Chast_1-Osnovy_informatiki

1 . Информационные процессы и средства их реализации

Структура ЭВМ определяет ее конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки, узлы и т. д.) и описывает связи между компонентами ЭВМ.

ЭВМ можно классифицировать по принципу действия, назначению, способам организации вычислительного процесса, размерам и вычислительной мощности, функциональным возможностям, способности к параллельному выполнению программ и т. д.

По принципу действия вычислительные машины можно разделить на три типа: цифровые, аналоговые и гибридные. Критерием деления здесь является форма представления информации, с которой они работают. Цифровые вычислительные машины работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме − в виде двоичных кодов. Они получили ши-

рокое распространение, и именно их подразумевают, когда говорят об ЭВМ. Аналоговые вычислительные машины работают с информацией, представленной в непрерывной форме, т. е. в виде непрерывного множества значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). Такие машины просты и удобны в эксплуатации, программирование задач для решения на них достаточно простое, однако точность решения невысокая. Гибридные вычислительные машины работают с информацией, представленной как в дискретной, так и в непрерывной форме.

По назначению ЭВМ можно разделить на универсальные, проблемноориентированные и специализированные. Универсальные (общего назначения) ЭВМ предназначены для решения самых разных инженернотехнических задач: экономических, математических, информационных и т. п., отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Для ЭВМ этого вида типичными являются высокая производительность, разнообразие форм обрабатываемых данных (двоичных, десятичных, символьных), разнообразие выполняемых операций (арифметических, логических, специальных), большая емкость оперативной памяти, развитая система ввода-вывода информации. Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения более узкого круга задач, связанных обычно с технологическими процессами, регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных (управляющие вычислительные комплексы). Специализированные ЭВМ предназначены для решения задач определенного класса. Специализация ЭВМ позволяет снизить сложность и стоимость этих ЭВМ, сохраняя высокую производительность и надежность их работы.

26

1 . Информационные процессы и средства их реализации

По размерам, функциональным возможностям и техническим характеристикам ЭВМ можно разделить на супер-ЭВМ, мини-ЭВМ и микро-ЭВМ. Основными техническими и эксплуатационными характеристиками ЭВМ являются:

–быстродействие, измеряемое средним числом операций, выполняемых вычислительной машиной за единицу времени;

–разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует

ЭВМ;

–емкость и быстродействие запоминающих устройств;

–технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

–типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой;

–способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ;

–типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;

–функциональные возможности программного обеспечения;

–способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);

–система и структура машинных команд;

–возможность подключения к каналам связи и к информационновычислительным сетям;

–эксплуатационная надежность ЭВМ;

–коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени ее полезной работы и времени профилактики и ремонта.

Супер-ЭВМ – электронные вычислительные машины общего назначения сверхвысокой производительности, которая находится в диапазоне от сотен миллионов до десятков триллионов операций в секунду. Сверхвысокое быстродействие таких машин основано на выполнении параллельных вычислений и использовании многоуровневой иерархической структуры запоминающих устройств. Супер-ЭВМ обладает способностью работать одновременно с большим числом пользователей, создавать гигантские базы данных и обеспечивать эффективную вычислительную работу. Однако они требуют для своего размещения специальных помещений и сложны в эксплуатации.

27

1 . Информационные процессы и средства их реализации

Мини-ЭВМ – надежные, недорогие и удобные в эксплуатации электронные вычислительные машины, обладающие более низкими по сравнению с супер-ЭВМ возможностями (например, производительность – до сотни миллионов операций в секунду). Мини-ЭВМ часто используют для управления технологическими процессами. Наряду с этим они успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Микро-ЭВМ, благодаря малым размерам, высокой производительности, повышенной надежности и небольшой стоимости, нашли широкое распространение в различных сферах деятельности человека. Успешное развитие микро-ЭВМ привело к появлению персональных компьютеров (ПК), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области обработки информации. Персональные компьютеры, выпускаемые в настоящее время в миллионах экземпляров, вносят коренные изменения в формы использования вычислительных средств, в значительной степени расширяют масштабы их применения. Они широко используются как для поддержки различных видов профессиональной деятельности (инженерной, административной, производственной, литературной, финансовой и др.), так и в быту, например, для обучения. Персональный компьютер позволяет эффективно выполнять научнотехнические и финансово-экономические расчеты, создавать и использовать базы данных, подготавливать и редактировать документы и любые тексты, вести делопроизводство, обрабатывать графическую информацию и т. п.

