Основной цикл работы эвм кратко

Обновлено: 05.07.2024

Документ из архива "Конспект лекций к семинарам", который расположен в категории " ". Всё это находится в предмете "информатика" из раздела "", которые можно найти в файловом архиве МАИ. Не смотря на прямую связь этого архива с МАИ, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "информатика" в общих файлах.

Онлайн просмотр документа "Конспект лекций к семинарам"

Текст 4 страницы из документа "Конспект лекций к семинарам"

Основной цикл работы ЭВМ. Рассмотрим последовательность действий при выполнении команды в ЭВМ. Рабочий цикл в общем виде одинаков для всех фон-неймановских машин.

Важной составной частью фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд. Этот специальный внутренний регистр процессора всегда указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. При включении питания или при нажатии на кнопку сброса (начальной установки) в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в ПЗУ программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Дальнейшее функционирование компьютера определяется программой. Таким образом, вся деятельность ЭВМ - это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.

Каждая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных унифицированных составных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команды она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия:

согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд);

счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды (в простейшем случае для этой цели достаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, определяющуюся длиной команды);

считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.

Затем все описанные действия циклически повторяются.

Рассмотренный основной алгоритм работы ЭВМ позволяет шаг за шагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. Если же требуется изменить порядок вычислений для реализации развилки или цикла, достаточно в счетчик команд занести требуемый адрес.

В современных компьютерах для ускорения основного цикла выполнения команды используется метод конвейеризации (иногда применяется термин "опережающая выборка"). Идея состоит в том, что несколько внутренних устройств процессора работают параллельно: одно считывает команду, другое дешифрует операцию, третье вычисляет адреса используемых операндов и т.д. В результате по окончании команды чаще всего оказывается, что следующая уже выбрана из ОЗУ, дешифрована и подготовлена к исполнению. Отметим, что в случае нарушения естественного порядка выполнения команд в программе (например, при безусловном переходе) опережающая выборка оказывается напрасной и конвейер очищается. Следующая за переходом команда выполняется дольше, так как, чтобы конвейер "заработал на полную мощность", необходимо его предварительно заполнить. Иными словами, в конвейерной машине время выполнения программы может зависеть не только от составляющих ее команд, но и от их взаимного расположения.

1.5. Архитектура ЭВМ

1.5.1. Основные блоки ЭВМ

ЭВМ включает три основных устройства: системный блок, клавиатуру и дисплей (монитор). Однако для расширения функциональных возможностей ЭВМ можно подключить различные дополнительные периферийные устройства, в частности: печатающие устройства (принтеры), накопители на магнитной ленте (стримеры), различные манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, световое перо), устройства оптического считывания изображений (сканеры), графопостроители (плоттеры) и др.

ЭВМ, как правило, имеет модульную структуру (рис. 1.4). Все модули связаны с системной магистралью (шиной).

Рис 1.4. Структурная схема ЭВМ с периферийными устройствами. АЛУ – арифметико-логическое устройство, УУ – устройство управления, ПП – постоянная память, ОП - оперативная память, ВУ - внешнее устройство, НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках, НЖМД – накопитель на жестких магнитных дисках, НМЛ – накопитель на магнитной ленте, ПУ – печатающее устройство

Системный блок. Главный блок ЭВМ, он включает в свой состав центральный микропроцессор, сопроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках и другие функциональные модули. Набор модулей определяется типом ЭВМ. Пользователи по своему желанию могут изменять конфигурацию ЭВМ, подключая дополнительные периферийные устройства.

В системный блок может быть встроено звуковое устройство, с помощью которого пользователю удобно следить за работой машины, вовремя обращать внимание на возникшие сбои в отдельных устройствах или на возникновение необычной ситуации при решении задачи на ЭВМ. Со звуковым устройством часто связан таймер, позволяющий вести отсчет времени работы машины, фиксировать календарное время, указывать на окончание заданного промежутка времени при выполнении той или иной задачи.

Микропроцессор (МП). Центральный микропроцессор является ядром любой ЭВМ. Он выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков ЭВМ. В состав МП входят:

центральное устройство управления;

внутренняя регистровая память;

схема обращения к оперативной памяти;

схемы управления системной шиной и др.

Рассмотрим структуру и функционирование микропроцессора на примере разработанной модели фирмы Intel.

