Шинная организация эвм кратко

Обновлено: 02.07.2024

Шинная организация является простейшей формой организации ЭВМ. Функциональные блоки ЭВМ Неймана приведены на рис. 3.79.

Центральный процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Это наиболее сложный компонент ЭВМ как с точки зрения электроники, так и с точки зрения функциональных возможностей. Центральный процессор состоит из следующих взаимосвязанных составных элементов: арифметико-логического устройства, устройства управления и регистров.

Арифметико-логическое устройство выполняет основную работу по переработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие ЭВМ автоматически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от получаемых результатов. Операции выполняются с помощью электронных схем, каждая из которых состоит из нескольких тысяч элементов. Микросхемы имеют высокую плотность и быстродействие. На современном технологическом уровне все АЛУ можно разместить на одном кристалле полупроводникового элемента размером с конторскую скрепку.

Рис. 3.79. Функциональные блоки ЭВМ Неймана

Арифметико-логическое устройство формирует по двум входным переменным одну – выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание, сдвиг). Выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от устройства управления. АЛУ содержит в своем составе устройство, хранящее характеристику результата выполнения операции над данными и называемое флаговым регистром. Отдельные разряды этого регистра указывают на равенство результата операции нулю, знак результата операции (+ или –), правильность выполнения операции (наличие переноса за пределы разрядной сетки или переполнения). Программный анализ флагов позволяет производить операции ветвления программы в зависимости от конкретных значений данных.

Кроме того, в АЛУ имеется набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора.

Регистры составляют основу архитектуры процессора. Регистр данных – служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операций. Регистр-аккумулятор – регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений (например, в нем формируется результат выполнения команды умножения). Регистр-указатель стека – используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу: последним вошел – первым вышел, т.е. последнее записанное в него значение извлекается из него первым. Стеки применяются для организации подпрограмм. Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти. Регистры-счетчики служат для организации циклических участков в программах. Регистры общего назначения, имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться для любых целей. Точное назначение такого регистра определяет программист при написании программы. Они могут применяться для временного хранения данных, в качестве аккумуляторов, а также в качестве индексных, базовых, указательных регистров. Количество регистров и связей между ними оказывает существенное влияние на сложность и стоимость процессора. Однако, с другой стороны, наличие большого количества регистров с богатым набором возможностей упрощает программирование и повышает гибкость программного обеспечения. Кроме перечисленных регистров, в состав АЛУ могут входить внутренние системные регистры, не доступные программно и используемые во время внутренних пересылок информации при выполнении команд.

Устройство управления – часть центрального процессора. Оно вырабатывает распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд. На этапе цикла выборки команды УУ интерпретирует команду, выбранную из программной памяти. На этапе выполнения команды в соответствии с типом реализуемой операции УУ формирует требуемый набор команд низкого уровня для арифметико-логического устройства и других устройств. Эти команды задают последовательность простейших низкоуровневых операций, таких, как пересылка данных, сдвиг данных, установка и анализ признаков, запоминание результатов и др. Такие элементарные низкоуровневые операции называют микрооперациями, а команды, формируемые устройством управления, – микрокомандами. Последовательность микрокоманд, соответствующая одной команде, называется микропрограммой.

В простейшем случае УУ имеет в своем составе три устройства: регистр команды, который содержит код команды во время ее выполнения; программный счетчик, содержащий адрес очередной подлежащей выполнению команды; регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти. Для связи пользователя с ЭВМ предусмотрен пульт управления, который позволяет выполнять такие действия, как сброс ЭВМ в начальное состояние, просмотр регистра или ячейки памяти, запись адреса в программный счетчик, пошаговое выполнение программы при ее отладке.

Память – устройство, предназначенное для запоминания, хранения и выборки программ и данных. Память состоит из конечного числа ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер или адрес. Доступ к ячейке осуществляется указанием ее адреса. Память способна выполнять два вида операций над данными – чтение с сохранением содержимого и запись нового значения со сти-ранием предыдущего. Как уже говорилось выше, каждая ячейка памяти может использоваться для хранения либо порции данных, либо команды. В большинстве современных ЭВМ минимально адресуемым элементом памяти является байт – поле из 8 бит. Совокупность битов, которые арифметико-логическое устройство может одновременно поместить в регистр или обработать, называют обычно машинным словом.

Оперативная память – функциональный блок, хранящий информацию для УУ (команды) и АЛУ (данные). Задачи, решаемые с помощью ЭВМ, требуют хранения в памяти различного количества информации, зависящего от сложности реализуемого алгоритма, количества исходных данных. Поэтому память должна вмещать достаточно большое количество информации, т.е. должна иметь большую емкость. С другой стороны, память должна обладать достаточным быстродействием, соответствующим быстродействию других устройств ЭВМ. Чем больше емкость памяти, тем медленнее к ней доступ, так как время доступа (т.е. быстродействие) определяется временем, необходимым для выборки из памяти или записи в нее информации. Поэтому в ЭВМ существует несколько запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием.

