Структуры вычислительных машин реферат
Обновлено: 30.06.2024
Персональный компьютер (ПК) или персональная ЭВМ (ПЭВМ) — электронная вычислительная машина, с которой может работать пользователь, не являющийся профессиональным программистом.
Она характеризуется развитым (дружественным) человеко-машинным интерфейсом, малыми габаритами, массой, относительно невысокой стоимостью и многофункциональностью (универсальностью) применения.
Одним из основных достоинств ПЭВМ, обеспечивших им потрясающий успех, явился принцип открытой архитектуры, заключающийся в том, что при проектировании ПЭВМ регламентируются и стандартизируются только принцип действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Построение ПЭВМ не единым неразъемным устройством, а на основе принципа открытой архитектуры (модульности построения) обеспечивает возможность их сборки из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями. Кроме того, такой компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширительных разъемов, позволяющих пользователю добавлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей ЭВМ в соответствии со своими личными предпочтениями. Специалисты часто называют такие операции upgrade (расширить, обновить).
Цель данной работы рассмотреть функционально-структурную организацию ЭВМ.
- Рассмотреть состав и назначение основных блоков компьютера.
- Рассмотреть основные характеристики компонентов ЭВМ (центрального процессора и памяти).
Методологической и теоретической основой при написании работы послужила учебная литература и труды отечественных и зарубежных авторов.
Структура ЭВМ и принцип ее работы
Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной — ЭВМ. Структура такого устройства была описана знаменитым математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г
Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.[1]
Структура современного персонального компьютера представлена на рисунке ниже. [2]
Рассмотрим принцип взаимодействия основных устройств.
Материнская(системная) плата — важнейший элемент ПК, на ней размещаются устройства непосредственно осуществляющие процесс обработки информации (вычислений), как правило это микропроцессор, внутренняя память, системная шина, контроллер клавиатуры, генератор тактовой частоты, контроллер прерываний, таймер и др. Схемы, управляющие другими внешними устройствами компьютера, как правило, находятся на отдельных платах, вставляемых в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере — шине. Иногда эти контроллеры могут располагаться на системной плате. Наборы микросхем, на основе которых исполняются системные платы, называют чипсетами. Материнские платы различаются по типу процессоров, которые могут быть установлены на них, и названия фирм, их выпускающих. На материнских платах находятся специальные перемычки — джамперы, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавливаемых на ней.
Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных — шину. Виды слотов расширения различаются по типу шины. Данные могут передаваться между внешними устройствами и процессором, оперативной памятью и процессором, внешними устройствами и оперативной памятью или между устройствами ввода-вывода. Шина характеризуется типом, разрядностью, частотой и количеством подключаемых внешних устройств. При работе с оперативной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина данных.
Аппаратно-логические устройства, отвечающие за совместное функционирование различных компонентов, называют интерфейсами.Современный компьютер заполнен разными интерфейсами, обеспечивающими всеобщее взаимодействие. На интерфейсы существуют стандарты.
Совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, образует то, что называют архитектурой компьютера.
Для добавления в ПК нового дополнительного устройства необходим контроллер— устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Кроме того, необходим драйверэтого устройства — программа, позволяющая программно связать это устройство с системой в целом.
Контроллер должен учитывать аппаратные особенности подключаемого устройства, а драйвер должен позволить операционной системе, используя стандартный набор командных запросов, управлять нестандартным устройством.
Центральной частью компьютера является системныйблок, с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью. Системный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к источнику питания — сети переменного тока. В современных компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируются в едином корпусе.
