Обобщенная структурная схема эвм

Принцип действия ЭВМ, назначение основных устройств и характер их функционального взаимодействия удобно проследить по структурной схеме, представленной на рис. 1.1. Эта схема в известном смысле является классической, поскольку именно она легла в основу построения ЭВМ первых поколений.

В данной схеме представлены следующие устройства ЭВМ: центральное устройство управления; арифметико-логическое устройство; память (оперативная и внешняя); устройства ввода данных в машину и вывода из нее результатов.

Центральное устройство управления (ЦУУ) организует и координирует автоматическое взаимодействие всех устройств ЭВМ при решении задач. В основе автоматизации вычислительного процесса в ЭВМ лежит принцип программного управления, заключающийся в том, что ЭВМ автоматически решает поставленную задачу, если в виде программы ей задана последовательность выполняемых действий. Программа, состоящая из отдельных команд, указывает ЭВМ, какие операции необходимо выполнить, над какими данными (или операндами) и в какой последовательности. Заранее составленная программа вместе с исходными данными вводится в память ЭВМ. ЦУУ осуществляет выборку из памяти кодов команд программы и их преобразование в необходимые последо­вательности управляющих сигналов, обеспечивающих согласованное взаимодействие устройств ЭВМ в процессе автоматического выполне­ния программы. Под действием этих сигналов производится, в частности, выборка из памяти необходимых операндов, их пересылка в арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполнение в АЛУ требуемой операции и так далее. Применительно к конкретным устройствам ЭВМ функции ЦУУ часто дополняются работой местных устройств управления. Такая децентрализованность и автономность в управлении позволяют совмещать во времени работу отдельных устройств ЭВМ и тем самым повышать эффективность использования ее технических средств.

Арифметико-логическое устройство ЭВМ обеспечивает выполнение широкого набора различных машинных операций (арифметических, логических и др.), причем операндами при их выполнении могут быть исходные данные задачи, промежуточные результаты, а в некоторых случаях — коды других команд. Результат выполнения операции либо передается в память ЭВМ, либо остается в АЛУ в качестве операнда последующей машинной операции.

В современных ЭВМ центральное устройство управления и АЛУ обычно конструктивно объединяются в отдельный блок, называемый центральным процессором. Процессор занимает центральное место в структуре ЭВМ, обеспечивая реализацию вычислительного процесса в соответствии с заданной программой.

Память ЭВМ служит для хранения исходных данных, команд программы, а также промежуточных и окончательных результатов вычис­лений. Данные, хранящиеся в памяти, по мере необходимости выдаются в другие устройства ЭВМ (ЦУУ, АЛУ и др.). Память ЭВМ обычно состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующей внутренней памяти и сравнительно медленнодействующей, но способной хранить значительный объем информации внешней памяти (ВП). Кроме того, в составе устройств внутренней памяти выделяют оперативные, сверхоперативные, посто­янные и некоторые другие запоминающие устройства.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) непосредственно взаимодействуют с АЛУ машины и хранят данные, используемые в ближайшей серии вычислений. Данные из ОЗУ обычно извлекаются опре­деленными порциями, поэтому ОЗУ разбивается на отдельные ячейки, каждая из которых служит для хранения двоичного кода определенной разрядности. Все ячейки ОЗУ пронумерованы. Номера ячеек памяти являются адресами данных, хранящихся в них. При считывании данных из ячейки ОЗУ ее содержимое либо сохраняется, либо при необходимости восстанавливается и может быть в дальнейшем получено из той же ячейки. При записи в ОЗУ хранящиеся в ячейке памяти данные стираются и их место занимают новые.

Тесное взаимодействие с АЛУ предъявляет повышенные требования к быстродействию оперативного ЗУ, поскольку оно непосредственно влияет на скорость работы ЭВМ в целом. Современные ОЗУ характеризуются достаточно высоким быстродействием, цикл обращения к ним составляет доли микросекунды. Однако в быстродействующих ЭВМ даже такая скорость работы ОЗУ может оказаться недостаточной. В этом случае в состав ЭВМ включают так называемые сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ) незначительного объема. Обычно в качестве СОЗУ используется внутренняя регистровая память процессора, выполненная на тех же электронных компонентах, что и АЛУ ЭВМ.

В составе ЭВМ используется также еще один вид внутренней памяти — постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), используемые для хранения различных констант и постоянных программ. Данные в ПЗУ записываются однократно, обычно в процессе изготовления устройства, а в дальнейшем только считываются без разрушения. Если занесение данных в ПЗУ производится в эксплуатационных условиях, то такие ПЗУ называются программируемыми постоянными запоминающими устройствами (ППЗУ).

Рассмотренные виды внутренней памяти непосредственно взаимодействуют с процессором и вместе с ним образуют центральную часть (ядро) ЭВМ. Кроме центральной части в состав ЭВМ входят также различные периферийные устройства (ПУ), которые по своему назначе­нию делятся на две группы:

1. устройства внешней памяти, предназначенные для хранения больших информационных массивов;

2. устройства ввода-вывода, обеспечивающие связь ЭВМ с внешней средой, в том числе с пользователями, путем ввода в ЭВМ и вывода из ЭВМ данных, их регистрации и отображения.

Обмен данными между центральной частью ЭВМ и периферийными устройствами производится операциями ввода-вывода. В процессе ввода данные передаются в центральную часть ЭВМ из внешней среды (в том числе и от пользователей), а также из внешней памяти. В процессе вывода данные передаются во внешнюю среду или во внешнюю память ЭВМ.

Производительность и эффективность работы ЭВМ определяются не только возможностями процессора и внутренней памяти, но и со ставом, техническими характеристиками и выполняемыми функция­ми периферийных устройств, а также способами организации их взаимодействия с центральной частью ЭВМ.

Особенностью большинства ПУ является относительно низкая скорость, с которой они принимают или передают данные. Это объясняется тем, что в большинстве из них используются электромеханические узлы, скорость работы которых значительно ниже скорости работы электронных компонентов центральной части ЭВМ. Кроме того, быстродействие некоторых ПУ (например, многих устройств ввода) непосредственно зависит от производительности труда оператора (пользователя).

Сопряжение различных устройств ЭВМ между собой осуществляется с помощью так называемых интерфейсов. Интерфейс представляет собой совокупность средств сопряжения и связи, обеспечивающих требуемое взаимодействие устройств ЭВМ. Основой существующих интерфейсов является унификация и стандартизация аппаратурных (технических) и программных средств, обеспечивающих такое взаимодействие. Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу данных между устройствами независимо от их особенностей. Это также упрощает проблему включения в состав ЭВМ дополнительных устройств, позволяет разрабатывать новые устройства независимо друг от друга.