В число внешних устройств входят устройства двух типов: устройства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ, и коммуникационные устройства, предназначенные для связи ЭВМ с внешним миром (с пользователем, другими ЭВМ). Обмен данными с внешним устройством осуществляется через порты ввода-вывода. Порт – это абстрактное понятие, на самом деле несуществующее. По аналогии с ячейками памяти порты можно рассматривать как ячейки, через которые можно записать в ПУ или наоборот – прочитать из него. Так же как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера – адреса портов ввода-вывода.

Объединение функциональных блоков в ЭВМ осуществляется посредством следующей системы шин: шины данных, по которой осуществляется обмен информацией между блоками ЭВМ; шины адреса, используемой для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение); шины управления для передачи управляющих сигналов. Совокупность этих трех шин называют системной шиной, системной магистралью или системным интерфейсом. Состав и назначение шины, правила использования, виды передаваемых по шине сигналов и другие характеристики шины могут существенно различаться у разных видов ЭВМ. Однако есть принципиально общие закономерности в организации шин. Шина состоит из отдельных проводников (линий). Сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами (наличие импульса соответствует логической 1, а отсутствие импульса – 0), либо уровнем напряжения (например высокий уровень – логическая 1, низкий – 0). Шириной шины называется количество линий (проводников), входящих в состав шины. Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства ЭВМ. Если, например, количество линий адреса, используемых для адресации памяти, равно 20, то общее количество адресуемых ячеек памяти составит 220, т.е. примерно один миллион ячеек (точнее, 1 048 576 ячеек).

Обычно на шине в любой момент можно выделить два активных устройства. Одно из них инициирует операцию обмена данными (формирует адреса и управляющие сигналы), в большинстве случаев это центральный процессор, другое выполняет операцию (дешифрирует адреса и управляющие сигналы и принимает или передает данные), т.е. является исполнителем. Память всегда выступает только в качестве исполнителя.

Функционирование ЭВМ с шинной структурой можно описать обобщенным алгоритмом (рис. 3.80).

После включения ЭВМ или операции сброса в регистры центрального процессора заносятся некоторые начальные значения. Обычно в процессе инициализации в память ЭВМ помещается программа, называемая первичным загрузчиком. Основное назначение первичного загрузчика – загрузить в память с устройства внешней памяти операционную систему. Эта программа может быть размещена в энергонезависимом устройстве памяти или автоматически считываться с некоторого устройства внешней памяти. Программному счетчику присваивается начальное значение, равное адресу первой команды загруженной программы.

Рис. 3.80. Алгоритм функционирования ЭВМ с шинной структурой

Центральный процессор производит операцию считывания команды из памяти. В качестве адреса ячейки памяти используется содержимое программного счетчика.

Содержимое считанной ячейки памяти интерпретируется процессором как команда и помещается в регистр команды. Устройство управления приступает к интерпретации прочитанной команды. По полю кода операции из первого слова команды устройство управления определяет ее длину и, если это необходимо, организует дополнительные операции считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором. Вычисленная длина команды прибавляется к исходному содержимому программного счетчика, и, когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адрес следующей команды. По адресным полям команды устройство управления определяет, имеет ли команда операнды в памяти. Если это так, то на основе указанных в адресных полях режимов адресации вычисляются адреса операндов и производятся операции чтения памяти для считывания операндов.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство выполняют операцию, указанную в поле кода операции команды. Во флаговом регистре процессора запоминаются признаки результата операции (равно нулю или нет, знак результата, наличие переполнения).

Если это необходимо, устройство управления выполняет операцию записи для того, чтобы поместить результат выполнения команды в память.

Если последняя команда не была командой ОСТАНОВИТЬ ПРОЦЕССОР, то описанная последовательность действий повторяется, начиная с шага 1. Описанная последовательность действий центрального процессора с шага 1 до шага 6 называется циклом процессора.

Большинство ЭВМ имеют шинную организацию и их поведение описывается приведенным выше алгоритмом. В различных конкретных ЭВМ реализация этого алгоритма может несколько отличаться. Например, процессор может считывать из памяти не одну команду, а сразу несколько и хранить их в специальной очереди команд. Часто используемые программой команды и данные могут храниться не в основной памяти ЭВМ, а в быстродействующей буферной памяти. Таким образом, функционирование любой фон-неймановской ЭВМ описывается алгоритмом, близким к приведенному выше, и представляет собой последовательность достаточно простых действий.

Все устройства симметрично подсоединяются к одному каналу, называемому общей шиной. Симметрия подключения гарантирует свободное подключение новых устройств, т.е. система имеет теоретически неограниченное развитие. Некоторые узлы могут иметь специфические свойства, например процессор, оперативная память, внешние накопители данных. Между узлами организуется обмен информацией. Так как потоки информации ограничены возможностями одного канала, эта схема имеет принципиальные ограничения скорости работ.

Конвейерная организация.

Здесь обрабатывающее устройство разделяется на последовательно включенные операционные блоки, каждый из которых специализирован на выполнение строго определенной части операции. При этом работа осуществляется следующим образом: когда i-й операционный блок выполняет i-ую часть j-й операции, (i -1)-й операционный блок выполняет (i-1)-yю часть (j+1)-й операции, а (i+1)-й операционный блок выполняет (i+1)-ую часть (j-1)-й операции. В результате образуется своего рода конвейер обработки и за счет этого повышается производительность системы.

