Учебники 80389

сумматора, они объединяются в группы, внутри которых перенос сквозной (параллельный), а между группами он может быть как параллельный, так и последовательный. При этом сигнал переноса, поступающий на вход младшего разряда группы сумматоров, при наличии условий распространения переноса во всех разрядах этой группы передается на вход младшего разряда более старшей соседней группы.

Глава 4. Архитектура и структура вычислительных машин и систем

Множество современных вычислительных машин, систем, сетей включает в себя:

•обычные вычислительные машины;

•вычислительные комплексы (системы), в том числе многопроцессорные машины;

•суперкомпьютеры;

•вычислительные сети;

4.1. Базовые представления об архитектуре ЭВМ

Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации

Принципы (архитектура) фон Неймана

В основу построения большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

41

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очерёдной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов (ветвления), которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции - перевода текста программы с языка программирования высокого уровня наязык конкретной машины.

3.Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Здесь, например, может не выполняться принцип программного управления, т. е. они могут работать без счетчика (регистра адреса) команд, указывающего на выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

4.2. Логические узлы (агрегаты) ЭВМ, простейшие типы архитектур

Центральное устройство. ЦУ представляет основную компоненту ЭВМ и, в свою очередь, включает ЦП - центральный процессор и ОП - оперативную (главную) память.

42

Процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управления вычислительным процессом, осуществляя выборку машинных команд и данных из оперативной памяти и запись в ОП, включение и отключение ВУ. Основными блоками процессора являются:

•устройство управления (УУ) с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);

•арифметико-логическое устройство (АЛУ);

•процессорная память (внутренний кэш).

Оперативная память предназначена для временного хранения данных и программ в процессе выполнения вычислительных и логических операций.

ЦУ описывается следующими характеристиками:

•длина машинного слова (разрядность, адресность);

•система команд;

•объем ОП;

•быстродействие (тактовая частота процессора, цикл записи / считывания ОП).

Внешние устройства (ВУ). ВУ обеспечивают эффективное взаимодействие компьютера с окружающей средой - пользователями, объектами управления, другими машинами. ВУ разделяются на следующие группы:

•интерактивные устройства (ввода/вывода);

•устройства хранения (массовые накопители

•устройства массового ввода информации;

•устройства массового вывода информации.

Вспециализированных управляющих ЭВМ (технологические процессы, связь, ракеты и пр.) внешними устройствами ввода являются датчики (температуры, давления, расстояния и пр.), вывода - манипуляторы (гидро-, пневмо-, сервоприводы рулей, вентилей и др.).

Вуниверсальных ЭВМ (человеко-машинная обработка информации)

вкачестве ВУ выступают терминалы, принтеры и др. устройства.

Каналы связи (внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения центральных узлов машины с ее внешними устройствами.

Однотипные ЦУ и устройства хранения данных могут использоваться в различных типах машин. Известны примеры того, как фирмы, начавшие свою деятельность с производства управляющих машин, совершенствуя свою продукцию, перешли к выпуску систем, которые в зависимости от конфигурации ВУ могут исполнять как роль универсальных, так и управляющих машин (Hewlett Packard и Digital Equipment Corporation).

Если абстрагироваться от подробностей, то основные классические типы архитектур можно определить как следующие: «звезда» (рис. 4.1.а), иерархическая (рис. 4.1.б), магистральная (рис. 4.1.в).

Архитектура «звезда». Здесь ЦУ (рис. 4.1, а) соединено непосредст-

43

•центральный процессор (ЦП), включающий АЛУ и УУ;

•запоминающие устройства - память, в том числе оперативная (ОП)

ивнешние ЗУ;

•устройства ввода и устройства вывода информации - внешние (периферийные) устройства (ВУ).

Иерархическая архитектура (рис. 4.1.б, рис. 4.3) - ЦУ соединено с

УУ

Рис. 4.2 Структурная схема ЭВМ 1-го и 2-го поколения (архитектура фон Неймана), «звезда»

периферийными процессорами (вспомогательными процессорами, каналами и пр.), управляющими в свою очередь контроллерами, к которым подключены группы ВУ (системы IВМ 360 - 375).

Магистральная структура (общая шина - unibas, рис. 4.1.в, рис. 4.4)

Рис. 4.3 Структурная схема ЭВМ 3-го поколения (иерархическая)

- процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимодействуют между собой и с ВУ (контроллерами ВУ) через внутренний канал, общий для всех устройств (машины DЕС, ПЭВМ IВМ РС - совместимые).

