5.2. Технические средства реализации информационных процессов

5.2.1. Основные устройства эвм, принципы их взаимодействия. Структурная схема эвм.

Реализация функций ЭВМ, рассмотренных выше, осуществляется отдельными функциональными подсистемами:

• подсистемой ввода данных;

• подсистемой хранения данных;

• подсистемой преобразования данных;

• подсистемой вывода данных.

Все подсистемы ЭВМ связаны между собой каналами обмена данными и командами управления. Каждая подсистема представляется как совокупность специальных устройств ЭВМ. Так, подсистемы ввода и вывода данных представлены устройствами ввода-вывода, подсистема хранения данных - оперативной и внешней памятью, подсистема преобразования данных - процессором.

Взаимодействие этих подсистем можно представить общей принципиальной схемой, предложенной в 1946 году одним из создателей первых ЭВМ американцем Джоном фон Нейманом (рис.1).

Рис.1 Принципиальная схема ЭВМ

Процессор - устройство ЭВМ, обеспечивающее обработку данных по заданной программе. Процессор также организует обмен данными и командами между устройствами ЭВМ.

Оперативная память предназначена для хранения программ и данных и последующей передачи их другим устройствам ЭВМ в процессе обработки.

Внешняя память предназначена для долговременного хранения программ и данных.

Устройства ввода-вывода предназначены для ввода, корректировки и вывода программ и данных.

Конкретизируем принципиальную схему ЭВМ для более подробного рассмотрения (рис.2).

Рис.2 Структурная схема ЭВМ

Процессор (или "блок центрального процессора", ЦП - Central Processing Unit, CPU) представляет собой устройство, предназначенное для выполнения некоторого заданного набора операций по обработке данных и управления процессом этой обработки. Набор операций определяется конструкцией ЦП. Задания процессору на выполнение операций записываются в виде команд. Команда содержит сведения, необходимые процессору для выполнения операции: код операции, которая должна быть выполнена в данной команде, и, в зависимости от типа команды, или информацию об операндах, или информацию о том, куда поместить результат операции. Программа состоит из последовательности команд.

Процессор может выполнять обработку данных только при наличии заранее составленной программы. Программа и данные, необходимые для ее выполнения, хранятся в ОЗУ. Следовательно, для поиска команд в памяти и передачи их процессору необходимо определять их адрес. Автоматическая работа процессора по заданной программе обеспечивается двумя основными устройствами, входящими в его состав, - арифметико-логическим устройством или АЛУ (Arithmetic - Logical Unit, ALU) и устройством управления или УУ (Control Unit, CU). При этом используется регистровая память процессора. Регистры - устройства, предназначенные для кратковременного хранения данных в процессе их обработки и обеспечения быстрого доступа к ним.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет в ЭВМ роль главного вычислителя. Оно реализует простейшие операции с данными - арифметические, логические и сдвиговые (сложение и вычитание, умножение и деление, сравнение чисел "больше", "меньше" и т.д.).

УУ указывает АЛУ последовательность действий, источник получения, а также приемник результатов. УУ также управляет передачей информации по адресной шине и шине данных, воспринимает и обрабатывает служебные сигналы, следующие по управляющей шине.

При выполнении программы УУ формирует адрес команды в регистре адреса и, обращаясь к ячейке памяти с указанным адресом, в регистр команд считывает ее содержимое (команду). Затем УУ производит декодирование команды и определяет код операции. АЛУ выполняет указанную в команде операцию, необходимые данные при этом считываются в регистры общего назначения. Команды выполняются последовательно во времени и порядке, который определяет УУ, либо сама команда. После выполнения команды процесс выборки и интерпретации команд повторяется.

Память ЭВМ реализована в виде запоминающих устройств различных типов.

Запоминающее устройство (ЗУ) - устройство, способное принимать данные и сохранять их для последующего считывания.

Процессор может обрабатывать только программы и данные, находящиеся непосредственно во внутренней памяти, которая обычно состоит из двух частей: оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ).

Оперативное запоминающее устройство обеспечивает чтение находящихся в нем данных и запись в него новых данных. В ОЗУ также осуществляется хранение программ, по которым производится обработка данных. ОЗУ представляет собой совокупность ячеек памяти. Ячейки последовательно пронумерованы целыми числами, начиная с нуля. Номер ячейки ОЗУ называется ее адресом. ОЗУ позволяет обратиться к произвольной ячейке памяти путем указания ее адреса. Объем оперативной памяти определяется количеством ячеек памяти, содержащихся в ОЗУ (как правило, размер ячейки - один байт). ОЗУ не предназначено для длительного хранения находящихся в ней программ и данных, они могут многократно записываться и стираться.

Постоянное запоминающее устройство осуществляет только чтение однажды записанных в него специальных программ (микропрограмм, записанных на заводе-изготовителе). Содержимое ПЗУ не может быть изменено в результате работы процессора и других устройств ЭВМ. Чаще всего в ПЗУ хранят микропрограммы процессора, с помощью которых он организует различные операции низкого уровня (например, операцию умножения чисел - совокупность команд сложения и сдвига, операции ввода-вывода и др.).

Процессор и внутреннюю память называют центральными устройствами ЭВМ. Остальные устройства (ввода-вывода, внешние запоминающие устройства) называются внешними, или периферийными и подключаются к системной магистрали с помощью контроллеров.

Контроллер - специализированное устройство согласования работы центральных и внешних устройств.

Устройства ввода предназначены для ввода в память ЭВМ программ и данных, подлежащих обработке. Операции ввода осуществляются специализированными устройствами - как стандартными, так и нестандартными. К стандартным устройствам ввода относятся клавиатура и внешние запоминающие устройства, а к нестандартным устройствам ввода можно отнести мышь, модем, дигитайзер, сканер, аналого-цифровой преобразователь и т.д.

Устройства вывода предназначены для вывода данных и представления их в форме, удобной для дальнейшего использования. Устройства вывода также могут быть стандартными и нестандартными. К стандартным устройствам вывода относятся монитор (дисплей) и внешние запоминающие устройства. К нестандартным устройствам вывода относятся принтер (устройство печати), модем, плоттер (графопостроитель), цифро-аналоговый преобразователь и т.п.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения программ и данных. Эти устройства выполняются в виде различного рода накопителей (накопителей на гибких магнитных дисках (ГМД), жестких магнитных дисках (ЖМД), магнитооптических дисковых накопителей, накопителей на магнитной ленте и др.)

У ВЗУ есть два главных преимущества перед оперативной памятью:

• хранение данных не требует обеспечения энергией;

• объемы данных могут быть чрезвычайно большими.

Связь между устройствами ЭВМ осуществляется посредством системной шины (bus). По ней устройства ЭВМ обмениваются между собой сигналами, содержащими команды управления, данные и адреса. Кроме того, по ней передается питающее напряжение ко всем устройствам ЭВМ.

В составе системной шины, в зависимости от назначения передаваемых сигналов, как правило выделяют:

• адресную шину - канал для передачи адресов ОЗУ;

• управляющую шину - канал для передачи команд управления;

• шину данных - канал, по которому осуществляется передача данных.