1.4.2.Микро-ЭВМ

1.4.2.1.Структура и принципы функционирования микро-ЭВМ

В настоящее время микро-ЭВМ используются для решения задач, которые ранее решались при помощи обычных ЭВМ. Характеристики микроЭВМ (быстродействие, длина слова, возможность адресации, количество внутренних регистров) по мере совершенствования технологии непрерывно улучшаются. Характеристики различных микро-ЭВМ варьируются в широких пределах.

Современная микро-ЭВМ включает следующие основные компоненты: микропроцессор, оперативная память (ОП), внешние устройства (ВУ) (рис. 1.2). Микропроцессор – это процессор, выполненный на одной или не-

28

Рис. 1.4. Процесс обработки информационного слова.

обычно последний включает один или несколько машинных циклов. Машинный цикл, в свою очередь, состоит из цикла выборки и исполнительного цикла. Во время первого производится выборка команды, во время второго команда дешифрируется, и требуемая операция выполняется. В течение цикла команды обрабатываются слова двух типов – командные и информационные. Рассмотрим вначале операции с командными словами (см. рис. 1.3). За время машинного цикла с командными словами выполняются следующие операции:

30

1 . Информационные процессы и средства их реализации

1.В начале цикла содержимое счетчика команд (СК) пересылается в регистр адреса памяти (РАП).

2.Содержимое РАП передается в оперативную память и дешифрируется, чтобы определить местоположение соответствующего слова.

3.Команда считывается из оперативной памяти через шину данных в регистр данных памяти (РДП).

4.Команда пересылается в регистр команд (РК) процессора.

5.Команда дешифрируется дешифратором команд (ДШК).

6.Команда выполняется.

7.Содержимое счетчика команд увеличивается на единицу либо в счетчик заносится адрес перехода в зависимости от характера выполняемой команды.

Выполнение команды обычно требует выполнения некоторой операции

сданными. Процесс обработки информационных слов показан на рис. 1.4. Данные поступают из памяти или с внешних устройств. Во многих микроЭВМ входные данные поступают в микропроцессор через регистр, называемый аккумулятором (АККУМ). В аккумулятор также поступают результаты операций, выполненных АЛУ. После завершения операций информационные слова пересылаются в оперативную память либо в ВУ через шину вводавывода. Устройство управления осуществляет управление всеми операциями в соответствии с содержанием команды. Все операции с информационными словами производятся в течение исполнительного цикла. Команды и данные необходимо хранить в оперативной памяти и выбирать из нее по мере необходимости в процессе работы ЭВМ.

1.4.2.2.Микропроцессор

В состав микропроцессора входит значительное число элементов, называемых регистрами. Регистр – это совокупность триггеров, связанных друг с другом общей системой управления. Триггер − электронная схема, которая хранит один бит информации. Триггер имеет два устойчивых состояния, которые соответствуют логической «1» и логическому «0». Регистры обычно выполняют две функции: кратковременное хранение данных и команд и выполнение над ними некоторых операций. Регистр может не только хранить число в двоичном коде, но и преобразовывать его. Входящие в микропроцессор устройства и регистры выполняют следующие функции:

31

1 . Информационные процессы и средства их реализации

1. Устройство управления.

Формирует и подает во все блоки ЭВМ в нужные моменты времени соответствующие сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций. Формирует адреса ячеек оперативной памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ. Получает от генератора тактовых импульсов опорную последовательность синхронизирующих импульсов.

2. Арифметико-логическое устройство.

Выполняет все арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией.

3. Счетчик команд.

Служит для автоматической выборки очередной команды программы из последовательных ячеек оперативной памяти; содержимое счетчика равно адресу очередной выполняемой команды.

4. Регистр команд.

Используется для хранения кода команды на период времени, необходимого для ее выполнения.

5. Регистр адреса памяти.

Содержит адрес слова в оперативной памяти, к которому производится обращение. Разрядность РАП определяет количество непосредственно адресуемых слов оперативной памяти.

6. Регистр данных памяти.

В данном регистре хранится выбранное из оперативной памяти слово. Разрядность РДП определяется количеством битов информационного слова (например, для 2-байтового информационного слова требуется 16-разрядный РДП). Записываемое в оперативную память слово также хранится в этом регистре до завершения операции записи. РДП можно рассматривать как буфер микропроцессора.

7. Аккумулятор.