44

К этому типу архитектуры относится также архитектура персонального компьютера: функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов ма-

КПД Таймер

Рис. 4.4 Структурная схема ПЭВМ

гистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер - устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Все перечисленные архитектурные элементы ЭВМ базируются на следующих схемных элементах и базовых узлах:

• память обычно использует возможности и свойства триггера или его аналогов;

•счетчик (регистр) адреса команд, очевидно, есть схемный узел «счетчик»;

•сумматор - или полный сумматор, или полусумматор;

•дешифратор (например, команд) тоже здесь присутствует.

4.3. Персональный компьютер

История персональных компьютеров (ПК) началась в 80-е гг. XX в., когда практически одновременно компании Motorola, Zilog и Intel выпустили на рынок достаточно мощные микропроцессоры М68000, Z80 иIntel 8086.

На этих микропроцессорах были построены первые микрокомпьютеры (ПК):

•Каурго II (Zilog);

•Macintosh 128K (Motorola);

•IBM PC XT (Intel — INTegrated ELectronics).

Поскольку в дальнейшем основное внимание будет уделено IBM/PCсовместимым ПК и их «потомкам», вначале вкратце остановимся на параллельных ветвях развития ПК.

45

Каурго II был представлен публике в августе 1982 г. Несмотря на название, это была первая модель компании Э. Кея (Andrew F. Kay) NonLinear Systems, Inc., позже переименованной в Каурго Corporation.

При весе более десяти килограмм, Каурго II позиционировался как переносная система. Возможность работы в полевых условиях была подтверждена во время ралли Париж-Дакар в 1984 г., на котором организаторами использовалось десять компьютеров Каурго II.

Технические характеристики этой модели близки к системе Osborne 1, выпускаемой фирмой А. Осборна, и НР-85 (Hewlett-Packard). При близости возможностей Каурго II был почти вдвое легче Osborne 1, что для переносной системы имеет первоочередную важность, и на два года «моложе» НР-85.

Каурго II оснащался процессором Zilog Z80 с тактовой частотой 2,5 МГц. Объем ОЗУ составлял 64 Кб, ПЗУ - 2 Кб. Встроенный дисплей размером 9" был способен работать в текстовом режиме 80 х 24, поддержка графического режима не предусматривалась. Клавиатура компьютера была довольно удобной, с курсорными и цифровыми клавишами. Устройством хранения данных служили два дисковода для односторонних 5,25" дисков двойной плотности емкостью 190 Кб. Работал Каурго II под управлением ОС СР/М (Control Program for Microprocessor) истоилнамоментвыхода1795 долл.

Модель 128К — первый продукт в семействе компьютеров Macintosh. Корпорация Apple представила ее в январе 1984 г., развернув интенсивную маркетинговую кампанию. «Если уж компьютеры так умны, — говорилось в одной из реклам, — то не лучше ли научить их общаться с человеком, чем учить людей общаться с компьютером?»

Macintosh 128K базировался на 32-разрядном микропроцессоре Motorola 68000 с тактовой частотой 8 МГц, имел 128 Кб ОЗУ, 64 Кб ПЗУ, односторонний флоппи-дисковод (400 Кбайт; 3,5"), встроенный 9" чернобелый экран с графическим разрешением 512x342 точки, оснащался, помимо клавиатуры, манипулятором «мышь» и весил 20 фунтов (8 кг).

Многое в новом компьютере было заимствовано из разработок исследовательского центра PARC компании Xerox, 15 специалистов которой в начале 1980-х гг. перешли на работу в Apple. Именно благодаря достижениям PARC возникли система «окон» на экране, интерфейс, основанный на символических изображениях действий, устройство «мышь».

Первый Macintosh стоил в пять раз дороже, чем требовали спецификации проекта — 2495 долл. вместо 500 долл. Но продажи шли очень успешно и за первые 9 месяцев было реализовано 275 тыс. компьютеров.

«Мак», как вскоре окрестили поклонники новую машину, принес Apple грандиозный успех. Владельцы компьютеров других типов завидовали графическим средствам «Мака» и простоте обращения с ним. Программы, позволявшие использовать «окна» и «мышь»- в компьютерах других моделей, раскупались нарасхват.

46

Однако очень скоро пользователи Macintosh 128К столкнулись с проблемой слишком малого объема оперативной памяти, при том, что возможностей для расширения ОЗУ конструкцией модели предусмотрено не было. Посыпались многочисленные нарекания, побудившие корпорацию Apple усовершенствовать свой продукт, и уже осенью того же 1984 г. был

шина управления

шина данных шина адреса

Рис. 4.5 Обобщенная структурная схема вычислительной машины

представлен новый «Мак» — модель Macintosh 512K (модель Macintosh 128К была снята с производства в октябре 1985 г.).

ЭВМ имеет три внутренние шины (их может быть две и даже одна): шины адресов ША, шины данных ШД и шины управлений ШУ, к которым подключаются все устройства, входящие в ЭВМ рис. 4.5.

Устройства, с которых производится ввод информации, подключатся к портам ввода. Устройства, на которые информация выводится, подключаются к портам вывода. К шинам же подключаются и устройства хранения информации (памяти).

Перед вводом информации с внешнего устройства подается сигнал на открытие порта ввода, к которому это устройство подключено; после подачи команды разрешения на ввод дается сигнал управления вводом. На основании этих сигналов (команд) открывается порт ввода, и через устройство ввода данные поступают в память или процессор. Перед выводом информации также указывается порт вывода, подаются сигналы разрешения и управления выводом.

47

Обращение к памяти двунаправленное - запись информации в память и ее считывание из памяти. При обращении к памяти адрес ячейки, куда будет помещаться или откуда будет считываться информация, указывается через регистр адреса памяти, подаются сигналы управления записью (считыванием) и через регистр данных информация извлекается из указанной ячейки или записывается в нее.

Программный счетчик процессора считывает номера выполняемых команд, которые соответствуют их адресам в программе. Выполняемая команда загружается в регистр команд, где хранится в течение всего времени ее выполнения, и на основании формируемых по этой команде сигналов происходит обращение в память, порты ввода-вывода и выполнение команды.

Конструктивно ПК чаще всего выполнены в виде центрального (системного) блока, к которому через разъемы (стыки) подключаются внешние устройства: клавиатура, дисплей, принтер и т. д.

Системный блок обычно включает в себя: системную плату, блок питания, накопители на дисках,

разъемы для дополнительных устройств; платы расширения с контроллерами — адаптерами внешних уст-

ройств.

В зависимости от его конфигурации и размеров корпуса определяются такие характеристики ПК, как возможность дальнейшего расширения, транспортировка, доступ к компонентам и т. д. Типы корпусов: Slimline, Desktop, Tower (Mini-Tower, Midi-Tower, Super-Big-Tower), File Server.

Системная плата является основой системного блока, который обеспечивает внутренние связи, взаимодействует через прерывания с внешними устройствами и содержит компоненты, определяющие архитектуру ПК. Системные платы с различными микропроцессорами отличаются друг от друга по типам применяемых элементов и модулей памяти, возможностям конфигурирования и т. д. Набор микросхем на системной плате, обеспечивающий работу ЦПпообменуданнымиспериферийнымиустройствами, называютChipset.

Чипсет ( Chipset), или «PCIset» — совокупность микросхем, размещенных на системной плате, которые организуют потоки команд и данных в ПЭВМ. Сюда входят: основная память, вторичная кэш-память и устройства, связанные с шинами ISA и PCI. Кроме того, чипсет контролирует потоки данных НЖМД и других устройств, соединенных с каналом IDE. Иногда в состав чипсета включают и сам микропроцессор.

48

Упрощенная блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы и их взаимосвязи, изображена на рис. 4.6.

Рис. 4.5. Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами

49

4.4. Структура моделирующего компьютера и принцип его действия

Модель компьютера рис.4.7 включает:

Рис. 4.7 Структура моделирующего компьютера

Память (запоминающее устройство емкостью 32 слова, 1 слово - 8

бит).

Числовые значения представляются двоичными числами 8 бит, а отрицательные числа — дополнительным кодом двоичных чисел.

В качестве метода управления используется последовательное выполнение команд, а команда одноадресная. Программа хранится в памяти, а установка пускового адреса программы и индикация начала ее выполнения ведутся всецело вручную.

Такой метод хранения программы в памяти и выполнение программы путем последовательной выборки команд называется методом загруженной программы, и именно благодаря этому в настоящее время расширена область применения ЭВМ.

Регистры распределяются следующим образом:

50