5)Классификация элементов эвм

Элементы ЭВМ выполняют функции приема, хранения, преобразования (обработки) и выдачи информации.

В зависимости от формы представления информации элементы разделяются на аналоговые и цифровые. Аналоговые элементы выполняют преобразование и обработку информации, изменяющейся по закону непрерывной функции. Цифровые элементы предназначены для преобразования и обработки двоичных сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции и в любой момент времени принимающих одно из двух возможных значений физической величины (электрического тока, напряжения, заряд, магнитной индукции, светового потока и др.), которые отождествляются с символами 0 и 1.

Двоичные или в общем случае дискретные сигналы рассматриваются как процессы в дискретном (автоматном) времени t_a = nT, n=0,1,2, … Интервал времени между двумя соседними моментами дискретного времени называется тактом, а сами дискретные моменты – тактовыми и задаются генератором тактовых или синхронизирующих импульсов (синхрогенератором).

При заданной величине такта Т значения сигнала представляются в безразмерном автоматном времени t=t_a/T, где t=0,1,2,…,n. При этом полагают, что в моменты времени t двоичный сигнал может принимать значения логического 0 или 1. Длительность переходного процесса в элементе меньше величины такта.

В дальнейшем рассматриваются только цифровые элементы.

По функциональному назначению цифровые элементы подразделяются на логические, запоминающие, вспомогательные, специальные.

Логические элементы (ЛЭ) предназначены для реализации функций алгебры логики. Входные сигналы ЛЭ отождествляются с логическими переменными функциями, выходные – со значениями функции. ЛЭ делятся на активные (например, на транзисторах) и пассивные (например, на диодах).

Запоминающие элементы (элементы памяти) предназначены для запоминания и временного хранения двоичной информации. Специальной организацией запоминающего элемента можно обеспечить запись, считывание, стирание или регенерацию информации. В качестве элементов памяти в ЭАМ широко используются триггеры, магнитные элементы, конденсаторы.

Вспомогательные элементы предназначены для усиления, формирования по длительности и уровням направления, задержки, генерирования, преобразования уровней, индикации электрических сигналов в схемах ЭВМ.

Специальные элементы выполняют преобразования электрических сигналов, например, для управления процессами записи и считывания информации в магнитной ли оптической среде, для гальванической развязки и т.п.

6) Основные функциональные элементы ЭВМ

Дешифратор

Дешифратором называется комбинационная схема, имеющая n входов и 2ⁿ выходов и преобразующая двоичный код на своих входах в унитарный код на выходах. Унитарным называется двоичный код, содержащий одну и только одну единицу, например 00100000. Условно-графическое обозначение дешифратора на три входа приведено на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Условно-графическое обозначение трехвходового дешифратора

Шифратор

Шифратор – схема, имеющая 2ⁿ входов и n выходов, функции которой во многом противоположны функции дешифратора (рис. 1.4). Эта комбинационная схема в соответствии с унитарным кодом на своих входах формирует позиционный код на выходе (таблица 1.2).

Рис. 1.4. Условно-графическое обозначение шифратора на 4 входа

Триггер

Триггер – электронная схема, обладающая двумя устойчивыми состояниями. Переход из одного устойчивого состояния в другое происходит скачкообразно под воздействием управляющих сигналов. При этом также скачкообразно изменяется уровень напряжения на выходе триггера [7].

Триггеры служат основой для построения регистров, счетчиков и других элементов, обладающих функцией хранения.

Главной частью любого триггера является запоминающая ячейка (ЗЯ). Схема запоминающей ячейки на элементах "И-НЕ" представлена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Запоминающая ячейка на элементах "И-НЕ"

7)Основные принципы функциональной организации(магистральная архитектура)

Современные ЭВМ могут иметь различную архитектуру, но обязательно содержат в своей структуре следующие элементы (Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции. Устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ. Запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных. Внешние устройства для ввода–вывода информации (ВУ).) и используют основной принцип функционирования ЭВМ – принцип программируемости, дополненный новыми принципами, к которым можно отнести принципы модульности, магистральности и микропрограммируемости.

Модульность – это способ построения компьютера на основе набора модулей. Модулем называется конструктивно и функционально законченный электронный блок в стандартном исполнении. Это означает, что с помощью модуля может быть реализована какая-то функция либо самостоятельно, либо совместно с другими модулями.

Магистральность – это способ соединения между различными модулями компьютера, когда входные и выходные устройства модулей соединяются одними и теми же проводами, совокупность которых называется шиной. Магистраль компьютера состоит из нескольких групп шин, разделяемых по функциональному признаку — шина адреса, шина данных, шина управления.

Микропрограммируемость – это способ реализации принципа программного управления. Суть его состоит в том, что принцип программного управления распространяется и на реализацию устройства управления. Другими словами, устройство управления строится точно так же, как и весь компьютер, только на микроуровне, т.е. в составе устройства управления имеется своя память, называемая управляющей памятью или памятью микрокоманд, свой «процессор», свое устройство управления и т. д.

8)Процессор

Процессор - это как матрешка: верхушка - устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры процессорной памяти. Допустим, АЛУ - сумматор, регистры, сверх ОЗУ. Регистр - набор логики (и-или-нет), ячейка памяти. И т.д. 

Работает процессор под управлением программы, находящейся в оперативной памяти.

(Работа процессора сложнее, чем это изображено на схеме выше. Например, данные и команды попадают в кэш не сразу из оперативной памяти, а через блок предварительной выборки, который не изображен на схеме. Также не изображен декодирующий блок, осуществляющий преобразование данных и команд в двоичную форму, только после чего с ними может работать процессор.)

Блок управления помимо прочего отвечает за вызов очередной команды и определение ее типа.

Арифметико-логическое устройство, получив данные и команду, выполняет указанную операцию и записывает результат в один из свободных регистров.

Текущая команда находится в специально для нее отведенном регистре команд. В процессе работы с текущей командой увеличивается значение так называемого счетчика команд, который теперь указывает на следующую команду (если, конечно, не было команды перехода или останова).

Часто команду представляют как структуру, состоящую из записи операции (которую требуется выполнить) и адресов ячеек исходных данных и результата. По адресам указанным в команде берутся данные и помещаются в обычные регистры (в смысле не в регистр команды), получившийся результат тоже сначала оказывается в регистре, а уж потом перемещается по своему адресу, указанному в команде.

Характеристики процессора

Тактовая частота процессора на сегодняшний день измеряется в гигагерцах (ГГц), Ранее измерялось в мегагерцах (МГц). 1МГц = 1 миллиону тактов в секунду.

Процессор «общается» с другими устройствами (оперативной памятью) с помощью шин данных, адреса и управления. Разрядность шин всегда кратна 8 (понятно почему, если мы имеем дело с байтами), изменчива в ходе исторического развития компьютерной техники и различна для разных моделей, а также не одинакова для шины данных и адресной шины.

Разрядность шины данных говорит о том, какое количество информации (сколько байт) можно передать за раз (за такт). От разрядности шины адреса зависит максимальный объем оперативной памяти, с которым процессор может работать вообще.

На мощность (производительность) процессора влияют не только его тактовая частота и разрядность шины данных, также важное значение имеет объем кэш-памяти.