Канальная организация.

В ЭВМ с канальной организацией процессор освобожден от организации ввода-вывода. Канал представляет собой специализированный процессор, который выполняет канальную программу, состоящую из канальных команд, загружаемых операционной системой и хранящихся в оперативной памяти. Управление контроллерами внешних устройств и обмен данными осуществляется каналом. Наличие нескольких трактов передачи данных повышает скорость обмена. Все это дает возможность производить обмен данными с внешними устройствами параллельно с основной вычислительной работой центрального процессора. Одной из первых машин с каналами была ЭВМ второго поколения IBM-704, а также машины семейства IBM-360/370.

Организация с перекрестной коммутацией .

Все связи между узлами осуществляются с помощью коммутирующей матрицы(КМ), которая может связывать между собой любую пару узлов, причем таких пар может быть сколько угодно — связи не зависят друг от друга. Возможность одновременной связи нескольких пар устройств позволяет достичь очень высокой производительности комплекса.

Функционирование компьютера с шинной организацией

Шинная организация является простейшей формой организации компьютера. Компьютер имеет в своем составе следующие функциональные блоки: центральный процессор, память, устройства ввода-вывода.

Центральный процессор – функциональная часть компьютера,выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Состоит из следующих взаимосвязанных составных элементов: арифметико-логического устройства, устройства управления и регистров.

Регистр– устройство, предназначенное для промежуточного хранения двоичной информации в процессе выполнения вычислительных операций, а также для их преобразования.

Арифметико-логическое устройство формирует по двум входным переменным одну – выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание, сдвиг и т.д.), выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от устройства управления. АЛУ содержит в своем составе устройство, хранящее характеристику результата выполнения операции над данными и называемое флаговым регистром. Программный анализ флагов позволяет производить операции ветвления программы в зависимости от конкретных значений данных. Кроме того, в АЛУ имеется набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора, составляющие основу архитектуры процессора.

Регистр данных — служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операций.

Регистр-аккумулятор — регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений.

Регистр-указатель стека — используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу: последним вошел —первым вышел, т.е. последнее записанное в него значение извлекается из него первым. Стеки используются для организации подпрограмм.

Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти.

Регистры-счетчики используются для организации циклических участков в программах.

Внутренние системные регистры, не доступные программно и используемые во время внутренних пересылок информации при выполнении команд.

Устройство управления— часть центрального процессора, вырабатывающая распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд.

Выборка команд – процесс интерпретации устройством управления команды, выбранной из оперативной памяти.

Выполнение команды – формирование требуемого набора команд низкого уровня для АЛУ и других устройств.

В устройство управления входят:

регистр команды, содержащий код команды во время ее выполнения;

программный счетчик, содержащий адрес очередной подлежащей выполнению команды;

регистр адреса, вычисляющий адреса операндов, находящихся в памяти.

Оперативная память (ОП) –функциональный блок, хранящий информацию для устройства управления (УУ) – команды и арифметико-логического устройства (АЛУ) – данные.

Основные информационные и временные свойства запоминающих устройств:

Информационная емкость – максимально возможный объем хранимой информации.

Время доступа – временной интервал, определяемый от момента, когда процессор выставил на адресной шине адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

Время записи – интервал времени, необходимый для перезаписи содержимого шины данных в связанную с ней ячейку памяти.

С одной стороны память должна иметь большую емкость – для реализации задач, построенных по сложным алгоритмам и имеющих достаточно много исходных, промежуточных и результирующих данных. С другой стороны, память должна обладать достаточным быстродействием, соответствующим быстродействию других устройств компьютера, а чем больше емкость памяти, тем медленнее к ней доступ, т.к. время доступа определяется временем, необходимым для выборки из памяти или записи в нее информации. Поэтому в компьютере существует несколько запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием.

Память собирается на полупроводниковых микросхемах и состоит из отдельных ячеек.

Ячейка памяти– вместилище порции информации в памяти компьютера, доступной для обработки отдельной командой.

Содержимое ячейки памяти называется машинным словом.

Количество информации, записываемое или извлекаемое из памяти за одно обращение, называется машинным словом.

Разряд –часть ячейки памяти, хранящая один бит двоичной информации.

Количество разрядов, которое может быть воспринято, передано или получено за одно обращение к процессору, называется его разрядностью.

Периферийные устройства.В их число входят устройства двух типов: устройства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ, и коммуникационные устройства, предназначенные для связи компьютера с внешним миром (пользователем, посредствам устройств ввода-вывода и манипуляторов, другими компьютерами с помощью модемов и устройств связи, и т.д.). Обмен данными с внешним устройством осуществляется через порты ввода-вывода. Порт (в переводе с англ. port — ворота, дверь, отверстие) можно рассматривать как совокупность ячеек, через которые возможно записать данные в периферийное устройство, или, наоборот — прочитать из него. Так же как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера — адреса портов ввода-вывода.

Система шин.Объединение функциональных блоков в компьютере осуществляется посредством следующей системы шин:

шина данных, по которой осуществляется обмен информацией между блоками компьютера;

шина адреса, используется для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение);

шина управления используется для передачи управляющих сигналов.

