Информационно-логические основы построения эвм

Вся информация ЭВМ представлена в виде двоичных кодов, то есть в двоичной позиционной системе счисления, которая имеет вид:

А = а _m-1 P ^m-1 + a _m-2 P ^m-2 + … + a ₁ P ¹ + a ₀ P ⁰

где А – некоторое произвольное целое число, a _i – коэффициенты системы счисления, P – основание системы счисления, m – индекс, определяющий местоположение цифры в числе – разряде.

Поскольку разряд двоичной системы может быть либо 0 либо 1, то его можно использовать в качестве единицы объема информации, хранимой или обрабатываемой.

Зависимость между количеством двоичных разрядов в группе и количеством соответствующей ей информации можно представить в следующей таблице:

Количество разрядов в группе	1	8	16	32	8*1024	8*(1024)2	8*(1024)3
Наименование единиц информации	Бит	Байт ½ слова	2 байта слово	4 байта 2 слова	Килобайт	Мегабайт	Гигабайт

Для анализа и синтеза схем ЭВМ, а также при алгоритмизации и программировании используется аппарат алгебро-логики.

В алгебро-логике значение всех элементов определены в двухэлементном множестве {0;1}, что соответствует двоичному кодированию информации в ЭВМ.

Простейшими операциями в алгебре-логике являются операции логического сложения или дизъюнкции, логического умножения или конъюнкции и инверсий или отрицания.

АЛУ – в основном представляет собой сумматор, который складывает операнды.

Команды машинной программы выполняются микропроцессором или центральным процессорным устройством (ЦПУ) в соответствии с алгоритмом решения задачи.

Алгоритм – это точно определенная последовательность действий, которую надо выполнить над исходной информацией чтобы получить решение задачи.

Более точное и формальное определение алгоритма дается с помощью машины Тьюринга.

ЦПУ – микропроцессоры.

Микропроцессор – это функционально-законченное, программно управляемое устройство обработки информации выполненное в виде одной большой интегральной схемы (БИС).

Первый ЦПУ был выпущен в 1971 году фирмой Intel: МП 4004.

Все микропроцессоры условно делятся на три группы:

1. Серии CISC с полным набором команд (от 130 до 240 команд).

2. Серии RISC с сокращенным набором команд (от 50 до 130 команд).

3. Серии MISC с минимальным набором команд (менее 50 команд).

Набор команд падает, но быстродействие микропроцессора растет.

Модели ЦПУ	Разрядность		Тактовая частота	Адресное пространство	Число команд	Число элементов
	Данные (бит)	Адрес (бит)
4004	4	4	4,7 Гц	4*10 3	45	2300
8080	8	8	4,7 Гц	64*10 3	134	10000
80286	16	24	33 мГц	4*10 6	134	18000
80486	32	32	до 100 мГц	16*10 6	240	1,2*10 6
80586	64	32	500 мГц	4*10 9	240	5*10 6

Начиная с 80286 микропроцессор предусматривает возможность работы в вычислительной сети, а также возможность многопрограммной работы.

Начиная с 80386 используется конвейерное выполнение команд и использование КЭШ памяти емкостью до 512 Кбайт.

Начиная с 80486 микропроцессор обеспечивает поддержку системы виртуальных машин, то есть такого режима многозадачности, при котором в одном ЦПУ моделируется как бы несколько компьютеров, работающих параллельно и имеющих разные операционные системы.

Конвейерное выполнение команд – это одновременное выполнение разных тактов последовательных команд в разных частях микропроцессора.

Причем данные поступают из быстрой КЭШ памяти. Это позволяет, как бы распараллелить процесс выполнения программ и увеличить эффективное быстродействие микропроцессора в 2 – 3 раза.

Быстродействие процессора является одной из основных характеристик и может измеряться в следующих показателях:

1. MIPS – миллион операций с фиксированной запятой или точкой в секунду.

2. MFLOPS – миллион операций над числами с плавающей запятой в секунду.

3. KOPS – 1000 некоторых усредненных операций над числами каждую секунду.

Оценка производительности ЦПУ всегда приблизительная, более точной и объективной характеристикой является тактовая частота.