3.4.3. Характеристика основных блоков эвм

ЭВМ включает три основных устройства: системный блок, клавиа­туру и дисплей (монитор). Однако для расширения функциональных возможностей ЭВМ можно подключить различные дополнительные периферийные устройства, в частности: печатающие устройства (прин­теры), накопители на магнитной ленте (стримеры), различные манипу­ляторы (мышь, джойстик, трекбол, световое перо), устройства оп­тического считывания изображений (сканеры), графопостроители (плот­теры) и др.

ЭВМ, как правило, имеет модульную структуру (рис. 3.8). Все модули связаны с системной магистралью (шиной).

Системный блок. Главный блок ЭВМ включает в свой со­став центральный микропроцессор, сопроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках и другие функциональные модули. Набор модулей определяется типом ЭВМ. Пользователи по своему желанию могут изменять конфигура­цию ЭВМ, подключая дополнительные периферийные устройства.

В системный блок может быть встроено звуковое устройство, с по­мощью которого пользователю удобно следить за работой машины, во­время обращать внимание на возникшие сбои в отдельных устройствах или на возникновение необычной ситуации при решении задачи на ЭВМ. Со звуковым устройством часто связан таймер, позволяющий вести отсчет времени работы машины, фиксировать календарное время, указывать на окончание заданного промежутка времени при выполне­нии той или иной задачи.

Микропроцессор (МП). Центральный микропроцессор является ядром любой ЭВМ. Он выполняет функции обработки информации и управ­ления работой всех блоков ЭВМ. В состав МП входят:

· арифметико-логическое устройство,

· центральное устройство управления,

· внутренняя регистровая память,

· кэш-память,

· схема обращения к оперативной памяти,

· схемы управления системной шиной и др.

Рис 3.8. Структурная схема ЭВМ с периферийными устройствами. (АЛУ– арифметико-логическое устройство, УУ– устройство управления, ПП – постоянная память, ОП – оперативная память, ВУ– внешнее устройство, НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках, НЖМД – накопитель на жестких маг­нитных дисках, НМЛ – накопитель на магнитной ленте, ПУ– печатающее устройство).

Рассмотрим структуру и функционирование микропроцессора на примере разработанной модели фирмы Intel.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – функциональная часть ЭВМ, которая выполняет логические и арифметические действия, необходи­мые для переработки информации, хранящейся в памяти. Оно характеризует­ся: временем выполнения элементарных операций; средним быстродействи­ем, т.е. количеством арифметических или логических действий (операций), выполняемых в единицу времени (секунду); набором элементарных дейст­вий, которые оно выполняет. Важной характеристикой АЛУ является также система счисления, в которой осуществляются все действия.

АЛУ выполняет логические операции, а также арифметические опе­рации в двоичной системе счисления и в двоично-десятичном коде, причем арифметические операции над числами, представленными в форме с плавающей точкой, реализуются в специальном блоке. В некоторых конфигурациях с этой целью используется арифметический сопро­цессор. Он имеет собственные регистры данных и управления, работает параллельно с центральным МП, обрабатывает данные с плавающей точкой.

Память микропроцессора состоит из функциональных регистров: регистры обще­го назначения, указатель команд, регистр флагов и регистры сегментов.

Регистр – внутренне запоминающее устройство процессора для временного хранения обрабатываемой или управляющей информации и быстрого доступа к ней.

Регистры общего назначения используются для хранения данных и адресов. Они обеспечивают работу с данными и адресами. Каж­дый из таких регистров имеет свое имя.

Указатель команд содержит смещение при определении адреса следующей команды.

Регистр флагов указывает признаки результата выполнения команды.

Регистры сегментов содержат значения селекторов сегментов, опре­деляющих текущие адресуемые сегменты памяти.

Кроме того, регистровая память МП содержит регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой, системные и некото­рые другие регистры.

Производительность микропроцессора значительно повышается за счет буферизации часто используемых команд и данных во внутренней кэш-памяти, при этом сокращает­ся число обращений к внешней памяти. Кэш-память – сверхоперативная буферная память, предназначенная для промежуточного хранения наиболее часто используемых процессором данных. Внутренняя кэш-память имеет несколько режимов работы, что обеспечивает гибкость отладки и вы­полнения рабочих программ.

Устройство управления микропроцессорного типа обеспечивает конвейерную обработку данных с помощью блока предварительной вы­борки (очереди команд).

Устройство управления МП обеспечивает многозадачность. Много­задачность – способ организации работы ЭВМ, при котором в ее па­мяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких задач. В составе современных МП имеются аппаратно-программные средства, позволяющие эффективно организовать многозадачный ре­жим, в том числе системы прерывания и защиты памяти.

