних уровней иерархии памяти[1]. • Кэш использует небольшую, очень быструю память, которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша. • Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки процессор производит операцию используя кэш, что быстрее использования более медленной основной памяти.

Сache (кэш) Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки процессор производит операцию используя кэш, что быстрее использования более медленной основной памяти.

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 • 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.

Шины компьютера • Шиной (Bus) называется вся совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. • Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. • Шина, связывающая только два устройства, называется портом. • Шина имеет места для подключения внешних устройств — слоты, которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Функциональное назначение шин • Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению: • системная шина (или шина CPU) используется микросхемами для пересылки информации к CPU и обратно; • шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью; • шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью и CPU; • шины ввода/вывода информации подразделяются на стандартные и локальные.

Локальная шина ввода/вывода • Локальная шина ввода/вывода — это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др. ) и системной шиной под управлением CPU. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI. Для ускорения ввода/вывода видеоданных и повышения производительности ПК при обработке трехмерных изображений корпорацией Intel была разработана шина AGP (Accelerated Graphics Port).

Стандартная шина ввода/вывода • Стандартная шина ввода/вывода используется для подключения к перечисленным выше шинам более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов, старых звуковых карт). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время — шина USB.

Архитектура шины • Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовать важнейшие ее свойства — возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информацией между ними. • Архитектура любой шины имеет следующие компоненты: • линии для обмена данными (шина данных); • линии для адресации данных (шина адреса); • линии управления данными (шина управления); • контроллер шины.

• Контроллер шины осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы, либо в виде набора микросхем • Шина данных обеспечивает обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью RAM. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за один такт и тем выше производительность ПК. Компьютеры с процессором 80286 имеют 16 -разрядную шину данных, CPU 80386 и 80486 — 32 -разрядную, а компьютеры с CPU семейства Pentium — 64 -разрядную шину данных. • Шина адреса служит для указания адреса к какому-либо устройству ПК, с которым CPU производит обмен данными. Каждый компонент ПК, каждый регистр ввода/вывода и ячейка RAM имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство PC. По шине адреса передается идентификационный код (адрес) отправителя и (или) получателя данных. • Шина управления передает ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и других, чтобы обеспечить передачу данных.

Основные характеристики шины • Разрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в нее. Первая шина ISA для IBM PC была восьмиразрядной, т. е. по ней можно было одновременно передавать 8 бит. Системные шины современных ПК, например, Pentium IV — 64 -разрядные. • Пропускная способность шины определяется количеством байт информации, передаваемых по шине за секунду. Для определения пропускной способности шины необходимо умножить тактовую частоту шины на ее разрядность. Например, для 16 -разрядной шины ISA пропускная способность определяется так: • (16 бит * 8, 33 МГц): 8 = 16, 66 Мбайт/с.

• При расчете пропускной способности, например шины AGP, следует учитывать режим ее работы: благодаря увеличению в два раза тактовой частоты видеопроцессора и изменению протокола передачи данных удалось повысить пропускную способность шины в два (режим 2 х) или в четыре (режим 4 х) раза, что эквивалентно увеличению тактовой частоты шины в соответствующее число раз (до 133 и 266 МГц соответственно). • Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса (Interface — сопряжение), представляющего собой совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. • К числу таких характеристик относятся электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. Обмен данными между компонентами ПК возможен только если интерфейсы этих компонентов совместимы.

Ширина шины • чем выше пропускная способность шины, ее скорость, чем шире шина данных (чем больше бит данных передается сразу), тем производительней оказывается работа компьютера в целом. Ниже в порядке возрастания скорости передачи данных перечисляются стандарты организации шины: • ISA (Industry Standard Architecture) • EISA (Extended Industry Standard Architecture) MCA (Micro. Channel Architecture) • VLB (Vesa Local Bus) • PCI (Peripheral Component Interconnect)

Ширина шины Компьютеры часто классифицируют именно по ширине шины.

Структура шин ПК

Про шину управления • Сигналы, передаваемые по управляющей шине, синхронизируют работу процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации.

Компьютерная ши на • Компьютерная ши на (от англ. computer bus, bidirectional universal switch — двунаправленный универсальный коммутатор) — в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. • Обычно шина управляется драйвером. • В отличие от связи точка-точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

Очередность выполнения команд • Порядок выбора адресов из памяти определяет программа, которая может располагаться в ПЗУ, но чаще выполняемая в данный момент времени программа находится в ОЗУ. • В линейных программах команды последовательно выбираются из очередных ячеек памяти. • В разветвляющихся программах естественный порядок выбора адресов ячеек памяти может нарушаться. В результате может происходить переход к ячейке памяти, расположенной в любом месте ОЗУ. При одном наборе исходных данных переход будет происходить, а при другом наборе данных перехода не будет. По этой причине такие команды называют командами условной передачи управления.

Прерывания • Выполнение основной программы иногда может приостанавливаться с целью выполнения какого-то другого срочного задания, например, для передачи данных на принтер. Такой режим работы, когда временно приостанавливается выполнение основной программы и происходит обслуживание запроса, называется прерыванием. • По завершении обслуживания прерывания процессор возвращается к выполнению временно отложенной основной программы. • Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре, переполнения разрядной сетки, деления на ноль, требования внешним устройством выполнения операции ввода информации и т. д. Например, при нажатии клавиши на клавиатуре возникает прерывание, обработка которого сводится к записи кода нажатой клавиши в буфер клавиатуры. Обслуживание прерываний осуществляется с помощью специальных программ обработки прерываний.