2. Принципы действия эвм. Принципы программного управления.

Прежде чем определить функциональный состав ЦВМ вспомним, как мы проводим вычисления «вручную» с применением подручных средств (логарифмическая линейка, арифмометр, микрокалькулятор и т.д.)

Происходит это приблизительно так …

На лист бумаги заносим формулу вычислений, определяющую порядок действий, исходные данные и заготавливаем, например, таблицу для будущих результатов.

Итак, мы смотрим на формулу, считываем исходные данные с листа на арифмометр и делаем на нем соответствующие операции по формуле. Результат (промежуточный или окончательный) заносим в таблицу.

Затем операция возможно повторяется.

Примечательно, что в случае получения в этом процессе некоторого результата мы можем иногда изменять какую-либо формулу вычисления, использовать иные исходные данные и т.п.

Следовательно, организуя вычислительный процесс необходимо иметь:

• информацию, над которой происходит действие;

• информацию о порядке действий;

• информацию о том, как надо выполнять действия.

<6>

Аналогия со столь формальным процессом вычисления наблюдается в работе ЭВМ. При этом заметим, что технические средства должны обеспечивать по крайней мере следующее:

• хранение и выдачу исходных, промежуточных данных и результатов;

• хранение порядка действий;

• обмен с внешним миром, в частности с человеком, решающим задачу;

• непосредственное выполнение отдельных операций;

• управление (координацию) всем ходом процесса.

Удовлетворять этим требованиям может следующая структура:

Порядок действий хранится в виде определенным образом организованной совокупности команд. Способ этой организации на различном уровне детализации и выступает в виде алгоритма, либо программы.

<7>

Любая универсальная ЭВМ состоит, таким образом, из четырех основных частей (по фон Нейману – из 5-ти):

1. Арифметическо–логическое устройство, предназначенное для непосредственного выполнения отдельных операций над кодами чисел (операндами). АЛУ составляет 20-30% объема, т.е. это не главное.

2. Запоминающее устройство (ЗУ), предназначенное для приема, хранения и вывода кодов чисел и программ. Обычно ЗУ строится по иерархическому принципу СОЗУ – ОЗУ – ВЗУ.

3. Устройство управления (УУ), предназначенное автоматического (без участия человека) управления работой всех других блоков в процессе вычислений. Обычно тоже строится по иерархии.

4. Устройство ввода-вывода (УВВ), предназначенное для восприятия вводимых данных, представляемых, в частности, и в каком-либо «неэлектронном виде» (оптические свойства на CD и DVD, пробивки на ПК, ПЛ и др.), преобразо-вания их в электрические сигналы и передачи их в ЗУ, а также для обратных процедур. (Фон Нейман устройства ввода и вывода рассматривал как два независимых блока).

Современная ЭВМ существенно сложнее этой модели.

Процессор – законченный блок ЭВМ, в состав которого входят УУ, АЛУ и отдельные регистры. Он объединяет в себе оборудование, посредством которого программа интегрируется в вычислительный процесс.

Заметим, что современные процессоры кроме устройств перечисленных выше в своём составе могут иметь и другие устройства.

<8>

Автоматическое управление процессом решения задачи ЭВМ основано на принципе программного управления. Поясним его.

Как отмечалось, процесс решения любой задачи определяется алгоритмом, который задает последовательность выполнения арифметических, логических и других действий над данными и промежуточными результатами. Алгоритм, записанный с помощью каких-либо обозначений команд ЭВМ, есть программа.

Иначе говоря, программа – определенная алгоритмом последовательность команд.

Каждая команда определяет ту операцию, которую должна осуществить машина в каждый определенный момент, а также те данные, над которыми будет выполнена операция (явно или неявно).

В современных машинах программа записывается в память машины наряду с исходными данными. И то, и другое вводится через УВВ. Место в памяти, где расположена та или иная команда (закодированная двоичным кодом), те или иные числа–данные (двоично кодированные) определяется адресом ячейки. Остаётся указать, что и адреса ячеек кодируются двоичным кодом.

Структура команды включает в себя операционную часть и адресную (что делать и откуда взять операнды).

<9>

В совокупности достигается следующее:

• одна и та же программа может быть использована для различных чисел;

• команды представлены также, как числа над ними допустимы такие же операции;

• адреса представлены также кодированными числами операции с адресами.

Операторы на языке машины записываются в виде команд.

Процесс реализации алгоритма называется вычислительным процессом.

<10>

3. Принцип действия ЭВМ.

Четыре основные характеристики фон–неймановской архитектуры:

1. наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства передачи информации и память;

2. линейная структура адресации памяти, состоящей из слов фиксированной длины;

3. низкий уровень машинного языка, команды которого осуществляют простые операции над элементарными операндами ¹;

4. централизованное последовательное управление.

<11>