Принципы действия ЭВМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Классы ЭВМ

Важнейшим элементом информационного общества являются ЭВМ. Компьютеры являются преобразователями информации, в которых исходные данные задачи преобразуются в результат решения.

При этом информация как об исходных данных, так и о результате решения представляется зафиксированной в некоторых материальных формах, называемыми сообщениями.

Сообщения могут непрерывными (аналоговыми) и дискретными (цифровыми).

Аналоговое сообщение - это некоторая физическая величина (напряжение, ток, волна), изменение которой во времени отображает протекание процесса.

Дискретное сообщение - это последовательность элементов из некоторого фиксированного набора (алфавит), содержащее конечное число элементов.

Элементы алфавита называются буквами или символами. Под буквами понимаются любые знаки - обычные буквы, цифры, знаки препинания, математические и прочие знаки.

В соответствии с используемой формой представления информации ЭВМ делятся на три класса:

1) непрерывного действия - аналоговые.

2) дискретного действия - цифровые.

3) гибридные - аналогово-цифровые

Поколение ЭВМ - это совокупность взаимосвязанных характеристик используемой элементной базой и функционально-логической организацией (архитектура).

Первое поколение образовали ламповые ЭВМ, промышленный выпуск которых начался в начале 50-х годов. В качестве оперативной памяти стали использовать ферритовые сердечники. ЭВМ обладали быстродействием 10000 операций в секунду, огромными размерами ограниченной памятью.

Второе поколение (конец 50-х) включали машины, в которых лампы были заменены на транзисторами. Это существенно увеличило быстродействие до 1 млн. операций в секунду, надежность, уменьшило размеры, массу и потребляемую мощность. Особенность машин - дифференциация по применению. Появились машины для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процессами и объектами. Возникли автоматизированные системы управления АСУ. Развиваются приемы программирования, большое развитие и применение получили алгоритмические языки.

Третье поколение (конец 60-х начало 70-х годов). Оно характеризуется использованием интегральных схем (ИС). ИС представляют собой законченные логически функциональные блоки, соответствующие достаточно сложным транзисторным схемам. ИС позволили улучшить технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ, при этом значительное внимание уделялось уменьшению трудоемкости подготовки программ для решения задач, автоматизированные системы проектирования программ. Расширилась возможность доступа к ЭВМ со стороны абонентов 10-100 км. В режиме разделения времени многим абонентам предоставлялась возможность одновременного доступа к ЭВМ.

Основной объем документации, необходимый для монтажа разрабатывается с помощью ЭВМ с использованием систем автоматического проектирования (САПР).

Машины четвертого поколения (конец 70-х годов). Характеризуются большими ИС (БИС). Это оказывает существенное воздействие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспечение.

Появляются многопроцессорные машины для решения определенных задач, суммарным быстродействием до 200 млн. операций в секунду. Появляются сверх большие интегральные микросхемы (СБИС), на которых реализуются микро-ЭВМ для систем измерения, обработки данных и управления тех. процессами. Вычислительные возможности микро-ЭВМ оказались достаточными для создания на их основе в рамках ЭВМ 4 поколения - персональных ЭВМ (ПЭВМ).

Пятое поколение (наше время). К нему относят машины, обладающие интеллектуальными возможностями - ввод информации с голоса, распознание образов.

2. Принципы действия ЭВМ

вычислительный машина программа алгоритм

Первым главным принципом построения ЭВМ является принцип программного управления процессами вычисления. Соответствующий этому принципу стандартам для построения практически всех ЭВМ стал способ, предложенный фон Неймоном в 1945 году. Этот способ, логично вытекающий из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по заданному правилу входе вычислительного процесса, приводит к классической схеме ЭВМ.

Фоннеймоновскся и гарвардская модели ЭВМ.

Структура ЭВМ предложена фон Неймоном называется Фоннеймоновской (классической). Из-за простоты и большой гибкости она доминирует при построении ЭВМ. В фоннеймоновской машине с общей памятью для данных и команд имеется всего одна шина (магистраль) для передачи из памяти в другие устройства как команд, так и данных.

Возможно построение ЭВМ с отдельными памятями и шинами для хранения и передачи команды данных, что допускает параллельное извлечение во времени из памяти команд и данных и передачу по шине.

Такая модель получила название Гарвардская (1944 год Гарвард, США). Она реализована во многих микропроцессорах.

В чистой архитектуре фон Неймана процессор одномоментно может либо читать инструкцию, либо читать/записывать единицу данных из/в памяти. То и другое не может происходить одновременно, поскольку инструкции и данные используют одну и ту же системную шину. А в компьютере с использованием гарвардской архитектуры процессор может читать инструкции и выполнять доступ к памяти данных в то же самое время, даже без кэш-памяти. Таким образом, компьютер с гарвардской архитектурой может быть быстрее (при определенной сложности схемы), поскольку доставка инструкций и доступ к данным не претендуют на один и тот же канал памяти. Также машина гарвардской архитектуры имеет различные адресные пространства для команд и данных. Так, нулевой адрес инструкций -- это не то же самое, что и нулевой адрес данных. Нулевой адрес инструкций может определяться двадцатичетырехбитным значением, в то время как нулевой адрес данных может выглядеть как восьмибитный байт, который не являются частью этого двадцатичетырехбитного значения.