Хранит результаты арифметических и логических операций, выполняемых в АЛУ. Аккумулятор является также одним из входов АЛУ. Он накапливает результаты выполняемых в АЛУ операций. Например, при выполнении операции сложения арифметико-логическим устройством первое слагаемое поступает в АЛУ из регистра временного хранения (РВХ), а второе слагаемое – из аккумулятора; результат операции из АЛУ поступает в аккумулятор. Часто в микропроцессорах ввод и вывод всех данных производятся через аккумулятор, который является, таким образом, одним из основных регист-

32

1 . Информационные процессы и средства их реализации

ров. Разрядность этого регистра равна разрядности информационного слова. В некоторых микропроцессорах имеется два или более аккумуляторов. Это делает микропроцессор более гибким и способствует повышению эффективности решения определенных задач.

8. Указатель стека (УС).

Стек – это набор регистров, в котором данные или адреса выбираются «сверху» по принципу: «поступивший последним – выбирается первым». При записи в стек очередного слова все ранее записанные слова сдвигаются на один регистр вниз, а при выборке слова из стека оставшиеся слова сдвигаются на один регистр вверх. Стек обычно используется в микропроцессорах для хранения адресов возврата при обращении к подпрограммам, а также для запоминания состояния внутренних регистров при обработке прерываний. Стек можно организовать и в оперативной памяти, но в этом случае на обращение к нему затрачивается время, равное циклу памяти. Эта операция выполняется значительно быстрее, если в состав процессора ввести специальный набор регистров. При организации работы стека необходим специальный регистр – указатель стека – для хранения адреса последнего по времени поступления элемента стека. Размерность регистра УС определяется числом регистров в стеке.

9. Регистры общего назначения (РОН).

Во многих микро-ЭВМ микропроцессор располагает набором регистров для временного хранения адресов и данных, которые используются в качестве сверхоперативной памяти. Эта память обеспечивает кратковременное хранение, запись и выдачу информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Сверхоперативная память необходима для достижения высокого быстродействия ЭВМ, т. к. оперативная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Количество этих регистров и возможность доступа к ним значительно отличаются для разных машин.

10. Регистр флажков (РФ).

Регистр флажков состоит из нескольких триггеров, называемых флажками, и используется для индикации: переполнения при выполнении операций, нулевого содержимого аккумулятора, знака содержимого аккумулятора, переноса из аккумулятора и пр. Эта информация нужна для выполнения многих арифметических операций и часто используется при реализации условных переходов.

33

1 . Информационные процессы и средства их реализации

Структурная схема микропроцессора представлена на рис. 1.5.

Одной из существенных характеристик микропроцессора является его разрядность − максимальное количество разрядов двоичного числа, над ко-

торым одновременно может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность, тем будет больше и производительность микро-ЭВМ.

Быстродействие микропроцессора в значительной степени определяется его тактовой частотой. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность импульсов, промежуток времени между которыми определяет длительность одного такта работы микро-ЭВМ, или просто, такт работы микро-ЭВМ. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик микро-ЭВМ и во многом определяет скорость ее работы, поскольку каждая операция в машине выполняется за определенное число тактов. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду

1.4.2.3. Интерфейс

Интерфейс − это совокупность средств сопряжения и связи устройств микро-ЭВМ, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Интерфейсная система микро-ЭВМ предназначена для связи микропроцессора с другими устройствами микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ взаимодействуют с окружающей средой при помощи внешних устройств (устройств вво- да-вывода). К числу наиболее часто используемых устройств этого типа относятся принтеры, сканеры, запоминающие устройства на магнитных дисках, запоминающие устройства на компакт-дисках, дисплеи, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Для подсоединения к микро-ЭВМ одного или нескольких устройств ввода-вывода (УВВ) каждому устройству требуется схема сопряжения, называемая интерфейсом ввода-вывода. Интерфейс необходим для преобразования информации, передаваемой от внешнего устройства в ЭВМ и обратно. Кроме того, при помощи интерфейса ЭВМ получает информацию о состоянии внешнего устройства (например, «Готово», «Занято») и устраняет любые временные расхождения между работой ЭВМ и внешнего устройства. Для интерфейса ввода-вывода характерны следующие четыре функции: 1) буферирование; 2) дешифрирование адреса, или выбор устройства; 3) дешифрирование команды и 4) синхронизация и управление.

Обмен данными между микро-ЭВМ и внешними устройствами бывает двух видов: программно управляемая передача данных и передача данных с пропуском цикла. При программно управляемой передаче обменом данных

34

(1 слово за 1 период) управляет специальная программа, выполняемая на микро-ЭВМ. Передачей с пропуском цикла, или передачей при прямом доступе к памяти (ПДП), которая используется для непрерывной передачи большого блока данных, управляет внешнее устройство.

35