Совокупность этих трех шин называют системной шиной, системной магистралью или системным интерфейсом.

Шина состоит из отдельных проводников (линий). Сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами (наличие импульса соответствует логической 1, а отсутствие импульса — логическому 0), либо уровнем напряжения (например, высокий уровень — 1 , низкий — 0). Шириной шины называется количество линий (проводников), входящих в составшины. Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства компьютера. Если, например, количество линий адреса, используемых для адресации памяти, равно 20, то общее количество адресуемых ячеек памяти составит 2 20 , т.е. примерно один миллион ячеек (точнее, 1.048.576 ячеек).

Обычно на шине в любой момент можно выделить два активных устройства. Одно из них называется задатчиком и инициирует операцию обмена данными (формирует адреса и управляющие сигналы), другое называется исполнителем и выполняет операцию (дешифрует адреса и управляющие сигналы, принимает или передает данные). В большинстве случаев задатчиком является центральный процессор. Память всегда выступает только в качестве исполнителя.

1. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЭВМ С ШИННОЙ ОРГАНИЗАЦИЕЙ

• Упрощенная схема фон-неймановской ЭВМ
с шинной организацией
• Состав и функции блоков ЦП
• Память. Оперативная память
• Периферийные устройства
• Система шин. Виды программноуправляемой передачи информации в ЭВМ
• Обобщенный алгоритм функционирования
фон-неймановской ЭВМ

2. Упрощенная схема ЭВМ с шинной организацией

• Шинная организация является простейшей
формой организации ЭВМ. В соответствии с
принципами фон-Неймана подобная ЭВМ имеет в
своем составе 6 функциональных блоков.
• Центральный процессор (ЦП) —
функциональный блок, выполняющий основные
операции по обработке данных и управлению
работой других блоков.
• Центральный процессор состоит из следующих
взаимосвязанных составных элементов:
арифметико-логического устройства,
устройства управления и регистров.

Центральный процессор
Генератор
тактовой
частоты
Арифметико-логическое устройство
Регистровая
память
Регистр
флагов
Выполняемая
операция
Пульт
управления
Устройство управления
Программный
счётчик
Регистр
адреса
Регистр
команды
Шина данных
Шина управления
Память
Адрес
Данные
Управление
Порты
Адрес
Данные
Ячейка 1
Ячейка 2
Порт 1
Порт 2
Ячейка 3
Порт 3
….
Ячейка n
Память
….
Порт m
Управление
Порты
устройств
вводавывода
Системная шина
Шина адреса

4. Состав и функции АЛУ

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
состоит из блоков:
• Выполняемая операция
• Регистр флагов (флаговый регистр)
• Регистровая память (регистры процессора)
1. АЛУ выполняет основную работу по переработке
информации, хранимой в оперативной памяти. В
нем выполняются арифметические и
логические операции.
2. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие
сигналы, позволяющие автоматически выбирать
путь вычислительного процесса в зависимости от
получаемых результатов.

• Формирует по двум входным переменным одну —
выходную, выполняя заданную операцию
(сложение, вычитание, сдвиг и т.д.). Выполняемая
операция определяется микрокомандой,
получаемой от устройства управления.
• Характеристика результата выполнения операции
над входными переменными передается в
специальное устройство (блок) АЛУ, называемое
регистром флагов.
• Операции выполняются с помощью электронных
схем, каждая из которых состоит из нескольких
тысяч элементов. Микросхемы АЛУ имеют
высокую плотность и быстродействие.

• Предназначен для хранения характеристик
результата выполнения операции АЛУ.
• Отдельные разряды этого регистра указывают на
1. равенство результата операции нулю,
2. знак результата операции (+ или -),
3. правильность выполнения операции (наличие
переноса за пределы разрядной сетки или
переполнения разрядной сетки: индикаторы
переноса и переполнения).
• Программный анализ флагов АЛУ позволяет УУ
производить операции ветвления программы в
зависимости от конкретных значений данных.

• В АЛУ имеется набор программно-доступных
быстродействующих ячеек памяти различной
длины, которые называются регистрами
процессора.
• Регистры составляют основу архитектуры
процессора. Количество регистров и связей
между ними оказывает существенное влияние на
сложность и стоимость процессора.
• Однако, с другой стороны, наличие большого
количества регистров с богатым набором
возможностей упрощает программирование и
повышает гибкость программного обеспечения.

8. Обязательный набор регистров АЛУ

1. Регистр данных — служит для временного
хранения промежуточных результатов при
выполнении операций.
2. Регистр аккумулятор — регистр временного
хранения, который используется в процессе
вычислений (например, в нем формируется
результат выполнения команды умножения).
3. Регистр указатель стека — используется при
операциях со стеком. Стек используется для
организации подпрограмм в программе.
4. Индексные, указательные и базовые
регистры используются для хранения и
вычисления адресов операндов в памяти.

5. Регистры-счетчики используются для
организации циклических участков в программе.
6. Регистры общего назначения (РОН),
имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться
для любых целей. Точное назначение регистра
определяет программист при написании
программы. Они могут использоваться для
временного хранения данных, в качестве
аккумуляторов, а также в качестве
индексных, базовых, указательных регистров.
7. Внутренние системные регистры, не
доступные программно, используются во время
внутренних пересылок данных при выполнении
команд в АЛУ.