АЛУ характеризуется временем выполнения элементарных операций; средним быстродействием, т.е. количеством арифметических или логических действий (операций), выполняемых в единицу времени (секунду); набором элементарных действий, которые оно выполняет. Важной характеристикой АЛУ является также система счисления, в которой осуществляются все действия.

АЛУ выполняет логические операции, а также арифметические операции в двоичной системе счисления и в двоично-десятичном коде, причем арифметические операции над числами, представленными в форме с плавающей точкой, реализуются в специальном блоке. В некоторых конфигурациях с этой целью используется арифметический сопроцессор. Он имеет собственные регистры данных и управления, работает параллельно с центральным МП, обрабатывает данные с плавающей точкой.

Память микропроцессора состоит из функциональных регистров: регистры общего назначения, указатель команд, регистр флагов и регистры сегментов.

Регистр – внутреннее запоминающее устройство процессора для временного хранения обрабатываемой или управляющей информации и быстрого доступа к ней.

Регистры общего назначения используются для хранения данных и адресов. Они обеспечивают работу с данными и адресами. Каждый из таких регистров имеет свое имя.

Указатель команд содержит смещение при определении адреса следующей команды.

Регистр флагов указывает признаки результата выполнения команды.

Регистры сегментов содержат значения селекторов сегментов, определяющих текущие адресуемые сегменты памяти.

Кроме того, регистровая память МП содержит регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой, системные и некоторые другие регистры.

Производительность микропроцессора значительно повышается за счет буферизации часто используемых команд и данных во внутренней кэш-памяти, при этом сокращается число обращений к внешней памяти. Кэш-память - сверхоперативная буферная память, предназначенная для промежуточного хранения наиболее часто используемых процессором данных. Внутренняя кэш-память имеет несколько режимов работы, что обеспечивает гибкость отладки и выполнения рабочих программ.

Устройство управления микропроцессорного типа обеспечивает конвейерную обработку данных с помощью блока предварительной выборки (очереди команд).

Устройство управления МП обеспечивает многозадачность. Многозадачность - способ организации работы ЭВМ, при котором в ее памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких задач. В составе современных МП имеются аппаратно-программные средства, позволяющие эффективно организовать многозадачный режим, в том числе системы прерывания и защиты памяти.

Система прерываний обрабатывает запросы на прерывание как от внешних устройств, так и от внутренних блоков МП. Прерывание – временное прекращение выполнения команд программы с сохранением информации о ее текущем состоянии и передачей управления специальной программе - обработчику прерываний. Поступление запроса на прерывание от внутреннего блока МП свидетельствует о возникновении исключительной ситуации, например о переполнении разрядной сетки. Внешнее прерывание может быть связано с обслуживанием запросов от периферийных устройств. Требуя своевременного обслуживания, внешнее устройство посылает запрос прерывания МП. МП в ответ приостанавливает нормальное выполнение текущей программы и переходит на обработку этого запроса, чтобы в дальнейшем выполнить определенные действия по вводу-выводу данных. После совершения таких действий происходит возврат к прерванной программе.

Защита памяти от несанкционированного доступа в многозадачном режиме осуществляется с помощью системы привилегий, регулирующих доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности.

Обмен информацией между блоками МП происходит через магистраль микропроцессора, включающую шину адреса, двунаправленную шину данных и шину управления. Шина – устройство, служащее для передачи данных и управляющих сигналов между компонентами компьютера. Шина состоит из линий электрических соединений.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и регистров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина данных обеспечивает передачу информации между МП, памятью и периферийными устройствами. Шина двунаправленная, т.е. позволяет осуществлять пересылку данных как в прямом, так и в обратном направлении.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов - управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и т.д.

Системная магистраль выполняется в виде совокупности шин (кабелей), используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Количество линий в адресно-информационной шине определяется разрядностью кодов адреса и данных, а количество линий в шине управления - числом управляющих сигналов, используемых в ЭВМ.

Внутренняя память ЭВМ состоит из оперативной памяти и постоянной памяти.

Оперативная память (ОП) (или оперативное запоминающее устройство – ОЗУ) – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для хранения и (или) выдачи входной информации, промежуточных и окончательных результатов, вспомогательной информации. В памяти машины находятся также программы решения задач, через команды которых осуществляется управление работой всей машины. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. Оперативная память является энергозависимой: при отключении питания информация в ОП теряется.