Описание принципа Фон Неймана и структурная схема ЭВМ. Общие сведения о специализированном вычислителе БВЦ ТАКТ51. Формы представления чисел в ЭВМ. Выполнение арифметических операций над двоичными числами. Программное управление вычислительным процессом.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 11.12.2014 |
| Размер файла | 34,9 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
1. Структура электронных вычислительных машин
Все современные вычислительные машины построены по принципам и имеют структуру, предложенную еще в 40-х годах академиком Джоном Фон Нейманом. программный вычислительный двоичный нейман
Принципы Фон Неймана:
· вычислительная машина конструктивно делится на ряд устройств: процессор, запоминающее устройство (для хранения программ и данных), устройство ввода-вывода и т.д.;
· наличие хранимой в памяти программы;
· одинаковое представление чисел и команд в виде двоичных кодов;
· принцип микропрограммного управления процессом вычислений;
· естественный порядок выборки команд (команды выполняются последовательно, так как они хранятся в памяти; изменение порядка выполнения команд, при необходимости, осуществляется специальными командами перехода).
Согласно первому принципу ЭВМ состоит из ряда устройств, взаимодействующих друг с другом в процессе решения задачи. Рассмотрим кратко основные устройства и их функции.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения предусмотренных в ЭВМ арифметических и логических операций. Участвующие в операциях данные выбираются из ОЗУ, результаты операций отсылаются в ОЗУ. Для ускорения выборки операндов (данных, участвующих в операциях) АЛУ может снабжаться собственной местной памятью (сверхоперативным запоминающим устройством - СОЗУ) на небольшое число данных (в сравнении с ОЗУ), но обладающей быстродействием, превышающим быстродействие ОЗУ. При этом результаты операций, если они участвуют в последующих операциях, могут не отсылаться в ОЗУ, а храниться в СОЗУ. Оперативная память вместе с СОЗУ представляет собой единый массив памяти, непосредственно доступный процессору для записи и чтения данных, а также считывания программного кода. К настоящему времени для оптимизации работы созданы процессоры с несколькими уровнями (от одного до трех) кэширования ОЗУ (несколькими СОЗУ).
Устройство управления (УУ) - координирует работу процессора, посылая в определенной временной последовательности управляющие сигналы в устройства ЭВМ, обеспечивая их соответствующее функционирование и взаимодействие друг с другом.
Оперативная память (ОЗУ) - реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической памяти. ОЗУ служит для хранения программы, исходных данных задачи, промежуточных и конечных результатов решения задачи.
Память ЭВМ к настоящему времени приобрела довольно сложную структуру и "расползлась" по многим компонентам. Кроме оперативной, память включает также и постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти (например видеопамять графического адаптера). Вся эта память вместе с оперативной располагается в едином пространстве с линейной адресацией. В любом компьютере обязательно есть постоянная память, в которой хранится программа начального запуска компьютера и минимальный необходимый набор сервисов (например: ROM BIOS).
Все узлы ЭВМ не входящие в ядро называются периферийными. Они обеспечивают расширение возможностей ЭВМ, облегчают пользование ими. В состав периферийных (внешних) устройств могут входить следующие узлы.
Внешняя память (устройства хранения данных, например, дисковые) - память, имеющая относительно невысокое быстродействие, но по сравнению с ОЗУ существенно более высокую емкость. Внешняя память предназначена для записи данных с целью последующего считывания (возможно, и на другом компьютере). От рассмотренной выше памяти, называемой также внутренней, устройства хранения отличаются тем, что процессор не имеет непосредственного доступа к данным по линейному адресу. Доступ к данным на устройствах хранения выполняется с помощью специальных программ, обращающихся к контроллерам этих устройств. В силу того что быстродействие внешней памяти значительно ниже быстродействия АЛУ, последнее в процессе работы взаимодействует лишь с ОЗУ, получая из него команды и данные, отсылая в эту память результаты операций. Часто при решении сложных задач емкость ОЗУ оказывается недостаточной. В этих случаях в процессе решения задач данные определенными порциями могут пересылаться из внешней памяти в ОЗУ, откуда они затем выбираются для обработки в АЛУ.