10. Функции УУ

• Устройство управления (УУ) — часть
центрального процессора, которая
вырабатывает распределенную во
времени и пространстве
последовательность внутренних и
внешних управляющих сигналов,
обеспечивающих выборку и выполнение
команд программы.
• На этапе выборки команды УУ
интерпретирует команду, выбранную из
оперативной памяти.

• На этапе выполнения команды
УУ формирует микропрограмму.
Микропрограмма это последовательность
микрокоманд, соответствующих одной
команде в программе.
• Микрокоманды задают
последовательность простейших
низкоуровневых операций для АЛУ,
таких, как пересылка данных, сложение,
сдвиг данных, установка и анализ
признаков, запоминание результатов и др.

12. Состав устройства управления

Устройство управления (УУ) имеет в
своем составе три блока:
1.Регистр команды, который содержит
код команды во время ее выполнения
2.Программный счетчик, в котором
содержится адрес следующей,
подлежащей выполнению команды
3.Регистр адреса, в котором
вычисляются адреса операндов,
находящихся в оперативной памяти.

Пульт управления
предусмотрен для связи пользователя с ЭВМ и
позволяет выполнять такие действия, как сброс
ЭВМ в начальное состояние, просмотр регистра
или ячейки памяти, запись адреса в программный
счетчик, пошаговое выполнение программы при ее
отладке и т.д.
Генератор тактовой частоты формирует
последовательность импульсов с целью
синхронизации работы всех устройств ЭВМ.
Память – устройство ЭВМ, предназначенное для
запоминания, хранения и выборки программ и
данных.

Периферийные устройства (ПУ). В их число
входят устройства двух типов: устройства
внешней памяти, предназначенные для
долговременного хранения данных и программ, и
коммутационные устройства, предназначенные
для связи ЭВМ с внешним миром (с
пользователем, другими ЭВМ и т.д.).
Обмен данными с ПУ осуществляется через порты
ввода-вывода.
Порты – ячейки памяти, которые используются
для связи ЭВМ с периферийными устройствами
(чтения и записи данных). Так же, как и ячейки
памяти, порты имеют уникальные номера —
адреса портов ввода-вывода.

15. Память ЭВМ

• Память состоит из конечного числа ячеек, каждая
из которых имеет свой уникальный номер - адрес.
• Доступ к ячейке осуществляется указанием ее
адреса.
• Память способна выполнять два вида операций
над данными — чтение с сохранением
содержимого и запись нового значения со
стиранием предыдущего.
• Каждая ячейка памяти может использоваться для
хранения либо данных, либо команды.
Виды памяти ЭВМ (по быстродействию):
1. Регистровая память 2. Оперативная память
3. Внешняя память

16. Оперативная память (ОП)

• Оперативная память — функциональный блок
ЭВМ, хранящий информацию для УУ (команды) и
АЛУ (данные).
• ОП ЭВМ должна вмещать достаточно большое
количество информации, т.е. должна иметь
большую емкость.
• С другой стороны, оперативная память должна
обладать быстродействием, соответствующим
быстродействию других устройств ЭВМ.
• Быстродействие памяти определяется временем,
необходимым для выборки данных из памяти или
записи данных. Чем больше емкость памяти, тем
медленнее к ней доступ.

17. Системная шина

• Объединение функциональных блоков в ЭВМ
осуществляется посредством системы шин:
• шины данных, но которой осуществляется
обмен информацией между блоками ЭВМ,
• шины адреса, используемой для передачи
адресов (номеров ячеек памяти или портов
ввода-вывода, к которым производится
обращение),
• шины управления для передачи управляющих
сигналов.
• Совокупность этих трех шин называют
системной шиной, системной магистралью
или системным интерфейсом.

18. Принципиально общие закономерности в организации шин

1. Шина состоит из отдельных проводников - линий.
2. Сигналы по линиям шины могут передаваться
либо импульсами (наличие импульса
соответствует логической 1, а отсутствие — 0),
либо уровнем напряжения (высокий, низкий).
3. Шириной шины называется количество линий,
входящих в состав шины. Ширина шины адреса
определяет размер адресного пространства ОП
ЭВМ. Если количество линий адреса равно 20, то
общее количество адресуемых ячеек ОП
составит 220 = 1 048 576 ячеек. Ширина шины
данных определяется разрядностью ЦП (длиной
машинного слова).

4. Обычно на шине в любой момент можно
выделить два активных устройства. Одно из
них называется задатчиком и инициирует
операцию обмена данными (формирует
адреса и управляющие сигналы).
Другое называется исполнителем и
выполняет операцию (дешифрирует адреса и
управляющие сигналы и принимает или
передает данные). В большинстве случаев
задатчиком является центральный
процессор. Память всегда выступает только в
качестве исполнителя.

20. Структура шины управления

21. Операция чтения

1. Процессор переводит шину в состояние
занято, на адресную шину помещает адрес
требуемой ячейки памяти, устанавливает на
шине управления сигнал чтение, выдает
сигнал синхронизации задатчика.
2. Память принимает адрес, дешифрирует его,
находит нужную ячейку и помещает ее
содержимое на шину данных. Далее память
выдает сигнал синхронизации исполнителя.
3. Получив ответ от памяти, процессор считывает
данные с шины данных, снимает свои
управляющие сигналы и освобождает шину.

