Глава 5 эвм — техническое средство информатики

5.1 Понятие об эвм

В настоящее время в качестве технических средств информатики выступают вычислительные системы, базовым элементом которых является персональный компьютер, который стал обязательным атрибутом в любом современном офисе. Полезно вспомнить слова В. М. Глушкова о том, что «электронные цифровые машины с программным управлением представляют собой пример одного из наиболее распространенных в настоящее время типов преобразователей дискретной информации, называемых дискретными или цифровыми автоматами».

• ЭВМ — это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и передачи информации.

Основные принципы структурной организации ЭВМ (архитектуры) были разработаны американским математиком Джоном фон Нейманом.

Первый принцип — принцип произвольного доступа к основной (оперативной) памяти, состоящей из ячеек. Принцип гласит о том, что процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка, причем время доступа (чтения или записи) одинаково для всех ячеек. Чтобы обеспечить такой доступ, ячейки памяти обязаны иметь свои уникальные имена. Этими именами являются номера ячеек.

Второй принцип — принцип хранимой программы. Программа решения задачи хранится в оперативной памяти наряду с обрабатываемыми данными. В принципе ЭВМ не различает, что именно хранится в данной ячейке памяти — число, символ или команда. Для решения другой задачи требуется смена в оперативной памяти программы и обрабатываемых данных. Таким образом, ЭВМ представляет собой универсальный инструмент обработки информации, т. е. ЭВМ является программно-управляемым цифровым автоматом для переработки и преобразования дискретной информации. Это означает, что:

1 . Вся подаваемая на вход ЭВМ информация (текстовая, графическая, числовая и т. п.) должна быть представлена в двоичном виде;

2. ЭВМ может работать только по заранее разработанной программе (последовательности специальных команд, выполняемых одна за другой), которая вводится в память ЭВМ или хранится в ней.

Основными составными частями ЭВМ являются управляющие, исполнительные и вспомогательные устройства (рис. 31).

• Управляющие устройства (устройства управления) формирует последовательность управляющих сигналов для выборки из памяти и выполнения в арифметико-логическом устройстве очередной команды программы.

Машинная команда представляет собой двоичный код и состоит из двух частей: операционной и адресной.

• Операционная часть команды — это группа разрядов в коде команды, предназначенная для представления кода операции в ЭВМ.

• Адресная часть — это группа разрядов в коде команды, содержащих адреса ячеек оперативной памяти ЭВМ, в которых хранятся данные, используемые при выполнении данной операции. Часто эти адреса называют адресами операндов данной команды (операции).

В зависимости от структуры адресной части команды УУ ЭВМ делятся на трехадресные, двухадресные, одноадресные (рис. 32).

Современные ЭВМ выполняют несколько сотен различных команд. Например, стандартный набор современных ПК содержит около 240 машинных команд. Все машинные команды можно разделить на группы по видам выполняемых операций:

– операции пересылки данных внутри ЭВМ;

– арифметические операции;

– логические операции;

– операции обращения к внешним устройствам;

– операции передачи управления;

– обслуживающие и вспомогательные опреации.

• Исполнительные устройства (устройства исполнения) — это основные устройства, необходимые для выполнения команд программы, такие как арифметико-логическое устройство (АЛУ), внутренняя (оперативная) память и устройства ввода-вывода информации.

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации.

Оно характеризуется набором элементарных выполняемых операций, временем их выполнения и средним быстродействием. Важной характеристикой АЛУ является система счисления, в которой осуществляются все действия. Устройство управления и АЛУ в современных компьютерах объединены в один блок — процессор. В его функцию входит выполнение программ, находящихся в основной памяти, путем выборки, проверки и последовательного выполнения составляющих их команд. Центральный процессор содержит высокоскоростную память для запоминания промежуточных результатов и управляющей информации. Эта память состоит из регистров, каждый из которых имеет определенное назначение. Одним из регистров является счетчик команд, указывающий адрес команды, которую необходимо выполнить следующей. Регистр команд содержит текущую выполняемую команду. Центральный процессор выполняет каждую команду в виде последовательности простых операций:

– выбор очередной команды из основной (оперативной) памяти в регистр команд;

– изменение в счетчике команд, чтобы он указывал на адрес команды, следующей за выбранной;

– определение типа выбранной команды;

– проверка, требуются ли для выполнения выбранной команды какие-либо данные, и если они нужны, то определение их места нахождения в памяти;

– загрузка во внутренние регистры центрального процессора требуемых данных из памяти;

– выполнение команды;

– запоминание результатов выполнения команды в заданных ячейках памяти;

– переход к первому действию для выполнения следующей команды.

Такое описание функционирования центрального процессора по существу представляет программу, написанную на каком-либо языке программирования.

• Память (запоминающее устройство) — предназначена для хранения и (или) выдачи входной информации, промежуточных и окончательных результатов, вспомогательной информации, программ решения задач.

Память — это часть ЭВМ, где хранятся программы и данные. Память состоит из ряда ячеек (наименьшая адресуемая единица памяти), каждая из которых может хранить данные. Каждой ячейке соответствует число, называемое ее адресом, при помощи которого программа может к ней обращаться. Если в памяти ячеек, то они имеют адреса от до . Все ячейки памяти содержат одинаковое число битов. Если в ячейке битов, то она может содержать любую из их комбинаций. Центральный процессор связан с основной памятью при помощи, как минимум, двух регистров — регистра адреса памяти и буферного регистра. Для того, чтобы считать из памяти содержимое ячейки, центральный процессор загружает адрес этой ячейки в регистр адреса памяти и посылает памяти сигнал чтения. Память начинает обработку и после некоторого времени помещает содержимое запрашиваемой ячейки в буферный регистр, где оно доступно центральному процессору для последующей обработки. Для того, чтобы записать данное в память, центральный процессор записывает адрес ячейки памяти в регистр адреса памяти и записываемое данное в буферный регистр, а затем сигнализирует памяти о начале операции записи. Основные параметры, характеризующие память, — емкость и время обращения к памяти.

• Емкость памяти — количество бит или байт информации, которое можно записать в памяти.

• Время обращения — интервал времени между началом и окончанием ввода (вывода) информации в память (из памяти).

• Вспомогательными устройствами ЭВМ могут быть всевозможные дополнительные средства, улучшающие или расширяющие возможности базового состава вычислительной машины.

Примером вспомогательного устройства является накопитель на жестком магнитном диске (внешняя память), когда двоичные коды данных размещаются посредством магнитной головки на дорожках магнитной поверхности. Адресация к определенному файлу накопителя осуществляется через корневой каталог — своеобразное оглавление магнитного диска, размещенное на строго определенных дорожках и содержащее сведения о каждом хранимом файле (имя, размер в байтах, дата и время создания или последнего изменения). Если содержимое каталога вывести на экран монитора, то можно просмотреть содержимое диска.

Приведенная выше классическая структура ЭВМ соответствует компьютерам 2-го поколения. Особенности структуры современных компьютеров:

1. Контроллеры внешних устройств. Контроллер представляет собой специализированный процессор, управляющий работой соответствующего внешнего устройства. Результаты работы контроллера могут быть в любой момент использованы центральным процессором.

2. Дисплей и видеопамять. Для хранения кодовых данных картинки экрана между ним и центральным процессором используется промежуточная видеопамять. Контроллер дисплея выводит ее данные на экран в соответствии со своей программой работы.

3. Прямые связи между устройствами ЭВМ. На практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот (режим прямого доступа к памяти — ПДП) с применением специального контроллера.

4. Общая шина (часто ее называют магистралью). Она используется для связи между отдельными функциональными узлами компьютера и состоит из трех частей:

– шина данных, по которой передается информация;

– шина адреса, определяющая, откуда и куда передаются данные;

– шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Характерные тенденции развития компьютеров:

– расширяется и совершенствуется набор внешних устройств;

– многопроцессорность — помимо центрального в компьютере могут быть специализированные процессоры;

– параллельные вычисления усложняют структуру ЭВМ;

– использования компьютера и для логического анализа информации.

– возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций — совместная обработка данных компьютерной сетью.