3. Понятие архитектуры ЭВМ

ЭВМ - это комплекс технических и программных средств, предназначенный для решения задач пользователя.

Существуют различные структуры технических программных и аппаратно-программных средств.

Структура - это совокупность элементов и их связей.

Пользователей ЭВМ интересуют общие вопросы организации вычислений:

- Насколько подходит ЭВМ для заданного круга задач

- Какой сервис программ имеется в ЭВМ

- возможность диалогового режима

- стоимость подготовки к решению задачи

- скорость вычислений

Общие возможности организации вычислений определяются понятием архитектуры ЭВМ.

Определение. Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств из которых строится ЭВМ (иерархия - система подчинения низших уровней высшим)

Архитектура определяет основные свойства и возможности ЭВМ с точки зрения пользователя.

Структура ЭВМ предложена фон Неймоном называется Фоннеймоновской (классической). Из-за простоты и большой гибкости она доминирует при построении ЭВМ. В фоннеймоновской машине с общей памятью для данных и команд имеется всего одна шина (магистраль) для передачи дачи из памяти в другие устройства как команд, так и данных.

Состав и назначение основных устройств.

АЛУ осуществляет арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами - кодами определенной длинны, представляющие собой числа или другой вид информации.

Память машины реализуется с помощью двух существенно отличающихся устройств: быстродействующего ОЗУ выполняющего функции основной (оперативной) внутренней памяти (ОП), и сравнительно медленно действующего, но способное хранить значительно больший объем информации ВЗУ, выполняющее функцию внешней памяти (ВП).

ОЗУ содержит некоторое число ячеек, каждое из которых служит для хранения машинного слова. Ячейки нумеруют. Номер ячейки и ее адрес одно и тоже.

В ОЗУ и ВЗУ выполняются операции считывания хранимой информации для передачи в другие устройства и записи информации поступающие из других устройств.

При считывании слова из некоторой ячейки ОЗУ ее содержание не меняется и при необходимости слово можно снова взять из ячейки.

При записи хранимое слово стирается и ее место занимает новое.

Непосредственно в вычислительном процессе участвуют только ОП и лишь после окончания отдельных этапов вычислений из ВП в ОП передается информация, необходимая для следующего этапа решения задач.

ЦУУ - автоматически управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие те или иные действия.

4. Алгоритм и машинная программа

Решение данной задачи на ЭВМ осуществляется с помощью определенного алгоритма.

Алгоритм решения задачи численным методом - это последовательность арифметических и логических операций, которые нужно провести над исходными данными и промежуточными результатами для получения решения задачи.

Переменные, значение которых участвует в операции преобразовании данных называются операндами.

Программа - это описание алгоритма в форме, понятное ЭВМ.

5. Принцип хранимый в памяти программы

Главным первым принципом положенный в основу действия ЭВМ является принцип программного управления (Чарльз Бебидж). Другим важным принципом построения ЭВМ является принцип, хранимый в памяти программы. Согласно этому принципу программа закодированная в цифровом виде хранится в памяти на равне с числами. В каждой команде программы указываются ни сами числа а адрес ячейки ОП в которой они хранятся, адрес ячейки куда помещается результат операции и код операции.

Так как программа хранится в памяти одни и те же команды могут нужное количество раз извлекаться из памяти и выполняться.

6. Функции программного (математического) обеспечения

Для предания ЭВМ определенных свойств используют взаимосвязанные средства двух видов: аппаратурные и программные.

Рассмотрим основные функции программного (математического) обеспечения.

ЭВМ являются универсальными средствами автоматизации вычислительных процессов и способны решать практически любые задачи, связанные с преобразованием информации.

Каждая ЭВМ для снижения трудоемкости подготовки задач к решению более эффективного использования отдельных технических, программных средств и ЭВМ в целом, имеется спец комплекс программных средств регулярного применения.

Комплекс программных средств регулярного применения, предназначенных для подготовки и решения задач пользователей, называется системой программного (матем) обеспечения или программным обеспечением (ПО ЭВМ).

Важнейшей и центральной частью ПО ЭВМ является операционные системы (ОС).ОС предназначена для эффективного управления вычислительном процессом, планирования работы и распределения ресурсов ЭВМ, автоматизации процессов подготовки программ и организации их выполнения при различных режимах работы машины, облегчение общения оператора с машиной.

7. К числу основных характеристик ЭВМ относятся

- быстродействие

- производительность

- емкость запоминающих устройств

- надежность

- точность

- достоверность

Быстродействие ЭВМ характеризуется либо средним числом команд, либо количеством самых коротких операций типа регистор-регистор, выполняемых за одну секунду.

Производительность - Это объем вычислительной работы (количество задач), выполняемых в единицу времени.

Производительность ЭВМ общего назначения определяется упрощенно по скорости обработки смесей команд.

Емкость запоминающих устройств - это количество структурных единиц информации, которое может содержать память. Наименьшая структурная единица - бит.

Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течении заданного периода времени.

Точность - это возможность различать почти точные значения. Она в основном определяется разрядностью ЭВМ.

Достоверность - это вероятность получения безошибочного результата.

