- •Вычислительные машины (конспект лекций) однопроцессорные эвм
- •Часть 1
- •1.1. Два класса эвм 5
- •1.1. Два класса эвм
- •1.2. Немного истории
- •1.3. Принципы действия эвм
- •1.4. Понятие о системе программного (математического) обеспечения эвм
- •1.5. Поколения эвм
- •1.6. Большие эвм общего назначения
- •1.6.1. Каналы
- •1.6.2. Интерфейс
- •1.7. Малые эвм
- •Вопросы для самопроверки
- •2. Представление информации в эвм
- •2.1. Позиционные системы счисления
- •2.2. Двоичная система счисления
- •2.2.1. Преобразование двоичных чисел в десятичные
- •2.2.2. Преобразование десятичных чисел в двоичные
- •2.2.3. Двоично-десятичная система счисления
- •2.3. Восьмеричная система счисления
- •2.4. Шестнадцатеричная система счисления
- •2.5. Двоичная арифметика
- •2.5.1. Сложение
- •2.5.2. Вычитание
- •2.5.3. Умножение
- •2.5.4. Деление
- •2.6. Прямой, обратный и дополнительный коды
- •2.6.1. Прямой код
- •2.6.2. Обратный код
- •2.6.3. Дополнительный код
- •2.6.4. Сложение и вычитание в дополнительном коде
- •2.6.5. Признак переполнения разрядной сетки
- •2.6.6. Деление в дополнительном коде
- •2.6.7. Правило перевода из дополнительного кода в десятичную систему
- •2.6.8. Модифицированные коды
- •2.6.9. Арифметика повышенной точности
- •2.7. Представление дробных чисел в эвм. Числа с фиксированной и плавающей запятой
- •2.7.1. Числа с фиксированной запятой
- •2.7.2. Числа с плавающей запятой
- •2.7.3. Сложение (вычитание) чпз
- •2.7.4. Умножение чпз
- •2.7.5. Методы ускорения умножения
- •2.7.6. Деление чисел с плавающей запятой
- •2.8. Десятичная арифметика
- •2.8.1. Сложение двоично-десятичных чисел
- •2.8.2. Вычитание модулей двоично-десятичных чисел
- •2.8.3. Умножение модулей двоично-десятичных чисел
- •2.8.4. Деление модулей двоично-десятичных чисел
- •2.9. Нарушение ограничений эвм
- •2.10. Представление буквенно-цифровой информации
- •2.11. Заключительные замечания
- •Вопросы для самопроверки
- •Контрольные задания к теме 2
- •Форма 1. Ответы на вопросы
- •Форма 2. Выполнение арифметических операций над числами
- •Пример выполнения контрольного задания (форма 2)
- •3. Принципы построения элементарного процессора
- •3.1. Операционные устройства (алу)
- •3.2. Управляющие устройства
- •3.2.1. Уу с жесткой логикой
- •3.2.2. Уу с хранимой в памяти логикой
- •3.2.2.1. Выборка и выполнение мк
- •3.2.2.3. Кодирование мк
- •3.2.2.4. Синхронизация мк
- •Вопросы для самопроверки
- •Контрольные задания к теме 3
1.4. Понятие о системе программного (математического) обеспечения эвм
Каждая ЭВМ обладает определенными свойствами, такими как возможность обрабатывать информацию в той или иной форме, возможность выполнять арифметические и логические операции, операции, связанные с организацией совместной работы устройств машины и т.д.
Для придания определенных свойств ЭВМ используют средства двух видов – аппаратныеипрограммные (hard & soft). Последние называются также средствамипрограммного обеспечения.
Часть свойств ЭВМ приобретает благодаря наличию в ней электронного и электромеханического оборудования, специально предназначенного для реализации этих свойств. Примером такого устройства является АЛУ.
Ряд других свойств реализуется без специальных электронных блоков с помощью программных средств. При этом используются имеющиеся аппаратные средства ЭВМ, выполняющие действия, предписанные специальными программами.
Так, например, ЭВМ может не иметь аппаратно реализованной операции извлечения корня. Но если есть программа извлечения корня, то существующие аппаратные средства могут выполнить эту операцию. Причем, с точки зрения пользователя, ЭВМ приобретет свойство вычисления корня.
Следует иметь в виду, что с помощью аппаратных средств соответствующие функции ЭВМ выполняются значительно быстрее, чем программным путем, но при этом ЭВМ становится сложнее и дороже. Всвязи с этим в ЭВМ с достаточно простыми процессорами стремятся как можно больше функций реализовать программным путем, а в мощных ЭВМ для повышения быстродействия – по максимуму использовать аппаратные средства.
Вообще же стремятся как можно оптимальнее соотнести аппаратные и программные средства, чтобы при умеренных аппаратных затратах и стоимости достигнуть высокой эффективности и быстродействия.