Система прерываний обрабатывает запросы на прерывание как от внешних устройств, так и от внутренних блоков МП. Прерывание – временное прекращение выполнения команд программы с сохранением информации о ее текущем состоянии и передачей управления специальной программе – обработчику прерываний. Поступление за­проса на прерывание от внутреннего блока МП свидетельствует о воз­никновении исключительной ситуации, например о переполнении раз­рядной сетки. Внешнее прерывание может быть связано с обслуживани­ем запросов от периферийных устройств. Требуя своевременного обслу­живания, внешнее устройство посылает запрос прерывания МП. МП в ответ приостанавливает нормальное выполнение текущей программы и переходит на обработку этого запроса, чтобы в дальнейшем выполнить определенные действия по вводу-выводу данных. После совершения та­ких действий происходит возврат к прерванной программе.

Защита памяти от несанкционированного доступа в многозадачном режиме осуществляется с помощью системы привилегий, регулирующих доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности.

Обмен информацией между блоками МП происходит через магист­раль микропроцессора, включающую шину адреса, двунаправленную шину данных и шину управления. Шина – устройство, служащее для передачи данных и управляющих сигналов между компонентами компьютера. Шина состоит из линий электрических соединений.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и реги­стров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина данных обеспечивает передачу информации между МП, памя­тью и периферийными устройствами. Шина двунаправленная, т.е. позволяет осуществлять пересылку данных как в прямом, так и в обратном на­правлении.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сигна­лов – управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и т.д.

Системная магистраль выполняется в виде совокупности шин (кабелей), используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Количество линий в адресно-информационной шине определя­ется разрядностью кодов адреса и данных, а количество линий в шине управления – числом управляющих сигналов, используемых в ЭВМ.

Внутренняя память ЭВМ состоит из оперативной памяти и посто­янной памяти.

Оперативная память (ОП) (или оперативное запоминающее устройство – ОЗУ) – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для хранения и (или) выдачи входной информации, про­межуточных и окончательных результатов, вспомогательной информации. В памяти машины находятся также программы решения задач, через ко­манды которых осуществляется управление работой всей машины. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. Оперативная память является энергозависимой: при отключении питания информация в ОП теряется.

С точки зрения физического принципа действия различают дина­мическую память и статическую память. Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Недостатком этого типа является то, что заряды ячеек имеют свойство рассеи­ваться в пространстве. Для этого в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы. Ячейки статической памяти можно представить как электронные микро­элементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Основные параметры, характеризующие память, – емкость и время обращения к памяти.

Емкость памяти – количество байт информации, которое можно за­писать в памяти. При этом словом является упорядоченная последователь­ность символов алфавита конечной длины. Ячейка памяти – часть памяти, содержащая слово.

Емкость памяти можно выразить количеством содержащихся в ней слов или ячеек. Длина ячейки памяти измеряется количеством битов (один бит равен одному двоичному разряду) или байтов (один байт содержит во­семь битов). Ячейка памяти может вмещать информацию разной длины или разного формата. Формат измеряется словом, двойным словом или полусловом в зависимости от принятого для данной ЭВМ способа представле­ния информации.

Время обращения – интервал времени между началом и окончанием ввода (вывода) информации в память (из памяти). Оно характеризует затра­ты времени на поиск места и запись (чтение) слова в память (из памяти).

Постоянная память (ПП). Эта память предназначена только для чтения. Она не является энергозависимой, ис­пользуется для хранения системных программ, в частности так называе­мой базовой системы ввода-вывода (BIOS – Basic Input and Output System), вспомогательных программ и т.п. Программы, хранящиеся в ПП, предназначены для постоянного использования МП.

Контроллеры (К) служат для управления внешними устройствами (ВУ). Каждому ВУ соответствует свой контроллер. Электронные моду­ли-контроллеры реализуются на отдельных печатных платах, вставляе­мых внутрь системного блока. Такие платы часто называют адаптерами ВУ (от адаптировать – приспосабливать). После получения команды от МП контроллер функционирует автономно, освобождая МП от выпол­нения специфических функций, требуемых для того или другого кон­кретного ВУ.

Контроллер содержит регистры двух типов – регистр состояния (управления) и регистр данных. Эти регистры часто называют портами ввода-вывода. За каждым портом закреплен определенный номер – адрес порта. Через порты пользователь может управлять ВУ, используя ко­манды ввода-вывода. Программа, выполняющая по обращению из ос­новной выполняемой программы операции ввода-вывода для конкрет­ного устройства или группы устройств ЭВМ, входит в состав ядра операционной системы ЭВМ.

Для ускорения обмена информацией между МП и внешними устрой­ствами в ЭВМ используется прямой доступ к памяти (ПДП). Контрол­лер ПДП, получив сигнал запроса от внешнего устройства, принимает управление обменом на себя и обеспечивает обмен данными с ОП, минуя центральный МП. В это время микропроцессор продолжает без преры­вания выполнять текущую программу. Прямой доступ к памяти, с одной стороны, освобождает МП от непосредственного обмена между памятью и внешними устройствами, а с другой стороны, позволяет значительно быстрее по сравнению с режимом прерываний удовлетворять запросы на обмен.