С точки зрения физического принципа действия различают динамическую память и статическую память. Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Недостатком этого типа является то, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве. Для этого в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и Вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы. Ячейки статической памяти можно представить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Основные параметры, характеризующие память, - емкость и время обращения к памяти.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Тема: Общий состав и структура персональных электронно-вычислительных машин (ЭВМ) и вычислительных систем.

Цель занятия: познакомить студентов с общими понятиями построения ЭВМ и изучить особенности архитектуры персональных компьютеров.

Под архитектурой ЭВМ надо понимать ту совокупность характеристик, которая необходима пользователю. Это,прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними.

Общие принципы построения ЭВМ , которые относятся к архитектуре:

структура памяти ЭВМ;

способы доступа к памяти и внешним устройствам;

возможность изменения конфигурации;

Дадим определение архитектуры: "Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов".

Принципы Фон-Неймана

Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в работе Дж. фон Неймана, Г.Голдстейга и А. Беркса в 1946 году и известны как " принципы фон Неймана".

Использование двоичной системы представления данных

Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации,удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Принцип хранимой программы

Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру (см рис.1), которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.

Устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) в современных компьютерах объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров "многоярусно" и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства(ВЗУ).

ОЗУ- это устройство, хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы).

ВЗУ -устройства гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но существенно более медленны.

Принцип последовательного выполнения операций

Структурно основная память состоит из пронумерованных 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 бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Принцип произвольного доступа к ячейкам оперативной памяти

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Структура ЭВМ

Для начала рассмотрим как устройства присоединяются к друг другу.

Системный блок - центральное устройство компьютера. Остальные устройства (их называют внешние или периферийные) присоединяются к нему через разъемы и порты.

Разъемы для присоединения внешних устройств к системному блоку находятся на заднем торце системного блока. Каждый из разъемов индивидуален по своей конфигурации - перепутать кабели от периферийных устройств при подключении невозможно.

Внутри системного блока объединяющим центром является материнская плата - к ней присоединяются все устройства, в том числе процессор.

Для правильной работы с внешним устройством процессору необходим посредник - контроллер (обозначим его К) - который знает, как работать с данным устройствам.

Ряд контроллеров смонтирован сразу на материнской плате, например, контроллеры клавиатуры и дисков. Другие располагаются на специальных платах, называемых адаптерами . Адаптеры устанавливаются на материнскую плату.

Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой "вверенного ему" внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность "заниматься своим делом", т.е. выполнять программу дальше.

Разъемы - физическое устройство, соединяющее два устройства.

Порт - логическое устройство. Выполняет две функции:

служит "посредником" при передаче данных между компьютером и устройствами ввода/вывода.

выдает процессору сигнал прерывания, по которому начинается процесс прерывания.

Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры.

Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина ( часто ее называют магистралью ).

Шина состоит из трех частей:

шина данных, по которой передается информация;

шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Описаннаю схему легко пополнять новыми устройствами - это свойство называют открытостью архитектуры . Для пользователя это означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера.

При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМ единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу компьютера. Поэтому в состав ЭВМ могут вводиться одна или несколько дополнительных шин.

Основной цикл ЭВМ

Вся деятельность ЭВМ - это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.

Каждая команда состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных составных частей, которые принято называть тактами . В зависимости от сложности команд она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия:

счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды;

Затем во всех случаях, за исключением команды останова или наступления прерывания, все описанные действия циклически повторяются.

После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.

Особенности архитектуры персональных компьютеров

По мере развития компьютеры существенно уменьшились в размерах, разработчики создали дополнительное оборудование, необходимое для их эффективного использования. ПК характеризуются открытой и совместимой с существующими стандартами архитектурой, возможностью подключения дополнительных функциональных устройств или их замену на более производительные.

Процессор (центральный процессор) — основной вычислительный блок персонального компьютера, содержит важнейшие функциональные устройства:

* Устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины).

Процессор - программируемое устройство обработки данных и управления работой ПК. Процессор, по существу, является устройством, выполняющим все функции элементарной вычислительной машины.

Микропроцессор - центральный процессор, выполненный на основе одной или нескольких больших (сверхбольших) интегральных схем обеспечивающих повышенную надежность и устойчивость характеристик системы. Микропроцессор характеризуется: тактовой частотой; разрядностью; архитектурой. Чем выше тактовая частота, тем выше быстродействие микропроцессора. Разрядностью микропроцессора называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. Разрядность внутренних регистров микропроцессора (внутренняя длина слова) играет определяющую роль в принадлежности микропроцессора к тому или иному классу.