Основные типы современных ЭВМ:

1) сверхпроизводительные ЭВМ (системы), называемые также супер ЭВМ.

2) ЭВМ общего назначения

3) малые ЭВМ

4) микро ЭВМ

К сверхпроизводительным ЭВМ относят ЭВМ (системы) с производительностью в 1000 и более мфлоп/1 (мега флоп в секунду).

Флоп - операция над числами с плавающей точкой. (1025=)

Подобные машины используются для особо сложных научно-технических задач, для обработки большого объема данных в реальном времени, при оптимальном экономическом планировании.

ЭВМ общего назначения в настоящее время выполняют основной объем вычислительной работы и машинной обработки информации в различных вычислительных центрах (вц) и автоматизированных системах управления (асу). Такие ЭВМ имеют высокое быстродействие, большой объем памяти, гибкую систему команд, широкий набор периферийных устройств (пу).

Малые ЭВМ применяются для управления технологическими процессами, станками с числовым программным управлением (чпу), приемом и обработкой данных с линий связи.

Подобные ЭВМ проще, дешевле, надежней ЭВМ общего назначения. Уменьшения объема аппаратуры и стоимости ЭВМ достигается за счет короткого машинного слова (12-16 вместо 32-64 разряда), ограниченного набора команд, сравнительно небольшого объема ОП и ПУ.

Развитие интегральной электроники позволило создавать на одной или нескольких БИС или СБИС функционально законченные устройства обработки информации, управляемые хранимой в памяти программы. Это устройство называется микропроцессором (МП), так как оно по своим функциям и структуре соответствует процессорам обычных ЭВМ.

Микро ЭВМ - называется устройство обработки данных, имеющее в своем составе один или несколько МП, БИС постоянной или оперативной памяти, БИС управления. Ввода-вывода информации. По скорости выполнения операций микро ЭВМ приближаются к ЭВМ общего назначения, по ряду характеристик - размеру мощности и надежности они их превосходят.

Архитектура ЭВМ является магистральным модулем.

Магистрально-модульная структура является более простой, чем у ЭВМ общего назначения. Основу составляется системная магистраль (общая шина), к которой подключаются все устройства ЭВМ. Выполняемых в виде законченных модулей.

Специализированными называются ЭВМ в том случаем, если конструкция, архитектура и характеристики ЭВМ ориентированы на определенные сравнительно узкие области применения.

8. Малые ЭВМ применяются для управления технологическими процессами, станками с числовым программным управлением (ЧПУ), приемом и обработкой данных с линий связи

Подобные ЭВМ проще, дешевле, надежней ЭВМ общего назначения. Уменьшения объема аппаратуры и стоимости ЭВМ достигается за счет короткого машинного слова (12-16 вместо 32-64 разряда), ограниченного набора команд, сравнительно небольшого объема ОП и ПУ.

Развитие интегральной электроники позволило создавать на одной или нескольких БИС или СБИС функционально законченные устройства обработки информации, управляемые хранимой в памяти программы.

Это устройство называется микропроцессором (МП), так как оно по своим функциям и структуре соответствует процессорам обычных ЭВМ.

Микро ЭВМ - называется устройство обработки данных, имеющее в своем составе один или несколько МП, БИС постоянной или оперативной памяти, БИС управления. Ввода-вывода информации.

По скорости выполнения операций микро ЭВМ приближаются к ЭВМ общего назначения, по ряду характеристик - размеру мощности и надежности они их превосходят.

Архитектура ЭВМ является магистральным модулем.

Эту структуры мы рассмотрим далее (знать обязательно!!!)

Магистрально-модульная структура является более простой, чем у ЭВМ общего назначения. Основу составляется системная магистраль (общая шина), к которой подключаются все устройства ЭВМ. Выполняемых в виде законченных модулей.

Специализированными называются ЭВМ в том случаем, если конструкция, архитектура и характеристики ЭВМ ориентированы на определенные сравнительно узкие области применения.

Простейшей разновидностью ПК является сетевой компьютер ск. (Сетевомй компьюмтер Термин появился в конце 90-х и обозначал, по сути, дешёвый терминал, подключенный к серверу. Сетевой компьютер не в состоянии локально хранить ни прикладные программы, ни файлы с данными. Сетевой компьютер, в отличие от персонального компьютера, не может работать сам по себе: для работы ему нужна сеть и серверы в сети. Сетевые компьютеры предназначены для работы в Internet и intranet, при этом они используют минимум аппаратного и программного обеспечения. Основная польза заключается в снижении совокупной стоимости). Ск примерно на порядок сокращают расходы по техническому и программному оснащению и обслуживанию.

9. Современное МПС

Современное МПС (называется определенная система используемых кодов, команд, алгоритмов и методов выполнения машинных операций, а также способов взаимодействия аппаратурных и программных средств) включает в себя совокупность устройств выполненных с использованием ИС, каждая и которых выполняет определенное функциональное назначение. Входящий в состав МПС набор ИС называется микропроцессорным комплектом (МПК). В МПК входят:

- Системный таймер Т - устройство измерения времени.

- Микропроцессор (МП);

- Контроллер прерываний (КП);

- Контроллер прямого доступа к памяти (КПДП);

- Контроллеры устройств ввода/вывода (КУВ/В);

Все устройства МПС делятся на центральные (ЦУ) и периферийные (ПУ) устройства. ЦУ полностью электронные. ПУ могут быть электронными или электромеханическими с электронным управлением.

