1.1.3 Принципы построения процессорных эвм

Классические цифровые ЭВМ строятся в соответствии с принципами фон Неймана, сформулированными в 1945 году.

Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, хра-нимых в памяти ЭВМ. Последовательность их выполнения задаётся счётчиком команд. Для изменения их последовательности используются команды условного и безусловного переходов.

Принцип однородности памяти. Программа и данные хранятся в одной и той же памяти. Над командами можно выполнять определённые действия, как и над числами. Программы в процессе их выполнения могут подвергаться переработке, в них могут быть организованы циклы и подпрограммы, программы высокого уровня могут тран-слироваться, то есть переводиться с языка высокого уровня на язык конкретной ЭВМ.

Принцип адресности. Память состоит из пронумерованных ячеек, каждая из кото-рых имеет свой адрес и доступна процессору в любой момент.

Алгоритм функционирования процессора содержит ряд шагов.

1. Первый шаг – «выборка из памяти очередной команды». Из ячейки памяти, адрес которой содержится в счётчике команд, извлекается команда и помещается в регистр команд. Адрес следующей команды определяется либо приращением на единицу зна-чения счётчика команд, либо формируется командой перехода. Команда перехода мо-жет быть условной и безусловной.

2. Второй шаг – «декодирование команды». На этом шаге выполняется подготовка к подаче управляющих сигналов для передачи данных между регистрами, функциональ-ными устройствами и ячейками памяти.

3. Третий шаг – «исполнение команды».

4. Четвёртый шаг – «запись результата».

Классическая ЭВМ – однопроцессорная. Процессор содержит одно арифметико-логическое устройство АЛУ, через которое проходит поток данных; одно устройство управления УУ, через которое проходит поток команд, и оперативную память ОП.

2

Процессор соединён с устройствами внешней памяти и внешними устройствами, обеспечивающими взаимодействие ЭВМ с окружающей средой.

Независимо от фон Неймана Лебедев Сергей Александрович в 1946…1951 г.г. сформулировал более полные принципы построения ЭВМ:

- в состав ЭВМ должны входить устройства арифметики, памяти, ввода-вывода информации, управления;

- вычисления и операции над командам следует осуществлять по программе;

- программа вычислений должна кодироваться и храниться в памяти подобно данным;

- в ЭВМ должны быть предусмотрены арифметические и логические операции (И, ИЛИ, НЕ, сравнения, условного и безусловного переходов);

- для кодирования чисел и команд следует использовать двоичную систему счисления;

- память должна строиться по иерархическому принципу;

- для решения задач следует использовать численные методы.

Существуют и не-фон-неймановские ЭВМ, в которых не выполняется принцип про-граммного управления и в которых отсутствует счётчик команд.

1.1.4 Классификация мп

1. По способу реализации алгоритмов обработки данных.

Известны два таких способа: аппаратный (схемный) и программный.

Аппаратный способ означает реализацию алгоритма обработки в виде схемы с жесткими связями между её частями. Число компонентов устройства при этом минимально, но для решения другой задачи требуется другая схема.

Программный способ означает конечную последовательность сравнительно неслож-ных операций (команд). Но схемы для решения разных задач – одинаковые.

Микропроцессоры позволяют реализовать не только основные алгоритмы цифровой обработки данных, но и множество вспомогательных, зачастую весьма сложных алго-ритмов за счёт программирования. Этому способствует их универсальность, значитель-ные функциональные гибкость и избыточность.

Однако во многих случаях заложенные в МП возможности не используются. Поэто- му для снижения аппаратных затрат разрабатываются и выпускаются контроллеры и ПЛИС, менее универсальные, приспособленные для решения более узкого круга задач.

Микроконтроллеры. В них применяются оба способа реализации алгоритмов обра-ботки данных. Количество заложенных в них команд меньше, чем у микропроцессо- ров, гибкость и универсальность меньше, чем у МП, но больше, чем у ПЛИС.

Программируемые логические интегральные схемы ПЛИС. В их основе лежит ап-паратная реализация алгоритмов обработки. ПЛИС содержат набор типовых узлов (логических элементов, триггеров, регистров, счётчиков и т.д.), соединения между которыми устанавливаются программаторами. Для достижения необходимой гибкости функциональные связи между элементами не задаются жестко, а могут изменяться в довольно широких пределах аналогично записи данных в программируемые постоян-ные запоминающие устройства (PROM). ПЛИС имеют большее быстродействие, чем микроконтроллеры. ПЛИС допускают многократное перепрограммирование, для чего старая программа стирается (обычно ультрафиолетом).