3. Принципы действия эвм

Рассмотрим вначале вычисления с помощью калькулятора. Предварительно на листе бумаги выписываются формулы и исходные данные, а часто и таблицы для занесения промежуточных и конечных результатов. В процессе вычисления числа с листа заносятся в регистр микрокалькулятора, а затем включается нужная по формуле операция. Полученные результаты переписываются с регистра (индикатора микрокалькулятора) на лист бумаги (в таблицу).

Таким образом, калькулятор выполняет арифметические операции над числами, которые в него вводит человек. Лист бумаги выполняет в данном случае роль запоминающего устройства, хранящего программу (расчетную формулу), исходные, промежуточные и конечные результаты. Человек управляет процессом вычисления, включая перенос чисел с листа в калькулятор и обратно, а также выбирает нужный вариант продолжения процесса вычисления в соответствии с полученным результатом. Мы видим, что процесс вычисления можно реализовать, имея в своем распоряжении запоминающее устройство, устройства передачи и обработки информации. В первом приближении именно такую структуру и имеет любая вычислительная машина. Рассмотрим эту достаточно

простую и традиционную схему:

Рис.1

- процессор (ЦП), т.е. устройство, которое перерабатывает информацию, оперативная память (Оперативное Запоминающее Устройство, ОЗУ), и устройства управления внешними устройствами (УУВУ), соединенные линиями передачи данных в единое целое. Если добавить к такому комплексу аппаратуры устройства связи с внешним миром, т.е. устройства ввода исходных данных и программы и вывода результата, то придем к классической пятиблочной структуре Неймана, несколько модифицированный вид, которой показан на рисунке 2 (первоначально устройство ввода и вывода изображалось одним блоком, а память не разделялась на основную и внешнюю).

Рис.2

Устройство управления (УУ) - автоматически, без участия человека, управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие те или иные действия, в частности, заставляет ОП пересылать необходимые данные, включать АЛУ на выполнение необходимой операции, перемещает полученные результаты в ячейки ОП.

АЛУ - производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т.е. кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.

Память - хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса. В машинах ЭВМ первых поколений память состояла из двух существенно отличных по своим характеристикам частей - быстродействующей основной или оперативной (внутренней) памяти (ОП) и значительно более медленной внешней памяти (ВП), способной хранить очень большие объемы информации. (Структура памяти современных ЭВМ имеет еще более сложную структуру, поскольку внутренняя память ЭВМ разделилась на ряд иерархических уровней памяти, обладающих различным объемом и быстродействием – ОП, КЭШ-память, сверхоперативная память, память каналов и т.д. Внутренняя память (ОП) состоит из ячеек, каждая из которых служит для хранения одного машинного слова. Номер ячейки называется адресом. В запоминающем устройстве (ЗУ) ЭВМ, реализующем функцию памяти, выполняются операции считывания и записи информации. Причем при считывании информация не разрушается и может считываться любое число раз. При записи прежнее содержимое ячейки стирается. Основное свойство оперативной памяти: именно в оперативной памяти лежит исполняемая в данный момент программа, и процессор все последующие команды исполняемой программы берет из оперативной памяти. Если не хватает данных, производится запрос к внешнему устройству, информация подкачивается в оперативную память, и опять-таки из оперативной памяти команды поступают в процессор на обработку. Непосредственно в вычислительном процессе участвует только ОП. Обмен информацией между ОП и ВП происходит только после окончания отдельных этапов вычислений.

Пульт управления - позволяет оператору вмешиваться в процесс решения задачи, т.е. давать директивы устройству управления.

Устройство ввода - позволяет ввести программу решения задачи и исходные данные в ЭВМ и поместить их в ОП. В зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения задачи вводятся непосредственно с клавиатуры (дисплей, пишущая машина), либо должны быть предварительно помещены на какой-либо носитель - перфокарты, перфоленты, магнитные карты, магнитные ленты, магнитные и оптические диски и т.д. В системах САПР осуществляется ввод графической информации.

Устройство вывода - служит для вывода из ЭВМ результатов обработки исходной информации. Чаще всего это символьная информация, которая выводится с помощью различного типа печатающих устройств или на экран дисплея. В ряде случаев это графическая информация в виде чертежей и рисунков, которые могут быть выведены с помощью графических дисплеев, графопостроителей, принтеров, плоттеров и т.д.

Описанные  основные архитектурно-функциональные принципы построения цифровых вычислительных систем были разработаны и в 1946 г. опубликованы фон Нейманом (с Г.Голдстайном и А. Берксом) в отчете "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства" в виде следующих предложений:

1. Программное управление работой ЦВМ. Программа состоит из описания единичных шагов - команд; команда осуществляет единичный акт преобразования информации.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Принцип условного перехода. Это возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от промежуточных, получаемых в ходе вычислений результатов, что позволяет легко осуществлять в программе циклы с автоматическим выходом из них. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды "стоп".

2. Принцип хранимой программы, заключающийся в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и исходные данные. Над программой можно производить арифметические действия, изменяя ее динамически.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип использования двоичной системы счисления для представления информации в ЭВМ.

4. Принцип иерархичности Запоминающих Устройств (ЗУ). Регистры ->ОЗУ -> МБ (магнитные барабаны) -> МЛ(магнитные ленты).

5. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

    Эти принципы стали классическими и получили название фон-Неймановских. Большинство современных компьютеров построено в согласии с этими принципами.