22. Операция записи

1. Процессор переводит шину в состояние занято,
на адресную шину помещает адрес требуемой
ячейки памяти, на шину данных помещает
данные, которые надо записать в эту ячейку,
устанавливает на шине управления сигнал
запись, выдает сигнал синхронизации.
2. Память, получив сигнал синхронизации от ЦП,
принимает адрес, дешифрирует его, находит
нужную ячейку и помещает в нее содержимое с
шины данных. Далее память выдает сигнал
синхронизации исполнителя.
3. Получив ответ от памяти, ЦП снимает свои
управляющие сигналы и освобождает шину.

23. Квитирование

• Рассмотренный выше способ обмена
данными называется асинхронным
ответом , а сама операция
запроса — подтверждения носит
название квитирования или
рукопожатия (handshake) и широко
применяется при построении системы
шин различного назначения в разных
ЭВМ.

24. Виды программно-управляемой передачи данных

1. Синхронный – наиболее простой вид , требует
минимум технических и программных средств:
поскольку время выполнения операции
внешним устройством точно известно.
2. Асинхронный – интервал между командами
обмена задается внешним устройством
программным путем.
3. Обмен по прерываниям - готовность внешнего
устройства к обмену данными проверяется не
программным путем, а аппаратным, через
контроллеры прерываний.

25. Обобщенный алгоритм функционирования фон-неймановской ЭВМ с шинной организацией

Большинство ПЭВМ, мини - и микро ЭВМ
имеют шинную организацию и их
функционирование описывается
приведенным ниже алгоритмом, который
представляет собой последовательность
достаточно простых действий.

27. Шаг 1. Инициализация

• После включения ЭВМ в регистры центрального
процессора заносятся некоторые начальные
значения. Обычно в процессе инициализации
после включения ЭВМ в память ЭВМ помещается
программа, называемая первичным загрузчиком.
Основное назначение этой программы — загрузить
в оперативную память с устройства внешней
памяти операционную систему.
• Пока будем полагать, что в оперативной памяти
оказалась первая из подлежащих выполнению
программ.
• Программному счетчику в УУ присваивается
начальное значение, равное адресу первой
команды программы, указанной выше.

28. Шаг 2. Выборка команды

• Центральный процессор производит
операцию считывания первой
команды программы из оперативной
памяти (выборка команды УУ).
• В качестве адреса ячейки памяти
используется содержимое
программного счетчика.

29. Шаг 3. Интерпретация команды

• Содержимое считанной ячейки памяти
помещается в регистр команды УУ. Устройство
управления приступает к интерпретации
команды. По полю кода операции из первого
слова команды УУ определяет ее длину и, если
это необходимо, организует дополнительные
операции считывания, пока вся команда
полностью не будет прочитана процессором.
• Вычисленная длина команды прибавляется к
исходному содержимому программного
счетчика, и когда команда полностью
прочитана, программный счетчик будет хранить
адрес следующей команды.

30. Шаг 4.

• По адресным полям команды
устройство управления определяет,
имеет ли команда операнды в памяти.
• Если это так, то на основе указанных в
адресных полях режимов адресации
вычисляются адреса операндов и
производятся операции чтения памяти
для считывания операндов.

31. Шаг 5.

• Устройство управления и арифметикологическое устройство выполняют
операцию, указанную в поле кода
операции команды.
• Во флаговом регистре АЛУ центрального
процессора запоминаются признаки
результатов операции (равно нулю или
нет, знак результата, наличие
переполнения, переноса и т.д.).

32. Шаг 6

• Если это необходимо, устройство
управления выполняет операцию
записи для того, чтобы поместить
результат выполнения команды в
память.

33. Шаг 7.

• Если последняя команда не была
командой остановить процессор, то
описанная последовательность
действий повторяется, начиная с шага 2.
• Описанная последовательность
достаточно простых действий
центрального процессора с шага 2 до
шага 7 называется циклом процессора.

34. Реализация цикла процессора

• В различных конфигурациях ЭВМ фон Неймана
реализация цикла процессора может несколько
отличаться. Так, например, по-разному может
осуществляться синхронизация задатчиков и
исполнителей;
• процессор может считывать из памяти не одну
команду, а сразу несколько и хранить их в
специальной очереди команд;
• часто используемые программой команды и
данные могут храниться не в основной памяти
ЭВМ, а в быстродействующей буферной памяти и
т.д.

35. Заключение

• Шинная организация. В этой схеме все
устройства симметрично подсоединяются к
одному каналу, называемому общей шиной.
• Симметрия подключения гарантирует свободное
подключение новых устройств, т.е. система имеет
теоретически неограниченное развитие.
• Между блоками ЭВМ (процессор, оперативная
память, внешние устройства) организуется обмен
информацией (последовательный).
• Так как потоки информации ограничены
возможностями одного канала, эта схема имеет
принципиальные ограничения скорости работ.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

ЭВМ с шинной организацией

Шинная организация является простейшей формой организации ЭВМ. В соответствии с приведенными выше принципами фон-Неймана подобная ЭВМ имеет в своем составе функциональные блоки, показанные на рисунке 4.1.

подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
по всем предметам 1-11 классов

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Сейчас обучается 922 человека из 80 регионов

Курс повышения квалификации

Инструменты онлайн-обучения на примере программ Zoom, Skype, Microsoft Teams, Bandicam

Курс добавлен 31.01.2022
Сейчас обучается 28 человек из 18 регионов

Курс повышения квалификации

Педагогическая деятельность в контексте профессионального стандарта педагога и ФГОС

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Дистанционные курсы для педагогов

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

5 613 091 материал в базе

Материал подходит для УМК

ЗП до 91 000 руб.
Гибкий график
Удаленная работа

Самые массовые международные дистанционные

Школьные Инфоконкурсы 2022

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Другие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

19.04.2018 344
DOCX 31 кбайт
2 скачивания
Оцените материал:

Настоящий материал опубликован пользователем Нечай Александр Анатольевич. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Автор материала

40%

Подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
Для учеников 1-11 классов

Московский институт профессиональной
переподготовки и повышения
квалификации педагогов

Дистанционные курсы
для педагогов

663 курса от 690 рублей

Выбрать курс со скидкой

Выдаём документы
установленного образца!

Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки

Время чтения: 11 минут

Рособрнадзор предложил дать возможность детям из ДНР и ЛНР поступать в вузы без сдачи ЕГЭ

Время чтения: 1 минута

В Россию приехали 10 тысяч детей из Луганской и Донецкой Народных республик

Время чтения: 2 минуты

Школы граничащих с Украиной районов Крыма досрочно уйдут на каникулы

Время чтения: 0 минут

Минтруд предложил упростить направление маткапитала на образование

Время чтения: 1 минута

ГИА для школьников, находящихся за рубежом, может стать дистанционным

Время чтения: 1 минута

Новые курсы: преподавание блогинга и архитектуры, подготовка аспирантов и другие

Время чтения: 16 минут

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Шинная организация является простейшей формой организации ЭВМ. В соответствии с приведенными выше принципами фон-Неймана подобная ЭВМ имеет в своем составе следующие функциональные блоки (рис.5.12). Центральный процессор (ЦП) - функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Это наиболее сложный компонент ЭВМ как с точки зрения электроники, так и с точки зрения функциональных возможностей. Центральный процессор состоит из следующих взаимосвязанных составных элементов: арифметико-логического устройства, устройства управления и регистров.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет основную работу по переработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие ЭВМ автоматически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от получаемых результатов. Операции выполняются с помощью электронных схем, каждая из которых состоит из сотен тысяч элементов. Микросхемы имеют высокую плотность и быстродействие. На современном технологическом уровне все АЛУ можно разместить на одном кристалле полупроводникового элемента размером значительно меньше головки спички.

Рисунок 5.12 – Упрощенная схема ЭВМ с шинной организацией

Арифметико-логическое устройство формирует по двум входным переменным одну выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание, сдвиг и т.д.). Выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от устройства управления. АЛУ содержит в своем составе устройство, хранящее характеристику результата выполнения операции над данными и называемое флаговым регистром. Отметим пока, что отдельные разряды этого регистра указывают на равенство результата операции нулю, знак результата операции (+ или -), правильность выполнения операции (наличие переноса за пределы разрядной сетки или переполнения). Программный анализ флагов позволяет производить операции ветвления программы в зависимости от конкретных значений данных.

Кроме того, в АЛУ имеется набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора.

Регистры составляют основу архитектуры процессора. Среди обязательного набора регистров можно отметить следующие. Регистр данных - служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операций. Регистр-аккумулятор - регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений (например, в нем формируется результат выполнения команды умножения). Регистр-указатель стека - используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу: последним вошел - первым вышел, т.е. последнее записанное в него значение извлекается из него первым. Пока отметим только, что стеки используются для организации подпрограмм. Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти. Регистры-счетчики используются для организации циклических участков в программах. Регистры общего назначения, имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться для любых целей. Точное назначение такого регистра определяет программист при написании программы. Они могут использоваться для временного хранения данных, в качестве аккумуляторов, а также в качестве индексных, базовых, указательных регистров. Количество регистров и связей между ними оказывает существенное влияние на сложность и стоимость процессора. Однако, с другой стороны, наличие большого количества регистров с богатым набором возможностей упрощает программирование и повышает гибкость программного обеспечения. Кроме перечисленных регистров в состав АЛУ могут входить внутренние системные регистры, не доступные программно и используемые во время внутренних пересылок информации при выполнении команд.

Устройство управления (УУ) - часть центрального процессора. Оно вырабатывает распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд. На этапе цикла выборки команды УУ интерпретирует команду, выбранную из программной памяти. На этапе выполнения команды в соответствии с типом реализуемой операции УУ формирует требуемый набор команд низкого уровня для арифметико-логического устройства и других устройств. Эти команды задают последовательность простейших низкоуровневых операций, таких, как пересылка данных, сдвиг данных, установка и анализ признаков, запоминание результатов и др. Такие элементарные низкоуровневые операции называют микрооперациями, а команды, формируемые устройством управления, называются микрокомандами. Последовательность микрокоманд, соответствующая одной команде, называется микропрограммой.

