Организация ЭВМ ЩЕМЕЛЕВА Т.К..

Лекция 3. Структурная организация эвм

Новые понятия: структура ЭВМ; процессор; оперативное запоминающее устройство; периферийное устройство; интерфейсные схемы; основные принципы организации ЭВМ; шина; шина адреса; шина данных; шина управления; адресное пространство; команда; формат (поля) команды.; код операции; стадии выполнения команды; логический элемент; комбинационная схема; схема с памятью (автомат); триггер; узел (блок), ; регистр; счетчик устройство.

Основные вопросы: 1.Структура ЭВМ.2. Основные принципы организации ЭВМ. 3.Этапы выполнения программы. 4. . Основные типы логических схем аппаратуры ЭВМ: Логические элементы. Узлы. Устройства ЭВМ. Арифметико-логическое устройство (АЛУ).

3.3.Структура эвм

Структура любой системы представляется совокупностью элементов и связями между ними. Элементами ЭВМ можно считать отдельные устройства, соединенные электрическими линиями, передающими информацию в виде двоичных (цифровых или дискретных) сигналов.

Основные устройства современных ЭВМ и их назначение:

• Процессор (микропроцессор) (МП) служит для выполнения операций по преобразованию информации в АЛУ и управления вычислительным процессом. Для временного хранения информации в состав процессора введены регистры. Один n- разрядный регистр служит для записи, считывания и хранения одного n- битового машинного слова

• Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хранения текущей программы и данных. ОЗУ состоит из ячеек. Каждая ячейка служит для выполнения хранения, чтения и записи одного машинного слова.

• Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), применяется для выполнения только операции чтения в ходе выполнения программы.

• Интерфейсные схемы – порты, адаптеры, контроллеры, которые служат для сопряжения устройств ЭВМ друг с другом. Интерфейс – комплекс стандартов на аппаратуру, шины, разъемы ,сигналы и алгоритм обмена сигналами.

• Периферийные устройства (ПУ) – устройства ввода и вывода информации. Внешние запоминающие устройства – для долговременного хранения программ и данных, в т. ч. и неисполняемых в текущий момент времени.

Структурная схема ЭВМ приведена на рисунке 1. На структурной схеме показываются основные устройства и связи между ними.

Все устройства в ЭВМ между собой соединяются проводниками электрического тока. Они показаны одной линией, как будто сведены в жгут. Как видно из рис. 1, в этой схеме все устройства ЭВМ соединены с помощью одной группы линий.

3.2.Основные принципы организации эвм:

1. Напомним принцип Дж. фон Неймана: Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы. Программа и данные хранятся в одной общей памяти ЭВМ (ОЗУ, ПЗУ). Программа состоит из управляющих слов – команд. Каждая команда – это код, в котором зашифрованы операция и операнды или места их размещения в ЭВМ.

2. Принцип адресации (адресного обращения устройств ЭВМ друг к другу).

Около 95% времени компьютер выполняет пересылки информации. При пересылке передающее устройство запрашивает принимающее устройство, выставляя его номер (адрес).

Каждое устройство имеет внутренний идентификационный номер (адрес) в виде двоичного кода, по которому осуществляется его поиск. Например, каждая ячейка памяти имеет свой адрес. Передача адреса от устройства к устройству в ЭВМ происходит по специальной группе проводников, , называемых шиной адреса (ША). Совокупность всех адресов, которые могут быть представлены на шине или относящихся к какому-либо устройству, называется адресным пространством шины или устройства. Размер адресного пространства зависит от разрядности ША (числа линий для адреса) определяется формулой 2ⁿ, где n-число линий ША.

Например, если ША имеет разрядность 10, то размер адресного пространства ША равен 1024 адресов.

Отображать логическую организацию (архитектуру) памяти принято с помощью карты (таблицы) памяти – это способ отображения содержимого и адресов ячеек памяти. Карта памяти показана на рисунке 3.2. Отображаемая память на рисунке содержит К+1 ячеек. Каждая ячейка имеет разрядность 8 бит.

Теперь в соответствии с двумя названными принципами представим структуру команды процессора и программы в целом. Система команд процессора обычно включает операции как над одним операндом (поразрядная инверсия операнда; поразрядный сдвиг операнда и т.д.), так и над двумя операндами (сложение; вычитание; умножение; пересылка; дизьюнкция и др.). Поэтому каждая команда имеет адресную часть (поле), где указано местоположение одного или двух операндов, т.е. их адреса А1 и А2, и операционное поле, где указан код операции, длина команды в битах и другая необходимая для УУ информация. В операционной части хранятся код выполняемого действия (операции), длина участвующих в операциях данных (операндов), длина команды и т.д. Формат команды приведен на рис.3.3.

Рисунок 3.3

Структура программы приведена на рис.3.4.

Рисунок 3.4

3. Принцип магистрально-модульной структуры.

Группа двоичных линий для передачи информации одного назначения называется шиной. Шина, состоящая более чем из одной линии, или группа шин, обозначается значком « ∕ ». Количество двоичных линий, входящих в шину, называется разрядностью шины. Рядом с этим значком указывается в виде числа разрядность шины.

Магистраль - это шина или их совокупность, объединяющая множество устройств ЭВМ. ЭВМ может быть построена на основе одной или несколько магистралей. Каждое устройство ЭВМ создается в виде функционально и или конструктивно законченного блока (модуля). Например, можно выделить процессорный модуль, модуль памяти и т.д.

В систему шин ЭВМ, кроме ША, входит шина данных (ШД), по которой происходит передача данных между процессором, портами, и памятью. К данным, передаваемым по ШД, относятся операнды (непосредственно данные, над которыми выполняются закодированные в команде действия), результаты этих действий, сами команды. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за определенный промежуток времени и выше производительность ЭВМ. Для успешной передачи данных недостаточно установить их на ШД и установить адрес на ША. Для того, чтобы данные были записаны (или считаны) в устройство, подключенное к ШД и ША, необходим ряд служебных сигналов, указывающих на режим работы устройства и т.д.. Например, сигналы записи или считывания для памяти, готовности порта к приему или передачи данных, подтверждение приема данных, аппаратного прерывания. Все эти сигналы передаются отдельными устройствами ЭВМ, например, сигналы записи или считывания для памяти устанавливаются процессором. Служебные сигналы передаются по шине управления (ШУ).

Упрощенно структуру персональной ЭВМ (ПК) с общими для всех устройств шинами, т.е. единой общей магистралью можно представить схемой на рисунке3. 5.

Направления передач информации по всем шинам здесь не указано.

Подобная ЭВМ с единой для всех устройств магистралью имеет низкую производительность, т.к. в один интервал времени только одна пара устройств может занять магистраль и выполнить обмен информацией

Современные ЭВМ имеют несколько - 2 или 3 магистрали, каждую - для определенной группы устройств с близким быстродействием.

Порты, контроллеры, адаптеры связывают разнообразные периферийные устройства с системной шиной (ШД, ША, ШУ).