10. ЦП МПС

ЦП МПС строится на основе МП-устройства предназначенного для арифметических и логических преобразований данных, управления вычислительным процессом, а также для обращением к ОП и ПУ. Существующие на сегодня МП имеет большое число разновидностей, отличающихся назначением, функциональными возможностями, структурой исполнения.

Часто употребляем классификационным различием МП является количество разрядов, обрабатываемой информационной единицы.(8,16,32,64 бит). В микропроцессоре pentium фирмы intel имеется 64 информационных разряда. Соответствующая ШД имеет 64 линии (разряда). Ша 32 разряда. Что позволяет организовать оп объемом 4 гигабайта. Различные модели МП типа пентиум имели частоты от 100 Мгц до 2-3 Ггц. Современные модификации МП типа пентиум имеют встроенные сопроцессоры. Сопроцессор - это устройство, реализующее арифметические операции с плавающей точкой.

Первые поколения МП содержали около 40 тысяч транзисторов. Современные МП типа пентиум имеют 7 и более миллионов транзисторов.

Упрощенная структурная схема базовой модели МП фирмы Intel.

Мп можно функционально разделить на 2 части:

1. Исполнительный блок

2. Блок сопряжения с системной магистралью.

Иб содержит АЛУ, регистры общего назначения (рон) и адресные регистры.

Блок сопряжения с см содержит интерфейс памяти, соединяющую внутреннюю магистраль МП с см, управляющие регистры, счетчик команд (конвеер команд), АЛУ команд, устройство управления УУ исполнительным блоком МП.

Блок регистров общего назначения рон используется по разному в соответствии с поступающей командой.

Адресные регистры служат для хранения числовых значений сформированных адресов операндов.

Рон и адресные регистры образуют местную память небольшой емкости, но более высокого чем оп быстродействия.

Управляющие регистры входящие в блок сопряжения с см, служат для временного хранения управляющей информации и для определения физических адресов оп- операндов и команд.

Один из управляющих регистров является указателем адреса очередной команды, который будет заносится в счетчик команд.

11. Иерархические уровни памяти ЭВМ

Памятью ЭВМ называется совокупность устройств для запоминания/хранения и выдачи информации. Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются ЗУ. ЗУ отличаются принципом действия, емкостью, быстродействием и назначением. Требования к объему хранимой информации и быстродействием являются противоречивыми. Поэтому память ЭВМ строится в соответствии с 3-уровневой иерархией:

Первый уровень содержит ЗУ, большого практически не ограниченного объема, но обладающего наименьшим быстродействием. Второй уровень содержит память ограниченного объема и высокого быстродействия - оперативную или основную память или ОП. Третий уровень содержит быстродействующею память наименьшего объема - сверхоперативную память СОП, выполняющую функции буферной/кэш-памяти.

ЗУ, реализующее СОП и ОП, образуют в ЭВМ внутреннюю память, а ЗУ реализующею память большого объема - внешнюю память.

Основные характеристики ЗУ

ЗУ, образующею память ЭВМ, отличаются назначением.

ЗУ входит в состав ЦП, каналов ввода/вывода (КВ/В), периферийных устройств и так далее, поэтому они обладают различными структурами.

Память состоит из ячеек. Разрядность ячеек, в соответствии с назначением ЗУ, может быть различной, например байт, машинное слово или блок данных.

Важнейшими характеристиками отдельных ЗУ является: емкость, удельная емкость и быстродействие.

Емкость ЗУ - это количество данных, которые могут в нем храниться. Емкость измеряют либо в Кбт, либо Кб, Мб, Гб и так далее.

Удельная емкость есть отношение емкости ЗУ к его физическому объему.

12. Внутренняя память ЭВМ

Множество одинаковых элементов памяти образуют (ЭП) запоминающий массив (ЗМ). Массив разделен на отдельные ячейки, каждая из которых предназначена для хранение двоичного кода. Число разрядов ячейки может соответствовать половине, одному (32 бит) или нескольким машинным словами. Существуют ряд методов размещения и поиска информации в ЗМ и соответствующие им способы организации памяти. Различают адресную и безадресную - ассоциативную, стэковую и магазинную организации памяти.

Адресная память содержит ЗМ из N ячеек N-разрядных и аппаратурное обрамление, включающее в себя k-разрядный регистр адреса, информационный регистр РГИ, блок адресной выборки БАВ (дешифратор) и блок управления памятью БУП.

Цикл обращения (запись или считывание) инициируется сигналом обращения. Далее схема работает в соответствии с сигналами (кодами) запись или считывание. Если считывание разрушающее, то информация с РГИ перезаписывается в память (регенирация).

Максимальная емкость памяти (число ячеек N) определяется как 2 в степени k, где k- количество линий в шине адреса ша системной магистрали см. Начиная с процессора i80386 шина адреса содержит 32 линии(k=32). При этом максимальный объем оп может быть 2 в 32(4 гбайта).

Безадресные организации памяти.