Устройства ввода/вывода (УВВ) служат для преобразования информации из внутреннего представления в компьютере (биты и байты) в форму, доступную окружающим, и обратно. Под окружающими понимаем как людей, так и другие машины (например технологическое оборудование, которым управляет компьютер). К устройствам ввода относятся клавиатура, мышь, джойстик, микрофон, сканер, видеокамера, различные датчики; к устройствам вывода - дисплей, принтер, плоттер, акустические системы (наушники), исполнительные механизмы. Список устройств ввода/вывода безграничен - благодаря фантазии и техническому прогрессу в него входят все новые и новые устройства; так, например, шлем виртуальной реальности из области фантастики вышел в производственно-коммерческую. Устройства хранения к УВВ относить некорректно, поскольку здесь преобразования информации ради доступности внешнему миру не происходит. Устройства хранения вместе с УВВ можно объединить общим понятием периферийные устройства.Существует еще большой класс коммуникационных устройств, предназначенных для передачи информации между компьютерами и (или) их частями. Эти устройства обеспечивают, например, соединение компьютеров в локальные сети или подключение терминала (это УВВ) к компьютеру через пару модемов. Периферийные и коммуникационные устройства снабжаются контроллерами или адаптерами, которые доступны процессору.
2. Общие сведения о специализированном вычислителе БВЦ ТАКТ51
Ядром автоматизированного средства контроля является специализированный вычислитель - блок вычислителя цифрового (БВЦ ТАКТ51.51.000). Блок вычислителя цифрового предназначен для управления системой ТАКТ51, а также для обработки информации при проверке изделия и самопроверке работоспособности ТАКТ51. БВЦ относится к классу малых одноадресных управляющих специализированных цифровых вычислительных машин.
БВЦ реализует следующие функции:
· обмен данными с периферийными блоками;
· математическую обработку результатов измерений, полученных с периферийных блоков;
· выявление и обработку неисправностей, возникающих в системе;
· взаимодействие оператора с БВЦ путем операций ручного управления и наблюдения посредством ПУ и ПО;
· отсчет текущего времени работы БВЦ.
По существу блок вычислителя цифрового - это электронная вычислительная машина, автоматически выполняющая интерпретацию программы (алгоритма) в виде физических процессов, назначением которых является реализация арифметических и логических операций над информацией, представленной в цифровой форме.
Для того чтобы любая ЭВМ, в том числе и БВЦ, могла автоматически решать задачи, она должна обеспечивать выполнение следующих функций:
· восприятие вводимой в машину информации - исходных данных и программы решения задач;
· хранение введенной информации и выдачу ее в требуемые моменты времени, обусловленные программой;
· выполнение арифметических и логических операций;
· выдачу по программе результатов вычислений в удобной для восприятия форме;
· автоматическое управление вычислительным процессом в соответствии с введенной программой.
Для выполнения перечисленных функций в состав БВЦ входят: устройство ввода, запоминающее устройство (память), процессор, устройства вывода (являются периферийными по отношению к БВЦ и, по существу, не входят непосредственно в состав БВЦ).
Устройство ввода (ПБВД-5) обеспечивает фотоэлектрическое считывание информации с восьмидорожечной перфоленты и представление считанной информации в двоичной форме в виде электрических сигналов, воспринимаемых оперативной памятью.
Запоминающее устройство (платы ОЗУ и ПЗУ) служит для хранения информации, необходимой для производства вычислений. В памяти размещаются программы, задающие порядок вычислений, и данные, представляющие исходные значения, промежуточные и конечные результаты вычислений.
Процессор - это центральное устройство БВЦ. Процессор "воспринимает" программу и на ее основе управляет работой всех устройств БВЦ, инициируя выполнение действий в памяти и устройствах ввода-вывода. Функцией процессора является выборка команд из памяти и их выполнение.
Периферийными устройствами вывода (цифропечатающее устройство ПЦПУ-6, устройство вывода перфоленточное ПУВЛ-1) обеспечивается вывод информации из памяти для ее последующего использования (печать цифр и символов, пробивка отверстий на ленте).
Работа БВЦ протекает следующим образом. Программа и исходные данные, представленные на носителе информации (перфоленте), считываются устройством ввода ПБВД-5 и загружаются в память, в адреса, указанные на перфоленте. Выполнение программы сводится к последовательной выборке команд из памяти и их выполнению средствами процессора и устройств ввода-вывода.
Программа проверки изделия или самопроверки системы ТАКТ51 определяет объем и последовательность операций, выполняемых ТАКТ51. БВЦ вводит программу проверки с перфоленты в оперативную память и в соответствии с программой выдает команды на управляющие и измерительные блоки системы, принимает и обрабатывает информацию с измерительных блоков, а результаты проверки выводит на печать на ЦПУ и/или перфорацию на УВЛ.
Команда представляет собой цифровой код, преобразующийся в БВЦ в управляющие сигналы. Для БВЦ определен 13-разрядный двоичный формат команды.
· из кода команды (с 0-го по 2-й разряд), определяющего тип команды;
· из кодированной информации (с 3-го по 11-й разряды), определяющей информацию: действие, предписанное командой, или адрес (номер) ячейки памяти;
· из контрольного разряда (12-й разряд), обеспечивающего контроль правильности команды и ее неискажения при передаче в устройствах БВЦ. Это достигается записью, при необходимости, единицы в контрольном разряде (дополнение до нечетного количества единиц в команде). Все команды программы располагаются в ячейках памяти запоминающего устройства. Для удобства обращения к памяти ячейки пронумерованы последовательно от 0 до 409510. Адреса (номера) представляются или в двоичном виде (в БВЦ) от 000 000 000 0002 до 111 111 111 1112, или в восьмеричном виде (при программировании) от 00008 до 77778.
3. Формы представления чисел в электронных вычислительных машинах
ЭВМ оперирует с числами, содержащими конечное число разрядов. Количество разрядов ограничено длиной разрядной сетки машины. Под разрядной сеткой понимается совокупность двоичных разрядов, предназначенных для хранения и обработки машинных слов (двоичных кодов).
Для представления чисел в ЭВМ используются две формы: естественная (с фиксированной запятой) и нормальная с (плавающей запятой).
Естественная (с фиксированной запятой) (FIXED - POINT REPRESENTATION) форма представления чисел предполагает, что положение запятой, отделяющей целую часть от дробной, фиксировано в разрядной сетке машины. Для представления знака выделяется специальный разряд - знаковый. Обычно это крайний левый разряд. Для положительных чисел в знаковом разряде записывается 0, а для отрицательных 1.
Количество двоичных разрядов и положение запятой в разрядной сетке машины определяют такие важные характеристики ЭВМ, как точность и диапазон представляемых чисел. Так, например, для n-разрядной сетки точность (дискретность) равна 2- n , а диапазон 0?|N|?2 -1 -1. Рассмотрим это более подробно.
Обычно в ЭВМ используются два способа расположения фиксированной запятой: перед старшим разрядом или после младшего разряда. В первом случае ЭВМ работает только с числами, меньшими единицы во втором - с целыми .
а) запятая перед старшим разрядом
б) запятая после младшего разряда
Длину разрядной сетки с фиксированной запятой в современных универсальных ЭВМ принято выбирать кратной байту (8 бит или 8 двоичных разрядов). В персональных ЭВМ используется разрядная сетка длиной 8, 16, 32 или 64 разряда. Для специализированных вычислителей возможны другая кратность и длина разрядной сетки.
Одним из важных преимуществ данной формы представления числа является возможность построения сравнительно несложных операционных устройств ЭВМ с высоким быстродействием, а недостатком - малый диапазон представления числа.
Нормальная (с плавающей запятой) (FLOATION - POINT REPRESENTATION) форма представления чисел позволяет значительно увеличить диапазон представления чисел.
Представление числа в форме с плавающей запятой в общем виде определяется выражением
где М - мантисса числа, р - порядок, 2 р характеристика числа. Знак числа совпадает со знаком мантиссы. Говорят, что число представлено в нормальной форме. Однако такое представление приводит к неоднозначности, поэтому мантисса М обычно представляется правильной дробью в нормализованном виде (первая цифра справа от запятой в числе должна быть отличной от нуля). Таким образом, значение нормализованной мантиссы должно удовлетворять неравенству 2- 1 ?|М| 0 и множитель В>0, представленные n-разрядными прямыми кодами [A]пр и [Впр], то положительное произведение [С] получается в прямом коде просто как
Прямой код множимого [А]пр умножается на каждую цифру прямого кода [В]пр. Если младший разряд множителя равен 1, то частное произведение, равное множимому, прибавляется к накопленной сумме частных произведений. Полученная новая сумма и множитель сдвигаются на разряд вправо и освобождающие при сдвиге старшие разряды регистра множителя заполняются младшими разрядами произведения. Если младший разряд множителя равен 0, то и очередное частное произведение равно 0. При этом этап суммирования пропускается, а происходит только сдвиг на разряд вправо множителя и суммы частных произведений, накопленной к данному шагу умножения.
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
С середины 60-х годов очень сильно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия. Так возникло новое понятие — архитектура ЭВМ.
Под архитектурой ЭВМ принято понимать совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, определяющая функциональные возможности вычислительной машины при решении соответствующих типов задач.
Архитектура ЭВМ охватывает значительный круг проблем, связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов основными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в эксплуатации, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратные средства.
Архитектуру вычислительного средства необходимо отличать от структуры ВС. Структура вычислительного средства определяет его текущий состав на определенном уровне детализации и описывает связи внутри средства. Архитектура же определяет основные правила взаимодействия составных элементов вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой необходимо для формирования правил взаимодействия. Она устанавливает не все связи, а только наиболее необходимые, которые должны быть известны для более грамотного использования применяемого средства.
Так, пользователю ЭВМ не важно, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно исполняются команды и тому подобное. Архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, которые относятся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их ПО.
Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.
Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рисунке.
Положения фон Неймана:
Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода)
Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти
Управляющее устройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками)
Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме
Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве
Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода
Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:
Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).
Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.
Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.
На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.
Реальная структура компьютера значительно сложнее, чем рассмотренная выше (ее можно назвать логической структурой). В современных компьютерах, в частности персональных, все чаще происходит отход от традиционной архитектуры фон Неймана, обусловленный стремлением разработчиков и пользователей к повышению качества и производительности компьютеров. Качество ЭВМ характеризуется многими показателями. Это и набор команд, которые компьютер способный понимать, и скорость работы (быстродействие) центрального процессора, количество периферийных устройств ввода-вывода, присоединяемых к компьютеру одновременно и т.д. Главным показателем является быстродействие - количество операций, какую процессор способен выполнить за единицу времени. На практике пользователя больше интересует производительность компьютера - показатель его эффективного быстродействия, то есть способности не просто быстро функционировать, а быстро решать конкретные поставленные задачи.
Как результат, все эти и прочие факторы способствуют принципиальному и конструктивному усовершенствованию элементной базы компьютеров, то есть созданию новых, более быстрых, надежных и удобных в работе процессоров, запоминающих устройств, устройств ввода-вывода и т.д. Тем не менее, следует учитывать, что скорость работы элементов невозможно увеличивать беспредельно (существуют современные технологические ограничения и ограничения, обусловленные физическими законами). Поэтому разработчики компьютерной техники ищут решения этой проблемы усовершенствованием архитектуры ЭВМ.
Так, появились компьютеры с многопроцессорной архитектурой, в которой несколько процессоров работают одновременно, а это означает, что производительность такого компьютера равняется сумме производительностей процессоров. В мощных компьютерах, предназначенных для сложных инженерных расчетов и систем автоматизированного проектирования (САПР), часто устанавливают два или четыре процессора. В сверхмощных ЭВМ (такие машины могут, например, моделировать ядерные реакции в режиме реального времени, прогнозировать погоду в глобальном масштабе) количество процессоров достигает нескольких десятков.