Оперативная память — запоминающее устройство, используемое для оперативного хранения и обмена информацией с другими узлами машины. Устройства памяти характеризуются следующими основными показателями: быстродействием (временем доступа); емкостью. Увеличение емкости основной памяти в два раза, помимо всего прочего, увеличивает эффективную производительность ПК при решении сложных задач (когда ощущается дефицит памяти) примерно в 1,7 раза.

Каналы связи ( внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения центральных узлов ПК с ее внешними устройствами. Техническую связь и взаимодействие всех устройств между собой осуществляет интерфейс-системная шина, которая представляет собой совокупность каналов передачи электрических сигналов. Каждая линия шины имеет определенное назначение: одна группа служит для передачи данных, другая - для передачи управляющих сигналов.

Внешние устройства обеспечивают эффективное взаимодействие ПК с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими машинами. В состав внешних устройств обязательно входят внешняя память и устройства ввода-вывода. Внешние запоминающие устройства являются важной составной частью ПК, обеспечивая долговременное хранение программ и данных на различных носителях информации. Внешняя память ПК может быть представлена в виде накопителей на: магнитных и оптических дисках, на магнитной ленте. Существенным недостатком описанных видов внешней памяти является использование механических устройств. Порты ввода-вывода предназначены для временного размещения данных, передаваемых в центральную часть компьютера из внешних устройств или выводимых из центральной части в эти устройства. Имеются также порты общего назначения, к которым могут подсоединяться различные дополнительные внешние устройства.

Контрольные вопросы.

Что такое архитектура ЭВМ?

Какие Вам известны общие принципы построения ЭВМ?

Перечислите принципы Фон-Неймана

Перечислите состав системного блока

Что такое контроллер?

Перечислите контроллеры, смонтированные на материнской плате

Что такое разъем и его назначение?

Что такое порт, и какие функции он выполняет?

Что такое микропроцессор?

Какими показателями характеризуется оперативная память?

Что относится к внешним устройствам и их назначение?

Английский ученый Чарльз Бэббидж считал, что устройство автоматической машины, способной работать без вмешательства человека по заранее составленной программе должна была состоять из следующих частей:

*устройство, в кот-ом производятся все по операции по обработке всех видов информации (современная терминология АЛУ арифметико-логическое устройство).

*устройство, обеспечивающее организацию выполнения программы обработки информации и согласованные взаимодействие всех узлов машины в ходе этого процесса –устройство управления УУ.

В настоящее время АЛУ и УУ объединены в единую микросхему – микропроцессор.

*устройство, предназначенное для хранения данных, программ и результатов вычисления (запоминающее устройство ЗУ).

*разнообразные устройства, запоминающиеся преобразованием информации в форму, доступную компьютеру –устройство ввода (Увв).

*устройство, преобразующее результаты обработки в доступную человеку форму- устройство вывода( Увыв).

Фон- Неймон сформулировал классические принципы устройства ЭВМ:

-Использование двоичной системы для представления чисел. Этот принцип обеспечил удобство и простоту выполнения арифметических и логических операций.

-Принцип адресности – команды и данные помещаются в ячейки памяти, доступ кот-ому осуществляется по адресу (номеру).

-Наличие программного счетчика – адрес очередной ячейки памяти, из кот-ой будет извлечена следующая команда программы формируется и хранится в специальном устройстве – счетчики команд.

Структура ЭВМ по Фон Неймона

Устройство ввода увв

Память(ОЗУ, ПВУ)

Устройство вывода увыв

Процессор (АЛУ УУ)

Внешняя память

Каждая команда состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных составных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команд она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия:

счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды;

Затем во всех случаях, за исключением команды останова или наступления прерывания, все описанные действия циклически повторяются.
После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.

Шинная архитектура компьютера. Назначение и функции основных элементов схемы. Контроллер.

Структура эвм 4-ого поколения:

Процессор( АЛУ УУ) память(ОЗУ, ПЗУ) видео ОЗУ

КПД (ПДП) контроллер контроллер контроллер таймер

Увва Увыв внешняя память

Котроллер- это специализированный процессор, управляющий работой вверенного ему внешнего устройства по спец-ным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Сведения об успешности выполнения команды заносятся во внутренние регистры контроллера, к-ые могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Шина (магистраль) состоит из 3 частей:

-шина данных осуществляет передачу информации;

-шина адреса определяет куда именно передаются данные;

-шина управления (командная) регулирует процесс обмена информации.

