73

Структура и принцип работы эвм

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) представляет собой комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматизированной обработки информации. При этом любая информация в ЭВМ хранится, передается и обрабатывается в виде многоразрядных двоичных кодов.

Виды сигналов

1. Аналоговые непрерывные сигналы, устройства для их обработки аналоговые. АВМ – аналоговые вычислительные машины, они используются для моделирования различных устройств и работают с непрерывными сигналами. При их построении используются: усилители, интеграторы, дифференциаторы и нелинейные преобразователи.

Достоинства: наглядность моделирования.

Недостатки: низкое быстродействие, низкая точность, ограниченный диапазон работы.

2. Дискретные (импульсные) или цифровые сигналы. ЦВМ – цифровые вычислительные машины (ЭВМ чаще используются, в ЭВМ входят АВМ и ЦВМ), они обрабатывают дискретные цифровые сигналы и работают дискретно во времени.

• Для преобразования цифровых сигналов в аналоговые используются ЦАП – цифровые аналоговые преобразователи:

видеокарта.

звуковые картриджи.

• Для преобразования аналоговых сигналов в цифровые используются АЦП – аналоговые цифровые преобразователи.

Взаимодействие ЦАП и АВМ позволяет сопрягать цифровые и аналоговые системы между собой. Эти устройства составляют основу системного ввода и вывода и сопряжения с внешними устройствами

В основе работы ЦВМ лежит использование двоичной арифметики (Булева алгебра).

Булева алгебра:

1. Конъюнкция – умножение (и ) 

2. Дизъюнкция – сложение (или) 

3. Отрицание – ( не ) х (не х)

В вычислительной технике битом называют наименьшую "порцию" памяти компьютера, необходимую для хранения одного из двух знаков "0" и "1", используемых для внутримашинного представления данных и команд. Бит — слишком мелкая единица измерения. На практике чаще применяется более крупная единица —  байт,  равная  восьми битам. Именно восемь битов требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера (256=2⁸).

Широко используются также ещё более крупные производные единицы информации:

• 1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 2¹⁰ байт,

• 1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 2²⁰ байт,

• 1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 2³⁰ байт.

В последнее время в связи с увеличением объёмов обрабатываемой информации входят в употребление такие производные единицы, как:

• 1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 2⁴⁰ байт,

• 1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 2⁵⁰ байт.

Логические основы проектирования цифровых устройств Теория конечных автоматов

Работу ЦВМ и других цифровых устройств можно описать с помощью теории конечных автоматов.

Задачи, решаемые при разработке цифровых логических устройств, можно разделить на две категории: Синтеза и Анализа. Синтез - это процесс построения схемы цифрового устройства по заданию. Анализ - процесс обратный синтезу.

Модель дискретного устройства, отражающая только его свойства по переработке сигналов, называется дискретным (цифровым) автоматом.

Рис. 1.

В общем случае, модель представляет собой многополюсный черный ящик с m входами и n выходами (рис. 1). Состояние автомата определяется состояниями сигналов на его входах и выходах. Совокупность входных и выходных переменных Х и Z образуют входное и выходное слово автомата, соответственно. Различные значения входных переменных образуют алфавит (т.к. алфавит входных и выходных переменных един, в дальнейшем будет рассматриваться только один алфавит). В цифровой технике алфавит входного (выходного) слова содержит два значения (две буквы) "1" и "0".

К аждое слово - набор переменных на входе или на выходе автомата, отличается от другого слова хотя бы одной буквой. Каждая буква слова поставлена в соответствие с номером входа (выхода) автомата.

q₁

q_n

X₁ - X_i – совокупность входных сигналов или входных состояний;

Y₁ - Y_k – совокупность выходов или выходных сигналов;

q₁ - q_n – совокупность внутренних входных состояний;

Q₁ - Q_m – совокупность внутренних выходных состояний (состояний памяти).

i ≠ k ≠ j ≠ m, при этом Y = F(x, q, Q)

Изменения происходят только в дискретные моменты времени.

В КА выходные переменные связаны не только с текущим состоянием входных переменных, но и с состоянием внутренних переменных (предыдущих), т.е. с памятью.

Различают:

1) Простой автомат – автомат без памяти, у которого состояния выходов определяется текущим состоянием входов и не зависит от предыдущих состояний (это все логические функции: И, ИЛИ, НЕ);

2) Элементарный автомат – автомат с одним элементом памяти (различные виды триггеров). У таких устройств состояние выходов определяется как текущей комбинацией входов, так и предыдущими состояниями.

Теория конечных автоматов определяет принцип работы центрального устройства любой ЦВМ (а также определяет структуру, состав). Конечный автомат - математическая модель устройства с конечной памятью. Конечный автомат перерабатывает множество входных дискретных сигналов в множество выходных сигналов. Различают синхронные и асинхронные конечные автоматы.

3) Сложный конечный автомат (кибернетический автомат) – ЦВМ, работа которого определяется, как его внутренней структурой, так и алгоритмами или программами.