В простейшем случае УУ имеет в своем составе три устройства -регистр команды, который содержит код команды во время ее выполнения, программный счетчик, в котором содержится адрес очередной подлежащей выполнению команды, регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти. Для связи пользователя с ЭВМ предусмотрен пульт управления, который позволяет выполнять такие действия, как сброс ЭВМ в начальное состояние, просмотр регистра или ячейки памяти, запись адреса в программный счетчик, пошаговое выполнение программы при ее отладке и т.д.

Память (ПАМ) - устройство, предназначенное для запоминания, хранения и выборки программ и данных. Память состоит из конечного числа ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер или адрес. Доступ к ячейке осуществляется указанием ее адреса. Память способна выполнять два вида операций над данными - чтение с сохранением содержимого и запись нового значения со стиранием предыдущего. Как уже говорилось выше, каждая ячейка памяти может использоваться для хранения либо порции данных, либо команды. В большинстве современных ЭВМ минимально адресуемым элементом памяти является байт - поле из 8 бит. Совокупность битов, которые арифметико-логическое устройство может одновременно поместить в регистр или обработать, называют обычно машинным словом.

Оперативная память (ОП) - функциональный блок, хранящий информацию для УУ (команды) и АЛУ (данные). Задачи, решаемые с помощью ЭВМ, требуют хранения в памяти различного количества информации, зависящего от сложности реализуемого алгоритма, количества исходных данных и т.п. Поэтому память должна вмещать достаточно большое количество информации, т.е. должна иметь большую емкость. С другой стороны, память должна обладать достаточным быстродействием, соответствующим быстродействию других устройств ЭВМ. Чем больше емкость памяти, тем медленнее к ней доступ, так как время доступа (т.е. быстродействие) определяется временем, необходимым для выборки из памяти или записи в нее информации. Поэтому в ЭВМ существует несколько запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием.

Оперативная память собирается на полупроводниковых микросхемах и состоит из отдельных ячеек.

Периферийные устройства (ПУ). В их число входят устройства двух типов: устройства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ, и коммуникационные устройства, предназначенные для связи ЭВМ с внешним миром (с пользователем, другими ЭВМ и т.д.). Обмен данными с внешним устройством осуществляется через порты ввода-вывода. Порт (в переводе с англ, port - ворота, дверь, отверстие) - это абстрактное понятие, на самом деле несуществующее. По аналогии с ячейками памяти порты можно рассматривать как ячейки, через которые можно записать в ПУ, или, наоборот, прочитать из него. Так же как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера - адреса портов ввода-вывода.

Система шин. Объединение функциональных блоков в ЭВМ осуществляется посредством следующей системы шин: шины данных, по которой осуществляется обмен информацией между блоками ЭВМ, шины адреса, используемой для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение), и шины управления для передачи управляющих сигналов. Совокупность этих трех шин называют системной шиной, системной магистралью или системным интерфейсом. Состав и назначение шин и правило их использования, виды передаваемых по шине сигналов и другие характеристики шины могут существенно различаться у разных видов ЭВМ. Однако есть принципиально общие закономерности в организации шин. Шина состоит из отдельных проводников (линий). Сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами (наличие импульса соответствует логической 1, а отсутствие импульса - 0), либо уровнем напряжения (например, высокий уровень - логическая 1 , низкий - 0). Шириной шины называется количество линий (проводников), входящих в состав шины. Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства ЭВМ. Если, например, количество линий адреса, используемых для адресации памяти, равно 20, то общее количество адресуемых ячеек памяти составит 2 20 , т.е. примерно, один миллион ячеек (точнее, 1 048 576 ячеек).

Функционирование ЭВМ с шинной структурой можно описать следующим обобщенным алгоритмом (рис. 5.13):

1. Инициализация. После включения ЭВМ или операции сброса в регистры центрального процессора заносятся некоторые начальные значения. Обычно в процессе инициализации в память ЭВМ помещается программа, называемая первичным загрузчиком. Основное назначение первичного загрузчика - загрузить в память с устройства внешней памяти операционную систему. Эта программа может быть размещена в энергонезависимом устройстве памяти или автоматически считываться с некоторого устройства внешней памяти. Мы не будем здесь подробно останавливаться на механизмах загрузки операционной системы, тем более что они могут существенно различаться для разных типов ЭВМ. Пока будем полагать, что в памяти некоторым образом оказалась первая из подлежащих выполнению программ. Программному счетчику присваивается начальное значение, равное адресу первой команды программы, указанной выше.

2. Центральный процессор производит операцию считывания коанды из памяти. В качестве адреса ячейки памяти используется содержимое программного счетчика.

3. Содержимое считанной ячейки памяти интерпретируется процессором как команда и помещается в регистр команды. Устройство управления поступает к интерпретации посчитанной команды. По полю кода операции из первого слова команды устройство управления определяет ее длину и, если это необходимо, организует дополнительные операции считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором. Вычисленная длина команды прибавляется к исходному содержимому программного счетчика, и когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адрес следующей команды.

Читайте также: