3. Информационно-логические основы вычислительных систем, их функциональная и структурная организация.

Информационно-логические основы построения вычислительных машин охватыва­ют круг вопросов, связанных с формами и системами представления информации в компьютерах, а также с логико-математическим синтезом вычислительных схем и схемотехникой электронных компонентов компьютера. Поскольку последние вопросы представляют интерес в основном для специалистов технического про­филя, в данном разделе рассмотрены только базовые понятия логического синтеза. ^ Представление информации в вычислительных машинах Информация в компьютере кодируется в двоичной или в двоично-десятичной си­стемах счисления. Система счисления — способ наименования и изображения чисел с помощью сим­волов, имеющих определенные количественные значения. В зависимости от спо­соба изображения чисел, системы счисления делятся на следующие: - позиционные; - непозиционные. В позиционной системе счисления количественное значение каждой цифры зави­сит от ее места (позиции) в числе. В непозиционной системе счисления цифры не меняют своего количественного значения при изменении их расположения в чис­ле. Количество (Р) различных цифр, используемых для изображения числа в по­зиционной системе счисления, называется основанием системы счисления. Зна­чения цифр лежат в пределах от 0 до Р - 1. В общем случае запись любого смешанного числа в системе счисления с основани­ем Р будет представлять собой ряд вида: Нижние индексы определяют местоположение цифры в числе (разряд): а положительные значения индексов — для целой части числа (т разрядов); Q отрицательные значения — для дробной (s разрядов).

Минимальное значащее, не равное 0 число, которое можно записать в s разрядах дробной части:

Максимальное целое число, которое может быть представлено в т разрядах: Имея в целой части числа т, а в дробной — 5 разрядов, можно записать всего Р^т *⁵ разных чисел. Двоичная система счисления имеет основание Р = 2 и использует для представле­ния информации всего две цифры: 0 и 1. Существуют правила перевода чисел из одной системы счисления в другую, основанные в том числе и на соотношении (1). Например, двоичное число 101110,101 равно десятичному числу 46,625. Практически перевод из двоичной системы в десятичную можно легко выполнить, надписав над каждым разрядом соответствующий ему вес и сложив затем произ­ведения значений соответствующих цифр на их веса. Двоичное число 01000001(2) равно 65(10). Действительно, 64-1 + 1-1-65. Таким образом, для перевода числа из позиционной системы счисления с любым основанием в десятичную систему счисления можно воспользоваться выражени­ем (1). Обратный перевод из десятичной системы счисления в систему счисления с другим основанием непосредственно по формуле (1) для человека весьма за­труднителен, ибо все арифметические действия, предусмотренные этой формулой, следует выполнять в той системе счисления, в которую число переводится. Обрат­ный перевод может быть выполнен значительно проще, если предварительно пре­образовать отдельно целую и дробную части выражения (1) к виду: Алгоритм перевода числа из десятичной системы счисления в систему счисления с основанием Р, основанный на этих выражениях, позволяет оперировать с числа­ми в той системе счисления, из которой число переводится, и может быть сформу­лирован следующим образом. При переводе смешанного числа следует переводить его целую и дробную части отдельно.

1. Для перевода целой части числа его, а затем целые части получающихся част­ ных от деления следует последовательно делить на основание Р до тех пор, пока очередная целая часть частного не окажется равной 0. Остатки от деления, за­ писанные последовательно справа налево, образуют целую часть числа в систе­ ме счисления с основанием Р.

2. Для перевода дробной части числа его, а затем дробные части получающихся произведений следует последовательно умножать на основание Р до тех пор, пока очередная дробная часть произведения не окажется равной 0 или не будет достигнута нужная точность дроби. Целые части произведений, записанные после запятой последовательно слева направо, образуют дробную часть числа в системе счисления с основанием Р.

Рассмотрим перевод смешанного числа из десятичной в двоичную систему счи­сления на примере числа 46,625. Переводим целую часть числа: 46 : 2 = 23 (оста­ток 0). 23 : 2 - 11 (остаток 1). И : 2 * 5 (остаток 1). 5 : 2 - 2 (остаток 1). 2 : 2 - 1 (остаток 0). 1: 2 - 0 (остаток 1). Записываем остатки последовательно справа на­лево — 101110, то есть 46(10)= 101110(2) . Переводим дробную часть числа: 0,625 • 2 = - 1,250.0,250 • 2 = 0,500.0,500 • 2 - 1,000. Записываем целые части получающихся произведений после запятой последовательно слева направо— 0,101, то есть 0,625(10) - 0,101₂. Окончательно 46,625(10)= 101110,101₂.

Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ Электронные вычислительные машины включают, кроме аппаратурной части и программного обеспечения (ПО), большое количество функциональных средств. К ним относятся коды, с помощью которых обрабатываемая информация представляется в цифровом виде: арифметические коды - для выполнения арифметических преобразований числовой информации; помехозащищенные коды, используемые для защиты информации от искажений; коды формы, определяющие, как должна выглядеть обрабатываемая в ЭВМ информация при отображении; цифровые коды аналоговых величин (звука, “живого видео”) и др. Кроме кодов на функционирование ЭВМ оказывают влияние алгоритмы их формирования и обработки, технология выполнения различных процедур (например, начальной загрузки операционной системы, принятой в системе технологии обработки заданий пользователей и др.); способы использования различных устройств и организация их работы (например, организация системы прерываний или организация прямого доступа к памяти), устранение негативных явлений (например, таких, как фрагментация памяти) и др.  Коды, система команд, алгоритмы выполнения машинных операций, технология выполнения различных процедур и взаимодействия hard и soft, способы использования устройств при организации их совместной работы, составляющие идеологию функционирования ЭВМ, образуют функциональную организацию ЭВМ.  Реализована идеология функционирования ЭВМ может быть по-разному: аппаратурными, программно-аппаратурными или программными средствами. При аппаратурной и программно-аппаратурной реализации могут быть применены регистры, дешифраторы, сумматоры; блоки жесткого аппаратурного управления или микропрограммного с управлением подпрограммами (комплексами микроопераций); устройства или комплексы устройств, реализованные в виде автономных систем (программируемых или с жестким управлением) и др. При программной реализации могут быть применены различные виды программ - обработчики прерываний, резидентные или загружаемые драйверы, соm-, ехе- или tsr - программы, bat- файлы и др.  Способы реализации функций ЭВМ составляют структурную организацию ЭВМ. Тогда элементная база, функциональные узлы и устройства ЭВМ, программные модули различных видов (обработчики прерываний, драйверы, соm-, ехе-, tsr-программы, bat-файлы и др.) являются структурными компонентами ЭВМ.  При серьезных конструктивных различиях ЭВМ могут быть совместимыми, т.е. приспособленными к работе с одними и теми же программами (программная совместимость) и получению одних и тех же результатов при обработке одной и той же, однотипно представленной информации (информационная совместимость). Если аппаратурная часть электронных вычислительных машин допускает их электрическое соединение для совместной работы и предусматривает обмен одинаковыми последовательностями сигналов, то имеет место и техническая совместимость ЭВМ.  Совместимые ЭВМ должны иметь одинаковую функциональную организацию: информационные элементы (символы) должны одинаково представляться при вводе и выводе из ЭВМ, система команд должна обеспечивать в этих ЭВМ получение одинаковых результатов при одинаковых преобразованиях информации. Работой таких машин должны управлять одинаковые или функционально совместимые операционные системы (а для этого должны быть совместимы методы и алгоритмы планирования и управления работой аппаратурно-программного вычислительного комплекса). Аппаратурные средства должны иметь согласованные питающие напряжения, частотные параметры сигналов, а главное - состав, структуру и последовательность выработки управляющих сигналов.  При неполной совместимости ЭВМ (при наличии различий в их функциональной организации) применяют эмуляторы, т.е. программные преобразователи функциональных элементов.  Состав функциональных блоков и структурных средств неоднороден. Поэтому в большинстве случаев функциональная и структурная организация будут рассматриваться в тех разделах, которые посвящены соответствующим аппаратурной части (hardware) или программному обеспечению (Software). ^ Организация функционирования ЭВМ с магистральной структурой ЭВМ – это совокупность устройств выполненных на больших интегральных схемах имеющих функционированное назначение. Комплект интегральных схем называют микропроцессорным комплектом. ^ В состав микропроцессорного комплекта входят: - системный таймер - микропроцессор - сопроцессоры (организация математических процессов) - контроллер прерываний - контроллер прямого доступа к памяти - контроллеры устройств ввода/вывода. ^ Все устройства ЭВМ делятся на: 1).Центральные (полностью электронные БИС). 2).Периферийные (частично-электронные, частично-электромеханические с электронным управлением). В центральных устройствах основным устройством является системная шина (системная магистраль). ^ Системная магистраль состоит из трех узлов: 1).Шина данных (ШД) 2).Шина адреса (ША) 3).Шина управления (ШУ). В состав системной магистрали входят также: регистры защелки, шинные арбитры. Интерфейс системной шины – это логика работы системной магистрали, количество линий (разрядов) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций. ^ В состав центральных устройств ЭВМ входят: - центральный процессор - основная память - ряд дополнительных узлов выполняющих служебные функции - контроллер прерываний - контроллер прямого доступа к памяти - таймер. ^ Периферийные устройства делятся на: - внешнее запоминающее устройство (НЖМД – носитель жесткий магнитный диск, НГМД – носитель гибкий магнитный диск) - устройства ввода-вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, принтер, мышь, адаптер каналов связи (КС) и др. Управляющая работой ЭВМ программа перед началом выполнения загружается в основную память (ОП). Адрес первой выполняемой команды передается микропроцессору и запоминается в счетчике команд. ^ Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя Один из «прозрачных» процессов машины – это организация ввода, преобразование и отображение результатов работы системного программного обеспечения. Программа задания, написанная программистом на алгоритмическом языке называется исходным модулем. Перевод исходной программы на машинный язык осуществляет программа translator. Он делится на: компилятор и интерпретатор. Интерпретатор – после перевода на язык машины каждого оператора исходного модуля немедленно его исполняет. Компилятор – сначала полностью переводит всю программу исходного модуля на машинный язык, затем его исполняет. Объектный модуль – машинный язык. Полученный объектный модуль записывается в библиотеку объектных модулей или сразу исполняется. Для исполнения отлаженного объектного модуля к нему могут быть добавлены недостающие программы из библиотеки компиляторов. Такую связь выполняет программа редактор связи. В результате образуется загрузочный модуль. Исполнение загрузочного модуля осуществляется программой – загрузчиком. Операционная система (ОС) – выполняет функцию управления. ^ Структура адресного пространства программы на основную память Для выполнении программы при ее загрузки в оперативную память (ОП) ей выделяется часть машинных ресурсов. Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом, но может производиться и ОС. Выделение ресурсов перед выполнением программы называется статическим перемещением, в результате, которого программа привязывается к определенному месту памяти. Если ресурсы машины выделяются в процессе выполнения программы, то это называется динамическим перемещением, здесь программа не привязана к определенному месту. ^ При статическом перемещении возможны два случая: 1).Реальная память больше требуемого адресного пространства программы. В этом случае загрузка программы в реальную память производится, начиная с нулевого адреса. Эта загружаемая программа называется абсолютной программой. 2).Реальная память меньше требуемого адресного пространства. В этом случае возникает проблема организации выполнения программ. ^ Существует несколько методов решения этой проблемы: - метод оверлейной структуры, в котором программа разбивается на части вызываемые ОП по мере необходимости. - Метод рентабельных модулей, в котором программа разбивается на временные модули доступными к исполнению по нескольким обращениям. В мультипрограммном режиме имеются программы. А, В, С. При работе в мультипрограммном режиме может сложиться в ситуации, когда между программами остаются промежутки свободной памяти. Для того чтобы этого не было, применяют программу дефрагментации диска. ^ Виртуальная память Реальную память можно «увеличить» имитируя работу с максимальной памятью. Программист предполагает, что ему предоставлена «реальная» память максимально доступная для ЭВМ. Такой режим называют режим виртуальной памяти. Виртуальной памятью называется теоретически доступная ОП объем, которой определяется только адресной частью команды. Виртуальная память имеет сигментоно-страничную организацию и реализована в иерархической системе ЭВМ. Часть ее размещается в блоках основной памяти, а часть в ячейках внешней памяти. Записываемая область во внешней страничке памяти называется ячейкой или слотом. Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной памяти. Загрузить программу в виртуальную память – это, значит, перезаписать несколько страниц из внешней страничной памяти в основную. ^ Система прерываний ЭВМ ЭВМ – это комплекс автономных устройств каждое, из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимого от других устройств. Включает в работу центральный процессор (ЦП), передавая устройству команды и необходимые параметры. Таким образом, ЦП переключает свое «внимание» поочередно с устройства на устройство. Для того чтобы ЦП работал, создана система прерываний. Принцип действия системы прерываний заключается в том, что при выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяется содержание регистра. ^ Прерывания делят на три типа: - аппаратурные - вырабатываются устройствами, требующими внимания микропроцессора; - логические - вырабатываются внутри микропроцессора при появлении «нештатных» ситуаций; - программные - формируется по команде