Асоциативная память. Обращение к ней осуществляется по так называемой маске, которая содержит поисковый образ - асоциативный признак. Информация считывается из памяти, если часть ее соответствует поисковому образу, зафиксированному в маске. Запись информации в асоциативном ЗУ производится в свободную ячейку с наименьшим номером.

В микропроцессорах асоциативные ЗУ используются в составе определенной разновидности СОП, так называемой кэш памяти. Она служит для хранения части команд и операндов, используемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОП за следующей командой или операндом: достаточно поместить в маску необходимый адрес и если искомая информация имеется в СОП, то она будет сразу выдана. Обращение к оп будет необходима лишь при отсутствие требуемой информации в СОП. Это существенно экономит время, так как обращение к СОП происходит до 10 раз быстрее.

Стековая память. Она обеспечивает возможность последовательного переноса информации между ячейками.

Заполнение стековой памяти (стека) осуществляется начиная с ячейки ноль. Следующая запись в стек происходит в ячейку 1, а в ячейке 0 сохраняется прежняя информация.

Считывание всегда производится из ячейки 0, после чего информация в стеке сдвигается на одну ячейку вниз и т.д.

В стековой памяти реализуется дисциплина обслуживания "первым пришел, первым обслуживается".

В состав стековой памяти входит счетчик стека, показывающий количество занесенных в память слов.

Магазинная память. Она аналогична стековой памяти и функционирует с той лишь разницей, что реализует дисциплину обслуживания "последним пришел, первым обслуживается".

Запись информации всегда осуществляется в ячейку ноль, причем предыдущая запись информации сдвигается на одну ячейку вниз.

Считывание осуществляется из ячейки ноль. После чего всего вся информация сдвигается на одну ячейку вверх.

Обычно стековую и магазинную памяти организуют используя адресную память или Стековую (магазинную память) эмулируется в основной памяти ЭВМ.

13. Безадресные организации памяти

Ассоциотивная память. Обращение к ней осуществляется по так называемой маске, которая содержит поисковый образ - ассоциотивный признак.

Информация считывается из памяти, если часть ее соответствует поисковому образу, зафиксированному в маске.

Запись информации в ассоциотивном ЗУ производится в свободную ячейку с наименьшим номером.

В микропроцессорах с ассоциотивным ЗУ используются в составе определенной разновидности СОП - так называемой КЭШ памяти (тайник). Она служит для хранения части команд и операндов используемой программы.

При этом нет необходимости обращаться к ОП за следующей командой или операндом. Достаточно поместить в маску необходимый адрес и если искомая информация имеется в КЭШЕ, то она будет сращу выдана.

Обращение к ОП будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в СОП. Это существенно экономит время, так как обращение к СОП происходит до 10 раз быстрее.

Стековая память. Она обеспечивает возможность последовательного переноса информации между ячейками.

Заполнение стековой памяти (стека) начинается с ячейки 0. Следующая запись в стек производится в ячейку 1, а в ячейке 0 сохраняется прежняя информация.

Считывание всегда производится всегда производится из ячейки 0, после чего информация в стеке сдвигается на одну ячейку вниз и так далее. В стековой памяти реализуется дисциплина обслуживания "первым пришел - первым обслуживается".

В состав стековой памяти входит счетчик стека, показывающий количество занесенных в память слов.

Магазинная память. Она аналогична стековой памяти и функционирует с той лишь разницей, что реализует дисциплину обслуживания "последним пришел - первым обслуживается".

Запись информации всегда осуществляется в ячейку 0, при чем предыдущая информация сдвигается на одну ячейку вниз. Считывание осуществляется всегда из ячейки 0, после чего вся информация сдвигается на одну ячейку вверх.

Обычно стековую и магазинную памяти организуют используя адресную память или как говорят стековая и магазинная память эмулируется в основной памяти ЭВМ.

14. Постоянные и программируемые постоянные ЗУ

Различают ЗУ 2-х видов: с произвольным обращением и односторонним обращением. ЗУ с произвольным обращением возможно считывание и запись данных в памяти. В односторонних ЗУ возможно только считывание. Подобными ЗУ называются постоянными ЗУ (ПЗУ). Запись информации в ПЗУ осуществляется при их изготовлении или настройке. По способу организации доступа различают ЗУ с непосредственным (произвольным), с прямым (циклическим) и с последовательным доступами. В ЗУ с произвольным доступом время доступа не зависит от места расположения элементов памяти, участвующих в процессе считывания/записи информации. Это самые быстродействующие ЗУ, реализуемые с помощью электронных устройств. Время доступа в них 1мкс - 1нс.

В ЗУ с прямым (циклическим) доступом (магнитные барабаны/диски), силу вращения носителей информации, возможность обращения к некоторому участку носителя циклически повторяется. Время обращения при этом - 100 - 10 мс. В ЗУ с последовательным доступом, то есть на магнитных лентах осуществляется последовательный просмотр участков носителей информации, пока не будет найден требуемый. В неблагоприятных случаях время доступа может достигать нескольких минут. ОП и СОП реализуются на основе быстродействующих ЗУ с произвольным обращением и произвольным (непосредственным) доступом. Внутренняя память ЭВМ, содержащая ОП и СОП реализуется на базе электронных схем, а внешняя память - обычно на базе электромеханических устройств (диски, ленты).ЗУ любого типа содержит массив элементов памяти и блоки поиска в массиве, а также устройства записи/считывания информации.