Скорость работы компьютера существенным образом зависит от быстродействия оперативной памяти. Поэтому, постоянно ведутся поиски элементов для оперативной памяти, затрачивающих меньше времени на операции чтения-записи. Но вместе с быстродействием возрастает стоимость элементов памяти, поэтому наращивание быстродействующей оперативной памяти нужной емкости не всегда приемлемо экономически.
Проблема решается построением многоуровневой памяти. Оперативная память состоит из двух-трех частей: основная часть большей емкости строится на относительно медленных (более дешевых) элементах, а дополнительная (так называемая кэш-память) состоит из быстродействующих элементов. Данные, к которым чаще всего обращается процессор находятся в кэш-памяти, а больший объем оперативной информации хранится в основной памяти.
Раньше работой устройств ввода-вывода руководил центральный процессор, что занимало немало времени. Архитектура современных компьютеров предусматривает наличие каналов прямого доступа к оперативной памяти для обмена данными с устройствами ввода-вывода без участия центрального процессора, а также передачу большинства функций управления периферийными устройствами специализированным процессорам, разгружающим центральный процессор и повышающим его производительность.
Методы классификации компьютеров
Номенклатура видов компьютеров сегодня огромная: машины различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Поэтому классифицируют ЭВМ по разным признакам. Следует заметить, что любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что, например, сегодняшняя микроЭВМ не уступает по мощности миниЭВМ пятилетней давности и даже суперкомпьютерам недавнего прошлого. Кроме того, зачисление компьютеров к определенному классу довольно условно через нечеткость разделения групп, так и вследствии внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуру узлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика. Рассмотрим распространенные критерии классификации компьютеров.
Классификация по назначению
большие электронно-вычислительные машины (ЭВМ);
Большие ЭВМ (Main Frame)
Применяют для обслуживания крупных областей народного хозяйства. Они характеризуются 64-разрядными параллельно работающими процессорами (количество которых достигает до 100), интегральным быстродействием до десятков миллиардов операций в секунду, многопользовательским режимом работы. Доминирующее положение в выпуске компьютеров такого класса занимает фирма IBM (США). Наиболее известными моделями суперЭВМ являются: IBM 360, IBM 370, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.
На базе больших ЭВМ создают вычислительный центр, который содержит несколько отделов или групп (структура которого изображена на рис. 2). Штат обслуживания - десятки людей.
В настоящее время примерно одинаковое распространение получили два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины.
В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления (рис. 1.4). Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение в мини-и микроЭВМ. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины. Практика показывает, что даже при достаточно быстрой шине для 90% приложений этих остаточных ресурсов обычно не хватает, особенно в случае ввода или вывода больших массивов данных.
Рис. 1.4. Структура вычислительной машины на базе общей шины
При сохранении фон-неймановской концепции последовательного выполнения команд программы шинная архитектура в чистом ее виде оказывается недостаточно эффективной. Более распространена архитектура с иерархией шин, где помимо магистральной шины имеется еще несколько дополнительных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например процессором и кэшпамятью. Другой вариант использования дополнительных шин – объединение однотипных устройств ввода/вывода с последующим выходом с дополнительной шины на магистральную. Всеэти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать ее пропускную способность.
Базовым элементом компьютера является триггер. На его основе выполняются другие узлы компьютера.
Регистр – это несколько определенным образом соединенных триггеров, т.е. можно записать двоичное слово в регистр, прочитать его, сдвинуть, инвертировать.
Счетчик позволяет определить число поступивших на него сигналов. Он также строится на основе триггеров.
Логическая схема реализует определенную логическую функцию, т. е. формирует выходной сигнал при определенных комбинациях сигналов на ее входах.