Открытая архитектура предполагает возможность подключения в состав компьютера новых устройств.

Контроллер прямого доступа к памяти – режим, при к-ом внешнее устройство обменивается непосредственно с оперативной памятью без участия центрального процессора называется прямым доступом к памяти. В режиме прямого доступа к памяти центральны процессор передает контроллеру прямого доступа к памяти необходимую для обмена информацию (кол-во инфо-ции, № первой ячейки памяти, после чего освобождается, а обменами руководит уже контроллер прямого доступа к памяти. Если такой обмен недо задействует все возможные шины, то центральный процессор в это время может продолжить работу.

Состав ПК. Основные устройства ПК IV-го поколения.

Состав ПК. Основные устройства ПК 4-го поколения.

Современный ПК включает в себя следующие элементы:

Кроме перечисленных, в состав ПК могут входить модем или факс-модем, плоттер, устройства воспроизведения и записи звука и некоторые другие устройства.

Системный блок ПК. Типы системных блоков. Устройства, размещаемые в системном блоке.

Системный блок ПК. Типы. Устройства, размещаемые в системном блоке.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам: полноразмерный (big tower), среднеразмерный (midi tower) и малоразмерный (mini tower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim). Выбор того или иного типа корпуса определяется вкусом и потребностями модернизации компьютера. Наиболее оптимальным типом корпуса для большинства пользователей является корпус типа mini tower. Он имеет небольшие габариты, его удобно располагать как на рабочем столе, так и на тумбочке вблизи рабочего стола или на специальном держателе. Он имеет достаточно места для размещения от пяти до семи плат расширения.

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам. В настоящее время в основном используются корпуса двух форм-факторов: AT и АТХ . Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы.

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200-250 Вт.

Персональные компьютеры делятся настационарные и портативные.Стационарные обычно устанавливаются рабочем столе. Портативные компьютеры делятся на следующие категории:

переносные (portable), которые имеют небольшую массу и габариты и поддаются транспортировке одним человеком;

наколенные (laptop), выполненные в виде дипломата;

блокнотные (notebook), имеющие габариты большого блокнота;

карманные (pocket), которые помещаются в карман.

Материнская плата. Основные устройства, размещаемые на материнской плате

Лекции

Лабораторные

Справочники

Эссе

Вопросы

Стандарты

Программы

Дипломные

Курсовые

Помогалки

Графические

Доступные файлы (10):

ГЛАВА 1,2-12.03.doc

РАЗДЕЛ I. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЭВМ
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И АРХИТЕКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ

1.1. Структурная схема ЭВМ

ЭВМ - это комплекс электронного и другого оборудования, предназначенный для автоматического решения задач, представленных программами и данными в цифровой форме.

Под программой понимается алгоритм решения задач на языке машины, представляющий собой последовательность команд. В свою очередь команда - это специальное машинное слово, которое определяет операцию вычислительной машины и данные, над которыми эта операция будет выполняться.

Рассмотрим общую структуру ЭВМ, которая с той или иной степенью конкретизации воплощена в ЭВМ любого типа ( рис. 1.1).

В типовой состав ЭВМ входят:

арифметическо-логическое устройство (АЛУ);

устройство управления (УУ), вместе с АЛУ составляющие процессор ЭВМ;

внутренняя память (ВнП), включающая:

оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ);

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

внешняя память или внешние запоминающие устройства (ВЗУ), вместе с ВнП составляющие память ЭВМ;

устройство ввода информации (УВВ);

устройство вывода информации (УВыВ);

устройство обмена (УО).

Устройства ЭВМ соединяются между собой каналами связи, по которым передаются потоки информации, подлежащей обработке, и сигналы управления.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) представляет собой функциональную часть процессора и предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными. Основным узлом АЛУ является сумматор, выполняющий операции сложения чисел. Реализация остальных арифметических операций обычно сводится к выполнению сложения и некоторых других вспомогательных операций. Наряду с сумматором в состав АЛУ входят регистры, обеспечивающие временное хранение информации, подлежащей обработке в АЛУ на данном этапе вычислений.

Устройство управления обеспечивает взаимодействие всех составных частей ЭВМ в процессе решения задач в соответствии с заранее составленной программой ее решения, введенной в ОЗУ. Основной задачей УУ является выборка из ОЗУ кодов команд и их преобразование в необходимые последовательности синхронизирующих, разрешающих, стробирующих и других сигналов управления. С помощью этих сигналов и обеспечивается согласованное взаимодействие всех устройств ЭВМ в процессе автоматического выполнения программы, в том числе выборка из памяти необходимых чисел (их называют операндами), их пересылка в АЛУ, выполнение над ними арифметических действий и т.д.

Память ЭВМ служит для хранения исходных данных, программы, промежуточных и окончательных результатов вычислений. Информация, содержащаяся в памяти ЭВМ, по мере необходимости выдается в другие устройства машины. Память ЭВМ обычно состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующей внутренней (ВнП) и сравнительно медленно действующей, но способной хранить большие объемы информации внешней памяти (ВЗУ).

ОЗУ тесно связана с процессором ЭВМ и служит для хранения информации, используемой в ближайшем цикле вычислений. Информация из ОЗУ извлекается определенными порциями, для чего ОЗУ разбивается на отдельные ячейки, каждая из которых служит для хранения одного машинного слова, представляющего закодированные в двоичном коде данные. Все ячейки памяти последовательно пронумерованы. Номера ячеек являются адресами тех данных, которые хранятся в них. Тесное взаимодействие ОЗУ с АЛУ предъявляет повышенные требования к быстродействию ОЗУ, поскольку оно непосредственно влияет на быстродействие ЭВМ в целом. Современные ОЗУ характеризуются достаточно высоким быстродействием, однако гораздо меньшим, чем быстродействие современных процессоров. В этом случае в ЭВМ включают так называемую сверхоперативную память (СОЗУ), выполненную на регистрах, быстродействие которой соизмеримо с быстродействием процессора. ОЗУ и СОЗУ являются энергозависимыми видами памяти, поскольку при выключении питания информация в них уничтожается. Кроме того, в ЭВМ используется постоянная память (ПЗУ) , предназначенная для хранения различных констант и программ, необходимых для начального этапа работы ЭВМ после включения питания. ПЗУ является энергонезависимым видом памяти.

Внешняя память или ВЗУ служит для хранения больших объемов информации, подлежащей обработке на ЭВМ – данные и программы, непосредственно не участвующие в текущем цикле вычислений. В процессе вычислений между ВЗУ и ОЗУ происходит обмен информацией. Обычно такой обмен производится достаточно крупными блоками, это объясняется тем, что в ВЗУ тратится много времени на поиск нужной информации. ВЗУ строятся на магнитных дисках или лентах, а также на оптических дисках.

УВВ предназначены для ввода в ОЗУ программ и исходных данных решаемых задач, их корректировки, а также управления вычислительным процессом ЭВМ, путем ввода управляющей информации. Примерами УВВ являются: клавиатура (пульты управления), различного вида манипуляторы, а также специальные устройства, например датчики информации о состоянии (поведении) интересующего нас объекта, которым мы управляем.

УВыВ служит для автоматического вывода данных на носитель данных. Формой представления выходных данных могут быть: печатный текст и рисунки (графические изображения), визуально наблюдаемые текст и графические изображения. Наиболее типичными устройствами вывода в первом случае являются принтеры – устройства для вывода информации различного рода на бумажный носитель информации, а во втором случае – дисплей, на экране которого отображается как вводимая, так и выводимая из ЭВМ информация.

Рассмотренные выше устройства (процессор, ОЗУ, ПЗУ и т.д.) являлись основными функциональными устройствами ЭВМ первых поколений. Основным недостатком таких ЭВМ было то, что имело место противоречие между высокой скоростью обработки информации процессором и низкой скоростью работы ВЗУ, УВВ, УВыВ. Это приводило к тому, что процессору приходилось на долгое время прерывать обработку программ, так как он должен был управлять операциями ввода-вывода на этих устройствах. Для устранения указанного недостатка в структурную схему ЭВМ было введено УО, назначением которого явилось управление обменом информации между ОП и отмеченными устройствами. По существу УО (каналы ввода-вывода) являются специализированными процессорами, имеющими свое автономное УУ и даже ОЗУ. Процессор в этом случае выдает лишь команду на выполнение операций ввода-вывода, не прерывая вычислительного процесса, а обмен информацией происходит без участия процессора.

Рассмотренная структурная схема цифровой ЭВМ является характерной и для ряда специализированных ЭВМ, используемых в образцах ВВТ ВВС.