Таким образом, аппаратные и программные средства являются тесно связанными компонентами современной ЭВМ. Поскольку с точки зрения пользователя, как правило, неважно аппаратно или программно выполнены те или иные функции, можно говорить о виртуальной(кажущейся) ЭВМ.
Система программного (математического) обеспечения– это комплекс программных средств, в котором можно выделить операционную систему, комплект программ технического обслуживания и пакеты прикладных программ. На рис. 1.2 изображена упрощенная структура вычислительной системы как совокупности аппаратных и программных средств.
Операционная система (ОС) – это центральная и важнейшая часть программного обеспечения ЭВМ, предназначенная для эффективного управления вычислительным процессом, планирования работы и распределения ресурсов ЭВМ, автоматизации процесса подготовки программ и организации их выполнения при различных режимах работы машины, облегчения общения оператора и пользователя с машиной.
ОС состоит из программ, относящихся к двум большим группам.
Управляющие программыосуществляют управление работой устройств ЭВМ, т.е. координируют работу устройств в процессе ввода, подготовки и выполнения других программ.
Обрабатывающие программыосуществляют работу по подготовке новых программ для ЭВМ и исходных данных для них, например, сборку отдельно транслируемых модулей в одну или несколько исполняемых программ, работы с библиотеками программ, перезаписи массивов информации между ВП и ОП и т.д.
ОС в большинстве случаев являются универсальными и не учитывают особенности конкретных аппаратных средств. В современных ЭВМ для адаптации универсальной ОС к конкретным аппаратным средствам используют аппаратно-ориентированную часть операционной системы, которая в персональных компьютерах называется BIOS (Basic Input / Output System – базовая система ввода/вывода).
Следует иметь в виду, что оператор и пользователь не имеют прямого доступа к аппаратным средствам ЭВМ. (В частном случае, например при работе с персональным компьютером, оператор и пользователь являются одним и тем же лицом.) Все связи осуществляются только через ОС, обеспечивающую определенный уровень общения человека и машины. А уровень общения определяется в первую очередь уровнем языка, на котором оно происходит. На схеме представлена приближенная иерархия таких языков.
Проблемно-ориентированный– это язык, строго ориентированный на какую-либо проблему (моделирование сложных технических и экономических систем, САПР самых различных направлений, задачи анимации и т.д.).
Процедурно-ориентированный– это язык, ориентированный на выполнение общих процедур переработки данных (Фортран, Паскаль, Бейсик и т.д.).
Машинный язык– это самый нижний уровень языка. Команды записываются в виде двоичных кодов. Адреса ячеек памяти – абсолютные. Программирование очень трудоемко.
Ассемблер– это язык более высокого уровня, использующий мнемокоды (т.е. команды обозначаются буквенными сочетаниями). Запись программы ведется с использованием символических адресов, т.е. вместо численных значений адреса используются имена, за исключением первого оператора программы, который жестко привязан к физическому адресу. (Вообще, более правильно говорить языкассемблера, посколькуАссемблер–служебная программа, преобразующая символические имена команд и символические адреса в команды в машинном коде и числовые адреса.)
Макроязык– в первом приближении его можно определить как язык процедур, написанных на языке ассемблера, т.е. когда вместо целого комплекса команд (которые часто встречаются) используется только имя (название) этого комплекса.
Язык ОС– это язык, на котором оператор может выдавать директивы ОС, вмешиваться в ход вычислительного процесса.
Пакет программно-технического обслуживанияпредназначен для уменьшения трудоемкости эксплуатации ЭВМ. Эти программы проводят тестирование работоспособности ЭВМ и ее отдельных устройств, определяют места неисправностей.
Пакеты прикладных программпредставляют собой комплексы программ для решения определенных, достаточно широких классов задач (научно-технических, планово-экономических), а также для расширения функций ОС (управление базами данных, реализация режимов телеобработки данных, реального времени и др.).
Все это, как уже отмечалось, в совокупности с аппаратными средствами составляет вычислительную систему. Причем при создании новых ЭВМ разработка аппаратного и программного обеспечения производится одновременно. В настоящее время программное обеспечение – такой же вид промышленной продукции, как и сама ЭВМ, причем его стоимость зачастую дороже аппаратной части.
Сложность современных вычислительных систем (ВС) привела к возникновению понятия архитектуры ВС. Это понятие охватывает комплекс общих вопросов построения ВС, существенных в первую очередь для пользователя, интересующегося главным образом возможностями ЭВМ, а не деталями ее технического исполнения. К числу таких вопросов относятся вопросы общей структуры, организации вычислительного процесса и общения пользователя с машиной, вопросы логической организации представления, хранения и преобразования информации и вопросы логической организации совместной работы различных устройств, а также аппаратных и программных средств машины.