Содержимое счетчика команд (СчК) процессора передается по адресной шине на регистр адреса (РгА) основной памяти (рис. 1.5). В момент включения компьютера в счетчике команд всегда находится один и тот же начальный адрес. Таким образом, запрашивается содержимое ячейки памяти с этим начальным адресом, принадлежащим BIOS. Как правило, эта ячейка содержит код команды безусловного перехода, служащей для изменения содержимого счетчика команд. Этот код передается на регистр команд (РгК) процессора по шине данных. Содержимое ячейки памяти поступает на регистр команд РгК, поскольку запрос к памяти произведен из счетчика команд; это обязательное требование для любого компьютера традиционной архитектуры.
Рис. 1.5. Передача команд из ОП в ЦП
Регистр команд процессора РгК, в свою очередь, состоит из нескольких регистров – регистра кода операции (РгКОП) и регистров адресов процессора (РгАП). Часть слова, попавшая в регистр кода операции, передается в блок управления (БУ), вырабатывающий последовательность управляющих сигналов.
Когда выполняется команда безусловного перехода, вторая адресная часть слова, попавшая в один из регистров адреса процессора, под управлением сигналов с БУ передается вновь на счетчик команд. Эта команда одноадресная, т.е. ее адресная часть содержит только один адрес. На этом и завершается ее выполнение. Блок управления формирует сигнал об окончании выполнения команды, а содержимое СчК вновь передается на РгА памяти, т. е. происходит запрос следующей команды.
Таким образом, процедура обращения к памяти повторяется. Содержимое ячейки памяти, к которой произведено повторное обращение, рассматривается в качестве новой команды, т.е. вновь загружается на РгК процессора. Обычно вторая команда служит для начала загрузки ОЗУ с магнитного диска; она уже не является командой безусловного перехода. При ее выполнении под давлением кода операции (часть команды, попавшая на РгКОП) вырабатываются иные управляющие сигналы, а содержимое первого регистра РгАП, представляющего собой часть РгК, передается на адресный регистр памяти и рассматривается в качестве адреса первого операнда.
Для ОЗУ безразлично, откуда пришел запрос – из счетчика команд или адресного регистра, поэтому в регистре данных (РгД) памяти слово формируется так же, как и раньше. Однако в процессоре оно помещается на первый регистр данных АЛУ, поскольку запрос этого слова поступил из адресного регистра РгАП процессора. Затем блок управления формирует аналогичные сигналы для передачи на регистр адреса РгА основной памяти содержимого второго регистра адреса РгАП процессора; в результате содержимое ячейки памяти с адресом, находящимся в регистре адресов процессора РгАП, поступает на второй регистр данных арифметического устройства.
Затем блок управления вырабатывает сигналы в зависимости от кода операции в регистре кода операции РгКОП, подает их в АЛУ, которое выполняет соответствующую операцию, а ее результат помещает в выходной регистр-аккумулятор. После этого содержимое регистра-аккумулятора передается в ячейку памяти, адрес которой обычно находится в первом регистре адресов процессора РгАП, т. е. выполняется еще одно обращение к ОП. Информация из регистра-аккумулятора передается на шину данных, а адрес ячейки из регистра адресов процессора РгАП – на адресную шину. В зависимости от конструкции машины, числа адресов в выполняемой команде (адресности) и других особенностей, содержимое регистра-аккумулятора может сохраняться в нем, передаваться в ячейку ОП по адресу, находящемуся в первом или втором РгАП.
Таким образом, выполнение программы происходит последовательно: каждый раз в машине реализуется лишь одна команда, попадающая в регистр команд из ОП. Чтобы увеличить производительность компьютера, нужно либо повысить скорость выполнения команды, либо выполнять несколько последовательных команд одновременно. Повышение скорости выполнения команды связано с улучшением технических характеристик и увеличением быстродействия всех компонентов, входящих в компьютер – ЦП, ОП, шин интерфейсов, устройств ввода-вывода. Но увеличение скорости выполнения команды принципиально ограничено – скорость распространения сигналов в машине не может превышать скорость света, а длина пути определяется числом вентилей и применяемой технологией. Второй путь, заключающийся в параллельном выполнении нескольких команд, наиболее перспективен.
Читайте также: