4.3. Аппаратные средства цвм: память, процессор, периферийные устройства

Аппаратные средства любой алгоритмически универсальной ЭВМ можно разделить на три основные части: память, процессор и периферийные устройства (рис.2), причем число устройств па­мяти и процессоров в конкретных ЭВМ может варьировать от еди­ниц до нескольких десятков, а периферийных устройств – до не­скольких сотен штук. Память ЭВМ служит для хранения исходных данных, программ обработки информации, промежуточных и окончательных результатов. В современ-ных больших универсальных ЭВМ память представляет собой сложную много-уровневую систему. В этой системе можно выделить уровни сверхоперативной, опе- ра­тивной, буферной и внешней памяти. Каждый последующий уро­вень отличается от предыдущего важнейшими техническими характеристиками памяти – емкостью и быстродей­ствием. Емкостью памяти называется максимальное количество ин­фор-мации, которое может быть в ней записано. Быстродействие памяти характеризует- ся длительностью операций чтения и записи – двух основных операций, выполняе- мых в памяти ЭВМ. Для указан­ной последовательности уровней памяти емкость растет в направ­лении от сверхоперативной к внешней, а быстродействие уменьша ется в том же направлении. В состав памяти ЭВМ могут входить также и программ- ные средства, обеспечивающие управление пере­мещением информации по уровням па-мяти, упорядоченное размещение информации, проведение специаль­ных проверочных процедур и т. п. Такая память называется вирту­альной или математической памятью. В малых ЭВМ и микроЭВМ структура памяти существенно проще и включает один-два уровня (например, оперативную или оперативную и внешнюю).

Рис. 2

В процессоре ЭВМ сосредоточены все процессы по обработке ин­формации. Процессор состоит из арифметико-логического (операци­онного) устройства и уст-ройства управления. Арифметико-логиче­ским устройством (АЛУ) называется та часть процессора, которая пред­назначена для выполнения арифметических и логи-ческих операций над словами, поступающими из памяти ЭВМ. При этом слова (чи­сла), над которыми выполняется некоторая операция в АЛУ, называются операн-дами. Любое АЛУ имеет в своем составе несколько регистрови функциональных (комбинационных) схем. Регистры предназна­чены для хранения операндов в про- цессе выполнения операций, а с помощью функциональных схем выполняются не- обходимые пре­образования операндов при передаче их с одного регистра на дру- гой. Все операции в АЛУ реализуются как пространственно-временные последо-вательности некоторых элементарных операций (микроопераций) над словами, каж- дая из которых является сово­купностью операций над буквами, составляющими данные слова. К числу основных элементарных операций, выполняемых в АЛУ, от-носятся:

1. передача (прием, выдача) операнда (слова) на регистр;

2. сдвиг (арифметический, циклический, логический, модифи­цированный) опе-ранда на заданное число разрядов;

3. прибавление к слову или вычитание из него 1 (в более общем случае – неко-торой константы);

4. сравнение операндов (по принципу «больше – меньше –равно»);

5. поразрядные логические операции дизъюнкции, конъюнкции, равнозначности и сложения по модулю, равному значности алфавита;

6. суммирование двух операндов, представляющих числа в од­ной и той же сис- теме счисления;

7. преобразование кодов операндов, включая инверсию, допол­нение, дешифра- цию и др.

Перечисленные элементарные операции могут иметь несколько вариантов, например, сравнение может выполняться по принципу «равно – неравно» или как операция выделения большего операнда.

Устройство управления (УУ) в составе процессора предназна­чено для рас-шифровки команд и формирования последовательно­стей управляющих сигналов. Эти сигналы включают в работу от­дельные узлы процессора, что в итоге приводит к выполнению действий, указываемых командой. Для выполнения одной элементар­- ной операции в АЛУ необходимо подать один сигнал от УУ по це­пям управления. Известно три основных типа УУ – микропро­граммные, аппаратные и смешанные.

В микропрограммных УУ каждому управляющему сигналу со­ответствует определенное слово (часть слова), хранящееся в специ­альной памяти и называемое микрокомандой. Последовательности управляющих сигналов для некоторой опера- ции соответствует со­вокупность микрокоманд, называемая микропрограммой. Управ-ле­ние выполнением операции осуществляется путем чтения из микро­программной памяти микрокоманд и их преобразования в сигналы по управляющим цепям. Из-менение набора команд, выполняемых процессором, сводится к замене содержимо- го памяти микропро­грамм и не требует изменения состава аппаратных средств ЭВМ.

В аппаратных УУ управляющие сигналы формируются специ­альными аппа-ратными средствами (электронными схемами) и изменение ранее заложенной струк-туры последовательностей этих сиг­налов без изменений в аппаратных средствах здесь невозможно.

В УУ смешанного типа управление частью операций осуществ­ляется по микропрограммному способу, а другой частью — по ап­паратному способу.

Различают также централизованные и децентрализованные УУ. В централи-зованных УУ все управляющие сигналы, необходимые для выполнения любой операции, вырабатываются непосредствен­но в УУ. При децентрализованном управ-лении УУ состоит из цен­трального УУ (ЦУУ) и устройств местного управления (УМУ).

ЦУУ формирует только основные управляющие сигналы, обыч­но соответст-вующие виду выполняемой операции (например, «ум­ножение», «сложение» и т. п.). Эти сигналы воздействуют на УМУ, которые и вырабатывают сигналы выполнения отдельных элемен­тарных операций.

Периферийные устройства предназначены для преобразования формы пред-ставления информации при вводе ее в ЭВМ и выводе из ЭВМ. Значение пе-риферийного оборудования в обеспечении эффек­тивного использования ЭВМ очень велико. В этом плане ЭВМ без периферийных устройств (память и процессор) мож- но сравнить с энергонасыщенным трактором в сельском хозяйстве, для которого не изготовлены прицепные или навесные орудия обработки земли. Для создания пе-риферийного оборудования используется очень широкий круг физических эффектов и явлений. Принципы построе­ния н структуры периферийных устройств в значитель- ной степени зависят от конкретных их применений.

ЭВМ, которые не являются алгоритмически универсальными, а также ЭВМ, предназначенные для решения задач одного класса (или даже одной задачи с раз- ными исходными данными), относятся к классу специализированных ЭВМ (проб-лемно-ориентированных или ЭВМ с жесткой программой). Некоторые из основных техни­ческих характеристик (производительность, стоимость, надежность и др.) та- ких ЭВМ оптимизированы на конкретные применения. Специализированная ЭВМ (СЭВМ) имеет одну программу или на­бор переключаемых программ, записанных в память. К классу СЭВМ относятся и неалгоритмические ЭВМ, в которых вычисли­тельный процесс определяется не последовательностью и совокуп­ностью элемен-тарных операций в зависимости от внешней изменя­емой программы, а математичес-ким описанием процесса обработки информации, т. е. жесткой программой, поло-женной в основу по­строения внутренней структуры аппаратных средств и связей между ними.

Два направления развития средств ВТ — по пути создания универсальных и специализированных ЭВМ не исключают, а вза­имно дополняют друг друга. Уни-версальные ЭВМ имеют очень широкую область применения и выпускаются круп-ными сериями. Для решения же сравнительно узкого круга задач более эффектив- ны СЭВМ. Класс СЭВМ является областью апробации новых методов автоматиза- ции вычислений, которые затем получают дальней­шее внедрение в универсальных ЭВМ. К числу таких методов, например, относятся многоуровневая обработка ин-формации с распараллеливанием вычислительного процесса на отдельные неза­ви-симые ветви; децентрализация вычислений с помощью много­процессорных систем и аппаратно реализуемых подпрограмм (предпроцессоров); выполнение сложных математических операций и вычисление сложных функций аппаратным способом за одну команду; использование нетрадиционных систем счисления и способов пред-ставления информации; организация вычислений по принципу цифровой аналогии и др.

4. Иерархия аппаратных средств ЦВМ

Аппаратные средства как универсальных, так и специализиро­ванных ЭВМ характеризуются иерархическим принципом построе­ния, т. е. наличием совокупнос- тей таких единиц (элементов) коли­чества оборудования, которые при объединении их в систему не­которого уровня могут рассматриваться в качестве элементов в системах более высокого уровня и т. д. Это дает возможность использовать иерар-хический принцип описания струк­туры и функционирования аппаратных средств. По этому принципу каждому уровню систем соответствует такая степень детализа- ции описания, которая обеспечивает точность описания до элементов системы дан- ного уровня.

В ВТ принято считать первым иерархическим уровнем уровень электричес- ких схем, где в качестве элементов рассматриваются электронные компоненты (тран-зисторы, диоды, резисторы и пр.). Средством описания здесь служит аппарат теории электри­ческих и магнитных цепей.

На втором уровне – уровне логических схем – наименьшими единицами обо-рудования считаются логические и запоминающие элементы. Логическими элемен- тами называются простейшие комби­национные схемы, функционирование которых описывается одной переключательной функцией (элементным оператором). Запоми­нающий элемент – простейшее устройство памяти, обеспечива­ющее запись, хране- ние и чтение информации, количество которой равно одной букве. Средством опи-сания на этом уровне являются методы теории переключательных функций и структурной теории автоматов, что позволяет детализировать процессы обработки инфор­мации до операций над отдельными буквами алфавитов.

Третий уровень – уровень операционных узлов – описывает­ся теми же средствами, что и предыдущий уровень, с детализацией информационных процес- сов до элементарных операций (микроопе­раций) над отдельными словами. В качест- ве элементов на этом уров­не служат операционные узлы – аппаратные средства, выполня­ющие одну или несколько элементарных операций и построенные из логических и запоминающих элементов.

На четвертом уровне, называемом уровнем структурных схем, элементами считаются операционные блоки, объединяющие несколь­ко операционных узлов и выполняющие определенные законченные действия, указываемые командами программы. Состав и взаимодействие аппаратных средств здесь описываются с детализацией до отдельных операций из набора команд ЭВМ, выполняемых как по­следовательности элементарных операций. Средством описания ча­ще всего служат простейшие формальные языки типа операторных описаний (в линейно-строчном или графическом вариантах).

Пятый уровень – программный – предполагает детализацию процессов обработки информации до команд из операционных ре­сурсов ЭВМ или до отдельных программ. Элементами систем этого уровня являются АЛУ, УУ, устройства памяти, периферийное и коммуникационное оборудование ЭВМ, а в качестве средства опи­сания используются машинно-ориентированные или процедурно-ориентированные языки программирования.

Логические и запоминающие элементы, операци­онные узлы и блоки являются структурно-функциональными еди­ницами оборудования ЭВМ. В конструктивном же отношении прос­тейшими единицами аппаратных средств являются модули – части электронного оборудования, имеющие законченное оформление и стандартные средства механического и электрического сопряжения с другими подобными единицами. Модульный принцип является в настоящее время основным принципом конструирования ЭВМ и других устройств электронной техники. Модульные конструкции могут быть на всех иерархических уровнях аппаратных средств, например, модуль – процессор, модульное устройство памяти, мо­дуль АЛУ, модуль-регистр, модуль логических элементов (логи­ческая микросхема) и др.

9