Вместе с тем следует отметить, что разработка БИС и СБИС позволила изготавливать микропроцессоры и другие устройства ЭВМ на одном или нескольких кристаллах, что привело к некоторой модификации структуры вычислительной машины (микроЭВМ, ПЭВМ), которая будет рассмотрена в главе 2.

Таким образом, мы рассмотрели и изучили структуру ЭВМ, состав и назначение входящих в нее устройств. Следующая наша задача – изучить каким образом организуется исполнение заложенной в ЭВМ программы, как она функционирует при выполнении команд.

^ 1.2. Функционирование ЭВМ при выполнении команд

1.2.1. Назначение и структура процессора

Важнейшими понятиями, характеризующими работу процессора, являются частота задающего генератора f_к и зависящий от нее такт работы процессора T_пр, называемый также машинным тактом. В течение машинного такта выполняется одна или несколько микроопераций процессора. Чем короче машинный такт, тем выше производительность процессора, выражаемая количеством выполняемых команд (операций) в единицу времени. Производительность процессоров современных ЭВМ достигает от нескольких миллионов до нескольких млрд. операц./с, при этом величина машинного такта T_пр = 10  100 нс.

Обычно, говоря о производительности ЭВМ, подразумевают производительность ее процессора.

Процессоры классифицируют по различным признакам.

В зависимости от принципа организации выполнения операций процессоры различают с микропрограммным (гибким) и схемным (жестким) управлением. При микропрограммном управлении в ПЗУ процессора хранятся микропрограммы, состоящие из микрокоманд, каждая из которых обеспечивает выполнение одной или нескольких микроопераций. Каждому типу машинных команд соответствует определенный алгоритм, и поэтому в ПЗУ хранятся микропрограммы, обеспечивающие выполнение всех типов команд, управляющих работой процессора. При схемном управлении все алгоритмы выполнения команд реализованы схемно, т.е. на основе логических схем. В настоящее время подавляющее большинство процессоров управляется микропрограммно, так как в этом случае удобнее вносить изменение в функционирование команд и даже расширять их состав.

По функциональному назначению различают процессоры центральные (процессоры ЭВМ) и периферийные (ввода-вывода, телеобработки, матричные для выполнения специальных функций).

В зависимости от допустимых форм представления чисел процессоры делятся на обрабатывающие числа с фиксированной или плавающей точкой (запятой), а также десятичные числа. Процессор, обрабатывающий все перечисленные формы представления чисел, называется универсальным.

В зависимости от способа выполнения машинных команд процессоры подразделяются на синхронные и асинхронные. В синхронных процессорах любая команда независимо от ее сложности занимает один машинный такт. Это приводит к неэффективному использованию машинного времени, так как величина такта резко возрастает из-за сложности команд и отрицательно сказывается на эффективности выполнения простых команд. В асинхронных процессорах любая команда занимает лишь время, необходимое для нее, после чего процессор сразу же переходит к следующей команде.

По структуре системы команд, выполняемых процессором они делятся на процессоры со сложной системой команд (CISC-процессоры) и процессоры с сокращенной системой команд (RISC-процессоры). В первом случае расширение набора команд, увеличение числа способов адресации, введение сложных команд сопровождаются увеличением длинны кода команды, в первую очередь, кода операции, что может приводить к использованию “расширяющегося кода операции”, увеличению числа форматов команд. Это вызывает усложнение и замедление процесса дешифрации кода операции и других процедур обработки команд.

В связи с этим, в конце 80-х годов сформировалось альтернативное направление построения процессров, которое предполагает реализацию в ЭВМ сокращенного набора простейших, ночасто употребляемых команд, что позволяет упростить аппаратурные средства процессора и благодаря этому получилось возможность повысить его быстродействие.

При использовании RISC-архитектуры выбор набора команд и структуры процессора (микропроцессора) направлены на то, чтобы команды набора выполнялись за один машинный цикл процессора. Выполнение более сложных, но редко встречающихся операции обеспечивают подпрограммы.

Все процессоры характеризуются разрядностью – максимальной длиной (в битах) обрабатываемых чисел. Самые современные микропроцессоры имеют разрядность более 32 бит.

Упрощенная структурная схема процессора представлена на рис. 1.2.

Она включает в себя арифметическо-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), блок управления памятью (УП), блок контроля и диагностики (КД) и блок местной памяти (МП). Рассмотрим основные функции блоков процессора.

Читайте также: