Как осуществляется функционирование эвм кратко

Обновлено: 04.07.2024

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.

Первые ЭВМ — это первые версии технического, аппаратного и программного обеспечения, которое предназначалось для производства вычислений.

Введение

Минуло всего около пятидесяти лет со дня появления первой электронной вычислительной машины. За этот относительно небольшой для общественного прогресса промежуток времени поменялось несколько поколений компьютеров, а первые электронные вычислительные машины превратились в музейную редкость. История совершенствования вычислительной техники весьма интересна, так как демонстрирует плотную взаимную связь математики и физики с современными технологическими новшествами, степень совершенства которых предопределяет развитие выпуска вычислительных устройств.

Электронные вычислительные машины прошли в своём развитии несколько этапов. Для компьютерных устройств свойственна частая смена поколений, за столь небольшое по историческим меркам время их сменилось уже четыре, и сегодня в эксплуатации находится пятое поколение компьютеров. Главными отличительными признаками каждого поколения является его элементная база и важнейшие рабочие характеристики. Но при этом всё равно разделение компьютеров на поколения несколько условное. Есть отдельные компьютерные модели, которые по разным признакам можно отнести к разным поколениям. И, тем не менее, невзирая на эту условность, каждое новое поколение электронных вычислительных машин являлось качественным скачком в прогрессе этой сферы.

Особенности функционирования первых ЭВМ

Под электронной вычислительной машиной понимается набор технических модулей, в котором главные рабочие компоненты собраны на элементах электроники и который предназначен для автоматической работы с данными при решении разных задач по вычислениям и обработке информации.

Готовые работы на аналогичную тему

В первом поколении ЭВМ, которое относится к периоду с 1944-го по 1954 год, в качестве основных компонентов использовались электронные лампы.

Электронной лампой является устройство, которое работает на принципе колебаний интенсивности электронного потока, перемещающегося в вакуумном пространстве стеклянной колбы по направлению от катода к аноду. Образование потока электронов осуществляется посредством термоэлектронной эмиссии, то есть выброса электронов с металлических поверхностей при их нагревании. С нагревом металла растёт энергия электронов и многие из них выходят за потенциальный барьер на границе металлической поверхности. Когда на лампу поступает входной сигнал, к примеру, логическая единица в виде напряжения, величиной два вольта, то выходным сигналом лампы будет или логический ноль в виде напряжения менее вольта, или логическая единица. Логическая единица будет в случае, когда напряжение на управляющем электроде лампы, сетке, равно нулю и ток без всяких препятствий проходит от катода к аноду. Когда же на сетку лампы подаётся напряжение с отрицательным потенциалом, то оно препятствует движению электронов от катода к аноду, и, в итоге, не будет тока, то есть на выходе появится уровень логического нуля. На этом принципе действия построена вся логика ламповых компьютеров.

Использование электронных ламп существенно повысило уровень вычислительных возможностей ЭВМ и ознаменовало переход от использования реле в вычислительной технике к лампам, на которых и строилось первое поколение ЭВМ.

Недостатки ламповой техники

Применение электронных ламп тормозила их не высокая надёжность, значительное потребление энергии и немалые размеры. Конструкция первых ЭВМ обладала просто огромными размерами и могли занимать больше одного помещения в научных учреждениях. Обслуживать такую технику было очень непросто, лампы всё время ломались, вызывая сбои ввода информации, появлялось большое количество разных проблем. Также очень большими и дорогими были блоки питания ламповых ЭВМ, требовалось проложить силовые кабеля, питающие ЭВМ, и выполнять сложную разводку кабелей к каждому элементу. Ещё необходимо было обеспечить хорошее охлаждение ламповых блоков, так как они сильно нагревались и лампы часто не работали из-за перегрева.

Невзирая на эти сложности, электронные вычислительные машины получили широкое развитие, их быстродействие росло и достигало уровня тысяч операций в секунду. Оперативная память вмещала примерно две тысячи машинных команд. ЭВМ первого поколения управляющую программу сохраняла в памяти, при этом применялась обработка машинных слов в параллельном режиме. Проектируемые ЭВМ того времени, как правило, были универсального назначения и применялись для работы в научно-технических целях. Затем выпуск ЭВМ пошёл в серию, и они начали применяться и в сфере бизнеса и коммерции.