15. Функциональной организацией МПС

Функциональной организацией МПС (ЭВМ) называется определенная система используемых кодов, команд, алгоритмов и методов выполнения машинных операций, а также способов взаимодействия аппаратурных и программных средств. Она может быть осуществлена по-разному, аппаратурными, программно-аппаратурными и программными средствами.

Структурной организацией (структурой) называется определенная совокупность связанных аппаратурных и программных средств, реализующих функции ЭВМ.

Компонентами структуры является элементная база, функциональные узлы и устройства, программные модули определенного типа. Различные ЭВМ (МПС) являются программно и информационно совместимые, если они допускают работу с одними и теми же программами и обеспечивают одни и те же результаты при обработке одинаковой и однотипно представленной информации.

ЭВМ (МПС) называются технически совместимыми, если допустимое электрическое соединение для совместной работы и предусмотрен обмен последовательностями сигналов.

Совместимые ЭВМ МПС должны иметь одинаковую функциональную организацию и должны управляться одинаковыми или функционально совместимыми ОС.

При не полной функциональной совместимости применяют эмуляторы - программные преобразователи функциональных элементов.

16. Адресная организация памяти с произвольным обращением и доступом

В адресной памяти запись и считывание осуществляется по адресу ячейки в памяти ЗМ, которым служит номер ячейки.

Как при записи, так и при считывании информации инициируется команда указывающая адрес ячейки.

Типичная структура адресной памяти показана на рисунке:

Адресная память содержит ЗМ из N из N-разрядных ячеек и аппаратурное абрамление, включающие в себя К-разрядный регистр РгА адреса, информационный регистр РгИ, блок адресной выборки БАВ (дешифратор) и блок управления памятью БУП.

Цикл обращения (запись, считывание) инициируется сигналом обращения.

Далее схема работает в соответствии с сигналами (кодами) "запись" или "считывание". Если считывание разрушающее, то информация с РгИ переписывается в память (в запоминающий массив) - регенерация.

Максимальная емкость памяти (число ячеек) N, определяется как 2^к, где к-количество линий в шине адреса ША системной магистрали СМ.

Начиная с микропроцессора I384 шина содержит 32 линии (к=32), при этом максимальный объем ОП может быть 2^32 = 4 Гб памяти ОП.

17. МПС с магистральной архитектурой

Современное МПС включает в себя совокупность устройств выполненных с использованием ИС, каждая и которых выполняет определенное функциональное назначение. Входящий в состав МПС набор ИС называется микропроцессорным комплектом (МПК). В МПК входят:

- Системный таймер Т - устройство измерения времени.

- Микропроцессор (МП);

- Контроллер прерываний (КП);

- Контроллер прямого доступа к памяти (КПДП);

- Контроллеры устройств ввода/вывода (КУВ/В);

Все устройства МПС делятся на центральные (ЦУ) и периферийные (ПУ) устройства. ЦУ полностью электронные. ПУ могут быть электронными или электромеханическими с электронным управлением.

В состав ЦУ входят:

- Центральный процессор (ЦП);

- Основная (оперативная) память (ОП), а также выполняющий служебные функции узлы:

= Таймер Т

= КП

= КПДП

Периферийные устройства ПУ делятся на 2 вида:

- Внешние ЗУ - накопитель на жестких магнитных дисках (НМД), накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД), накопитель на магнитных лентах (НМЛ), накопитель на оптических дисках (НОД), твердотельные накопители типа flash-памяти.

- Устройство ввода/вывода (клавиатура, мышь, принтер, контроллеры каналов связи).

В ЦУ средством связи между отдельными ИС МПК является системная магистраль (СМ). Она содержит 3 шины (группы линий):

- Шина данных (ШД);

- Шина адреса (ША);

- Шина управления (ШУ);

В состав СМ входит шинный формирователь, регистры памяти, шинные арбитры, определяющие порядок (очередность) доступа к СМ.

Структура ЭВМ с магистральной архитектурой

Интерфейс системной шины (СМ) - количество линий (разрядов) в ША, ШД, ШУ, логика работы, порядок разрешения конфликтов в случае одновременного обращения различных устройств ЭВМ к СМ - весь этот комплекс называется внутри машинным системным интерфейсом или интерфейсом системной шины ил интерфейсом типа общая шина.

Магистрально-модульная структура является более простой, чем у ЭВМ общего назначения. Основу составляется системная магистраль (общая шина), к которой подключаются все устройства ЭВМ. Выполняемых в виде законченных модулей.

Развитие интегральной электроники позволило создавать на одной или нескольких БИС или СБИС функционально законченные устройства обработки информации, управляемые хранимой в памяти программы.

Это устройство называется микропроцессором (МП), так как оно по своим функциям и структуре соответствует процессорам обычных ЭВМ.

18. Все устройства МПС делятся на центральные (ЦУ) и периферийные (ПУ) устройства

ЦУ полностью электронные. ПУ могут быть электронными или электромеханическими с электронным управлением.

В состав ЦУ входят:

- Центральный процессор (ЦП);

- Основная (оперативная) память (ОП), а также выполняющий служебные функции узлы:= Таймер Т;= КП;= КПДП.

