Лекции ВССиТ / Лекция 4

5

Лекция 4. Основные принципы организации работы вычислительных машин и систем.

Принципы организации вычислительного процесса базируются на концепции Дж. Фон Неймана. Согласно этой концепции имеется автономно работающая ВМ, состоящая из Устройства управления (УУ), Арифметико-логического устройства (АЛУ), Основной памяти и устройства ввода-вывода.

В связях, соединяющих устройства, выделены потоки данных, команд и управления. Преобразование данных осуществляется последовательно под централизованным управлением от программы, состоящей из набора команд. Набор команд составляет машинный язык низкого уровня.

Для организации ВМ были предложены следующие принципы:

1. Двоичное кодирование информации, разделение ее на слова фиксированной разрядности.

2. Линейно-адресная организация памяти. (N ячеек по n разрядов.) Аппаратные средства для записи, хранения и чтения слова из n двоичных разрядов называют ячейкой памяти. Ячейки пронумерованы по порядку (0, 1, 2, …, N-1). Номер ячейки – адрес. В командах программы адрес является именем переменной, хранящейся в соответствующей ячейке.

3. Представление алгоритма программой, состоящей из команд. Команда – это предписание, определяющее шаг процесса выполнения программы. Она содержит Код операции, адреса операндов и другую служебную информацию.

4. Хранение команд и данных в одной памяти. Различие их заключается только в способе использования и интерпретации считанного из памяти слова.

5. Вычислительный процесс организуется как последовательное выполнение команд в порядке, определяемом программой.

6. Жесткость архитектуры – неизменность в процессе работы ВМ, ее структуры, списка команд, методов кодирования данных.

При работе ВМ наиболее интенсивное взаимодействие осуществляется между АЛУ и УУ. С развитием элементной базы эти устройства объединили позднее в один блок, который получил название процессор.

Все устройства ВМ делятся на центральные и периферийные. Центральные устройства полностью электронные, периферийные могут быть либо электронными, либо механическими с электронным управлением.

В состав центральных устройств входят центральный процессор, основная память и ряд дополнительных узлов, выполняющих служебные функции.

Основным узлом, связывающим микропроцессорный комплект в единое целое, является системная магистраль (системная шина). Она состоит из трех типов шин: шина данных, шина адреса, шина управления. В состав системной магистрали входят регистры защелки, в которых запоминается передаваемая информация, шинные арбитры, определяющие очередность доступа к системной магистрали и др.

Логика работы системной магистрали, количество разрядов (линий) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении различных устройств машины к системной магистрали, образуют интерфейс системной шины.

Периферийные устройства делятся на два вида: внешние ЗУ (НМД, НГМД, НМЛ) и устройства ввода-вывода: клавиатура, монитор, принтер, мышь, адаптер каналов связи и т.д.

Организация функционирования компьютера с магистральной архитектурой.

Управляющая работой компьютера программа перед началом выполнения загружается операционной системой в основную память. Адрес первой выполняемой команды передается микропроцессору и запоминается в счетчике команд.

Начало работы процессора заключается в том, что адрес из счетчика команд (в счетчике команд всегда хранится адрес очередной команды) выставляется на шину Адреса системной магистрали. Одновременно на шину управления выдается команда «выборка из основной памяти», которая воспринимается основной памятью. Получив с шины управления системной магистрали команду, основная память считывает адрес с шины адреса, находит ячейку с этим номером и ее содержимое выставляет на шину данных, а на шину управления выставляет сигнал о выполнении команды. Процессор, получив по шине управления сигнал об окончании работы оперативной памяти, вводит число с шины данных на внутреннюю магистраль МП и, через нее пересылает введенную информацию в регистр команд.

В регистре команд полученная команда разделяется на кодовую и адресную части. Код команды поступает в блок управления для выработки сигналов, настраивающих МП на выполнение заданной операции и для определения адреса следующей команды (который сразу заносится в счетчик команд). Адресная часть команды выставляется на шину адреса системной магистрали и сопровождается сигналом «выборка из ОП» на шине управления. Выбранная из оперативной памяти информация через шину данных поступает на внутреннюю магистраль МП, с которой вводится в арифметико-логическое устройство. На этом заканчивается подготовка микропроцессора к выполнению операции и начинается ее выполнение в АЛУ.

Результат выполнения операции выставляется микропроцессором на шину данных, на шину адреса выставляется адрес оперативной памяти, по которому этот результат необходимо записать, а на шину управления выставляется команда «запись в ОП». Получив с шины управления команду, ОП считывает адрес и данные с системной магистрали, организует запись данных по указанному адресу и после выполнения команды выставляет на шину управления сигнал, что число записано. Процессор, получив этот сигнал, начинает выборку очередной команды: выставляет адрес из счетчика команд на шину адреса, формирует команду «выборка из ОП» на шине управления и т.д.

В каждом цикле, получив команду в регистр команд и выделив код операции, процессор определяет, к какому устройству она относится. Если команда должна выполниться процессором, организуется ее выполнение по описанному циклу. Если же команда должна выполниться в другом устройстве компьютера, центральный процессор передаст ее соответствующему узлу. Процесс передачи команды другому устройству предусматривает следующие действия: ЦП выставляет на шину адреса системной магистрали адрес интересующего его устройства. По шинам управления передается сигнал «поиск устройства». Все устройства, подключенные к системной магистрали, получив этот сигнал, читают номер устройства с шины адреса и сравнивают его со своим номером. Устройства, для которых эти номера не совпадают, на эту команду не реагируют. Устройство с совпавшим номером, вырабатывает сигнал отклика по шине управления. ЦП, получив сигнал отклика, в простейшем случае выставляет имеющуюся у него команду на шину данных и сопровождает ее по шине управления сигналом «передаю команду». Получив сигнал о приеме команды, ЦП переходит к выполнению очередной своей команды, выставляя на шину адреса содержимое счетчика команд.

В более сложных случаях, получив сигнал, что устройство откликнулось, прежде чем передавать команду, ЦП запрашивает устройство о его состоянии. Текущее состояние закодировано в байте состояния. Если устройство включено и готово к работе, то байт состояния – нулевой. Наличие в нем единиц свидетельствует о нештатной ситуации, которую ЦП попытается проанализировать и при необходимости известит пользователя о сложившейся ситуации.

Взаимодействие МП с внешними устройствами предусматривает выполнение логической последовательности действий, связанных с поиском устройства, определением его технического состояния, обменом командами и информацией. Эта логическая последовательность действий вместе с устройствами, реализующими ее, получила название интерфейс ввода-вывода.

Для различных устройств могут использоваться разные логические последовательности действий, поэтому интерфейсов ввода-вывода может в одной и той же машине использоваться несколько. Если их удается свести к одному, универсальному, то такой интерфейс называется стандартным. Например, в ПК есть три стандартных интерфейса для связывания ЦП с внешними устройствами: параллельный и два последовательных (типа RS-232 и USB).

Если при обращении ЦП к внешнему устройству продолжение выполнения основной программы ЦП возможно только после завершения операции ввода-вывода, то ЦП, запустив внешнее устройство, переходит в состояние ожидания и находится в нем до тех пор, пока внешнее устройство не сообщит ему об окончании обмена данными. Такой режим работы получил название однопрограммного (однозадачного) в каждый момент времени все устройства находятся в состоянии ожидания, и только одно выполняет основную (и единственную) программу.

Для повышения эффективности работы оборудования внешние устройства сделаны автономными: получив от ЦП необходимую информацию, они самостоятельно организуют работу по обмену данными. Процессор же, запустив внешнее устройство, пытается продолжить выполнение программы. При необходимости ЦП может запустить в работу несколько других устройств. Если же ему приходится переходить в режим ожидания, то пользуясь тем, что в ОП может одновременно находиться не одна, а несколько программ, ЦП переходит к выполнению очередной программы. Такой режим работы компьютера называется многопрограммным (многозадачным).