Теперь очень коротко вспомним, что такое программа и алгоритм. Понятие алгоритма (слово алгоритм произошло от имени Мухаммед аль Хорезми, написавшем в IX веке трактат по арифметике десятичных чисел), не замыкается только областью вычислительной техники. По интуитивному определению: Алгоритм - это совокупность правил, строго следуя которым можно перейти от исходных данных к конечному результату. В ВТ под "совокупностью правил" понимается последовательность арифметических и логических операций. Программа - это запись алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Любая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими операндами это действие производится. Программа представляет собой совокупность команд, записанных в определенной последовательности, обеспечивающих решение задачи на ЭВМ.

Чтобы УУ могло воспринять команды, они должны быть закодированы в цифровой форме. Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа программного управления, являющегося основной особенностью ЭВМ. (Без программного управления ЭВМ превратится в обычный быстродействующий арифмометр или микрокалькулятор).

Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу программа, закодированная в цифровом виде, хранится в памяти наравне с числами. Поскольку программа хранится в памяти, одни и те же команды можно извлекать и выполнять необходимое количество раз. Более того, над кодами команд (как над числами) можно выполнять некоторые арифметические операции и тем самым модифицировать команды программы.

Команды программы выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти. Однако команды безусловного и условного переходов могут изменять этот порядок соответственно, безусловно, или при выполнении некоторого условия, задаваемого отношениями типа больше, меньше или равно. В большинстве случаев условие перехода формируется в результате выполнения предыдущей операции. Именно команды условного перехода позволяют строить не только линейные, но также ветвящиеся и циклические программы.

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

• память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

• процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

• устройство ввода;

• устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме). Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.

.

Общая схема компьютера

Функции памяти:

• приём информации из других устройств;

• запоминание информации;

• выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

• программное управление работой устройств компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.

Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

• сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

• счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

• регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов

Давайте поближе познакомимся с компьютером, он не так сложен, как кажется на первый взгляд. Большие ЭВМ, которые существуют и сейчас, называемые main frame, выглядят как большие шкафы, или стойки, расположенные в больших просторных залах. Как эти стойки соединены между собой сразу и не увидишь, кабели лежат под полом в так называемых кабельных каналах. Микрокомпьютеры, например, такие как в электронных часах или в микроволновой печи, вообще трудно разглядеть. И дело не в том, что они находятся внутри других устройств. Просто обычно они выполнены на одном кристалле кремния, залиты пластмассой и называются микросхемой. Персональный компьютер выглядит как несколько стоящих на столе и соединенных между собой устройств. Вы хорошо знаете их названия: системный блок, монитор, клавиатура, принтер. Это, разумеется, не полный список. Есть еще сканеры, модемы, мышки, графопостроители (плоттеры) и многое другое. И все - таки, все компьютеры устроены примерно одинаково. В каждом есть центральный процессор, память и внешние устройства. Центральный процессор выполняет вычисления и управляет остальными компонентами компьютера. Память хранит данные. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие с внешним миром, например с пользователем. Такую структуру вычислительных машин предложил еще Ч. Бэббедж. Большое разнообразие этих основных компонент и способов их соединения и дает весь невообразимый мир компьютеров. Здесь мы рассмотрим физическую организацию персонального компью­тера фирмы IBM, его периферию и принципы сопряжения отдельных компонентов. По­скольку предлагаемое пособие не является руководством по конструированию ЭВМ, мы не будем рассматривать эти вопросы слишком подробно. Приведенных сведений, однако, достаточно, чтобы понять принципы работы IBM/PC, состав дополнительного оборудования, подключаемого к компьютеру и особенности его взаимодействия с остальной системой. Компьютер во многом напоминает автомобиль. Он также состоит из нескольких отдельных устройств, каждое из которых подключено к одному блоку, называемому системным, который играет роль координирующего устройства. Заглянем внутрь системного блока (не нужно пытаться проникнуть внутрь монитора — там нет ничего интересного, к тому же это опасно): открываем корпус и видим какие-то платы, блоки, соединительные провода. Все основные платы, входящие в состав любой модели IBM/PC, размещаются в большом блоке, получившем название системного. Системный блок включает все необходимые компоненты, позволяющие компьютеру работать без каких-либо дополнений. Составляющие IBM/PC можно рассматривать с трех различных точек зрения: по тому, где они размещаются, как они функционируют, и как они взаимодействуют друг с другом. Рассмотрим вопрос пространственного размещения этих составляющих. Физически составляющие IBM/PC можно разделить на компоненты системной платы и платы расширения. На системной плате находятся микропроцессор, первые 64К памяти и "встроенные" программы, такие как базовые программы ввода/вывода (BIOS), записанные в микросхемах ПЗУ. Системная плата имеет несколько свободных разъемов, предназначенных для подключения дополнительного оборудования, которое может быть введено в состав компьютера. Блоки расширения вставляются в эти разъемы, располагаясь над системной платой. Чтобы понять их функциональное назначение, посмотрим на структурную схему типичного компьютера (рис. 1). Она не претендует на безусловную точность и имеет целью лишь показать назначение, взаимосвязь и типовой состав элементов и для того, чтобы им пользоваться (так же, как в случае с автомобилем) не обязательно знать назначение каждой детали. Однако, чтобы понимать как работает система, необходимо иметь хотя бы приближенное представление о том, как функционируют от­дельные ее части.