Периферийные устройства ПУ делятся на 2 вида:

- Внешние ЗУ - накопитель на жестких магнитных дисках (НМД), накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД), накопитель на магнитных лентах (НМЛ), накопитель на оптических дисках (НОД), твердотельные накопители типа flash-памяти.

- Устройство ввода/вывода (клавиатура, мышь, принтер, контроллеры каналов связи).

В ЦУ средством связи между отдельными ИС МПК является системная магистраль (СМ). Она содержит 3 шины (группы линий):

- Шина данных (ШД)- шина, предназначенная для передачи информации;

- Шина адреса (ША);- служит для выбора устройства, с которым осуществляется взаимодействие

- Шина управления (ШУ); - компьютерная шина, по которой передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали

В состав СМ входит шинный формирователь, регистры памяти, шинные арбитры, определяющие порядок (очередность) доступа к СМ.

19. Назначение и состав системной магистрали. Интерфейс СМ

В ЦУ средством связи между отдельными ИС МПК является системная магистраль (СМ). Она содержит 3 шины (группы линий): - Шина данных (ШД)- шина, предназначенная для передачи информации;

- Шина адреса (ША);- служит для выбора устройства, с которым осуществляется взаимодействие

- Шина управления (ШУ); - компьютерная шина, по которой передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали

В состав СМ входит шинный формирователь, регистры памяти, шинные арбитры, определяющие порядок (очередность) доступа к СМ.

Интерфейс системной шины (СМ) - количество линий (разрядов) в ША, ШД, ШУ, логика работы, порядок разрешения конфликтов в случае одновременного обращения различных устройств ЭВМ к СМ - весь этот комплекс называется внутри машинным системным интерфейсом или интерфейсом системной шины ил интерфейсом типа общая шина.

20. Функционирование ЦП при выполнении команды (базовый рабочий цикл ЦП)

Работой МП управляет программа записанная в ОП. Работа программы всегда начинается с выполнения команды имеющей адрес 0.

Физический адрес очередной команды хранится в счетчике (конвеере команд). Этот адрес через внутреннюю магистраль МП (микропроцессор) и интерфейс памяти поступает на шину адреса центральной магистрали. Одновременно из УУ (управляющее устройство) выдается на ШУ (шина управления) команда для ОП(оперативная память) предписывающая выбрать эту команду согласно указанному адресу. Выбранная команда поступает из ОП через ШД СМ интерфейс памяти и внутреннюю магистраль МП на регистр команд. Команда содержит код операций и адресную часть (операционное поле и адресное поле). Одновременно вырабатывается адрес очередной команды, следующий за исполняемой, который записывается в счетчик (конвеера команд).

В регистре команд из исполняемой команды выделяется код операции который передается в УУ. УУ вырабатывает сигнал, настраивающий АЛУ МП для выполнения требуемой операции. Необходимые числовые данные (операнды) выбираются из ОП согласно имеющейся в команде адресной части.

21. Интерфейс ввода-вывода ЭВМ МПС

Интерфейсом ввода-вывода называется логическая последовательность действий ЦП совместно с реализующими ее другими устройствами.

В одной и той же ЭВМ для взаимодействия с другими устройствами может быть несколько интерфейсов ввода-вывода.

Если их удается свести к одному универсальному, то такой интерфейс называется стандартным.

В IBM PC есть 2 стандартных интерфейса для связи ЦП с ПУ:

- параллельный (cintronics)

- последовательный (RS-232, USB)

Интерфейсы постоянно совершенствуются и с появлением новых МПС и ПУ появляются новые интерфейсы.

В настоящее время при проектировании вычислительной техники преобладает концепция агрегатирования ЭВМ (системы) с переменным (требующимся пользователю) составом оборудования.

При этом отдельные устройства строятся в виде агрегатов (модулей), которые в нужных номенклатуре и количестве объединяются в эвм систему.

К числу важнейших блоков агрегатированных систем и машин относятся унифицированные устройства сопряжения или интерфейс, обеспечивающие обмен информацией между агрегатами и допускающие подключение необходимого состава ПУ.

22. Однопрограммный и многопрограммный режим работы ЭВМ

Режим работы называется однопрограммным, если все устройства находятся в состоянии ожидания, кроме одного устройства, выполняющего одну и единственную программу.

Для ликвидации простой и повышения быстродействия работы ЭВМ ПУ делаются автономными (то есть снабженными специальными МП и памятями).

Получив у ЦП необходимую информацию они самостоятельно организуют свою работу по обмену данных.

ЦП запусти ПУ, пытается продолжить выполнение основной программы. При встрече соответствующих команд ЦП может запустить несколько ПУ, так как ПУ работает значительно ЦП.

Если ЦП приходится переходить в режим ожидания, то в силу того что в ОП может находиться несколько программ, то ЦП переходит к выполнению очередной программы. При этом возникает ситуация, когда одновременно различные устройства ЭВМ выполняют либо различные программы либо различные части одной программы. Такой режим ЭВМ МПС называется многопрограммным.

23. Система прерываний ЭВМ

При работе ЦП переключает свое 'внимание' с устройства на устройство и с функции на функцию согласно выполняемой ЦП программе. Сигналы, которые выполняемая в ЦП программы способна воспринять и учесть (обработать), составляют поле зрения ЦП или, другими словами, входит в зону его внимания.

Для того, чтобы ЦП мог реагировать на сигналы вне зоны внимания, поступающий на ЦП неожиданно, существует система прерывания ЭВМ.

Режим прерывания позволяет также реализовать определенную работу, которую без него просто невозможно выполнить. Например, при появлении неисправностей, внештатных ситуаций режим прерываний позволяет организовать работу по диагностике тех состояния ЭВМ и во многих случаях автоматического восстановления исправного состояния.

Прерывание выполнения основной работы всегда выполняется таким образом, чтобы сохранить полученные к этому времени правильные результаты.

В зависимости от места нахождения источника прерываний они могут быть разделены на внутренние, программные, аппаратурные и внешние (от клавиатуры, модема, сети).

Принцип действия прерывания состоит в сохранении после прерываний вектора состояния или слова состояния.

Вектор состояния или слово состояния процессора - это совокупность значений наиболее существенных информационных элементов, характеризующих состояние процессора без которых невозможно продолжить его работу.

Вектор состояния в каждый момент времени должен содержать информацию, достаточную для продолжения выполнения программы или повторного его пуска с точки соответствующей моменту формирования данного вектора.

Вектор состояния формируется в соответствующем регистре или группе регистров процессора.

Таким образом, при возникновении события, требующего немедленной реакции ЦП прекращает работу текущей программы и переходит к выполнению другой программы, специально предназначенной для данного события (обработчик прерывания). При завершении этой программы ЦП возвращается к выполнению отложенной программы. Такой режим работы называется прерыванием.

24. Типы внешней памяти ЭВМ (МПС). Назначение и сравнительные характеристики

Основное назначение внешней памяти компьютера - долговременное хранение большого количества различных файлов (программ, данных и т.д.). Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем, а хранится информация на носителях. Наиболее распространенными являются накопители следующих типов:

1. Накопители на магнитных дисках (ННМД)

2. Накопители на магнитных лентах (стриммеры)

3. Оптические ЗУ

4. Твердотельные накопители (ФЛЭШ память)

НГМН НМД и оптические ЗУ являются устройствами с циклическим доступом.

Накопители на магнитных лентах (НМЛ или стриммеры) представляют собой устройства с последовательным доступом.

НГМД. Используется одна или две поверхности дискеты (в зависимости от числа головок). Головки перемещаются вдоль поверхности дискеты с помощью шагового двигателя (40-80) шагов в зависимости от типа.

Поэтому дискеты могут иметь 40 или 80 дорожек на одной стороне, стандартная емкость дискеты 1,44 Мб.

НМД. Магнитный носитель информации наносится на несколько пластин закрепленной на общей оси. Каждая рабочая поверхность обслуживается своей головкой.

В НГМД головка соприкасается с поверхностью дискеты.

В НМД головки находятся на небольшом расстоянии от поверхности порядка 0,1 мкм. Это позволяет увеличить скорость вращения диска и повысить быстродействие ВЗУ.

Емкость современной НМД больше 100 Гб. Стриммер от 2ГБ и более.

Оптические ЗУ. К ним относятся cd-rom,rw, dvd-rom, rw.

Оптические ЗУ, в них накопителем является поликарбонатный диск толщиной 1,2 мм и диаметром 8-12 см, на который наносится тонкий алиминиевый слой, покрытый защитной пленкой из лака. При нанесении информации в алиминиевом слое с помощью лазера делается углубление(1), если нет углубления(0). Ширина дорожки 0,4 мкм. Расстояние между дорожками 1,6 мкм. На 1 мм радиуса располагается 600 дорожок(в дискете около 3).

25. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ)

В качестве ВЗУ используется:

- накопители на магнитных дисках (ННМД)

- накопители на магнитных лентах (стриммер)

- оптические ЗУ

- твердотельный накопитель (флеш память)

Накопители на магнитных дисках делятся на два типа:

- НГМД - на гибком магнитном диске

- НМД - на жестких магнитных дисках

ВЗУ связываются с ЦП через системную магистраль с помощью контроллера, который служит для управления ВЗУ и связью с ОП.

НГМН НМД и оптические ЗУ являются устройствами с циклическим доступом.

Накопители на магнитных лентах (НМЛ или стриммеры) представляют собой устройства с последовательным доступом.

НГМД.

Используется одна или две поверхности дискеты (в зависимости от числа головок). Головки перемещаются вдоль поверхности дискеты с помощью шагового двигателя (40-80) шагов в зависимости от типа.

Поэтому дискеты могут иметь 40 или 80 дорожек на одной стороне, стандартная емкость дискеты 1,44 Мб.

НМД.

Магнитный носитель информации наносится на несколько пластин закрепленной на общей оси. Каждая рабочая поверхность обслуживается своей головкой.

В НГМД головка соприкасается с поверхностью дискеты.

В НМД головки находятся на небольшом расстоянии от поверхности порядка 0,1 мкм. Это позволяет увеличить скорость вращения диска и повысить быстродействие ВЗУ.

Емкость современной НМД больше 100 Гб. Стриммер от 2ГБ и более.

Размещено на Allbest.ru