Архитектура ЭВМ

Тогда же появилась и развивалось архитектурное построение ЭВМ Фон-Неймана, причем отдельные положения, положенные в основу ЭВМ первого поколения, действуют и сегодня.

Базовые аспекты проектирования ЭВМ, выработанные Фон-Нейманом в 1946-ом году, следующие:

Работа ЭВМ должна быть основана на бинарной системе счисления.
Операции, подлежащие выполнению на ЭВМ, представляются в форме программы, которая состоит из набора последовательных команд. Все команды должны содержать операционные коды, адреса операндов и комплект необходимых признаков.
Набор команд должен сохраняться в памяти машины в двоичном кодировании.
Организация памяти должна основываться на иерархической структуре, поскольку быстродействие модулей памяти меньше, чем у логических элементов.
Все арифметические действия надо выполнять только через операцию сложения, а формирование отдельных модулей не имеет смысла.
Чтобы повысить быстродействие следует применять параллельные вычислительные процессы, то есть действия над словом должны осуществляться одновременно над всеми его разрядами.

Нужно заметить, что машины первого поколения проектировались не на пустом месте. В те времена уже имелся опыт в сфере проектирования электронных устройств, к примеру, в радиолокации и так далее.

Более чем за полвека развития вычислительных средств прогресс в аппаратной реализации ЭВМ и их технических характеристик превзошел все прогнозы, и пока не заметно снижение его темпов. Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений (за исключением систем параллельной обработки информации).

Любая ЭВМ неймановской архитектуры содержит следующие основные устройства:

арифметико-логическое устройство (АЛУ);
устройство управления (УУ)
запоминающее устройство (ЗУ);
устройства ввода-вывода (УВВ);
пульт управления (ПУ).

В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором. Обобщенная логическая структура ЭВМ представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Обобщённая логическая структура ЭВМ

Процессор, илимикропроцессор, является основным устройством ЭВМ. Он предназначен для выполнения вычислении по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессор использует собственную намять небольшого объема, именуемую местной или сверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ.

Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы — последовательности инструкций (команд), записанных в порядке выполнения. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.

Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоминающем устройстве —памяти ЭВМ, куда они вводятся через устройство ввода. Емкость памяти измеряется в величинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя, илиосновная память — это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины.

Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память.Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется.Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимое постоянной заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы, и данные, к примеру, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые к тому же являются переносимыми. Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем ко внутренней.

Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных устройств ЭВМ (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и выполняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а также накопители на магнитных лентах.

ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервирования информации.

Системный интерфейс — это конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для взаимодействия ее устройств и обмена информацией между ними.

В больших, средних и супер-ЭВМ в качестве системного интерфейса используются сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода, именуемые каналами. Такие устройства обеспечивают высокую скорость обмена данными между компонентами ЭВМ.

Отличительной особенностью малых ЭВМ является использование в качестве системного интерфейса системных шин. Различают ЭВМ с многошинной структурой и с общей шиной. В первых для обмена информацией между устройствами используются отдельные группы шин, во втором случае все устройства ЭВМ объединяются с помощью одной группы шин, в которую входят подмножества шин для передачи данных, адреса и управляющих сигналов. При такой организации системы шин обмен информацией между процессором, памятью и периферийными устройствами выполняется по единому правилу, что упрощает взаимодействие устройств машины.

Пульт управления служит для выполнения оператором ЭВМ или системным программистом системных операций в ходе управления вычислительным процессом. Кроме того, при техническом обслуживании ЭВМ за пультом управления работает инженерно-технический персонал. Пульт управления конструктивно часто выполняется вместе с центральным процессором.

Как осуществляется функционирование эвм кратко

Введение

Особенности функционирования первых ЭВМ

Готовые работы на аналогичную тему

Недостатки ламповой техники

Архитектура ЭВМ

Статьи к прочтению:

Принцип работы ПК

Похожие статьи: