22

Тема 3: «Технические средства обработки информации»

Обработка информации и представление результатов обработки в виде удобном для человека производится с помощью вычислительной техники. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой (ВС). Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.

Компьютер – это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработка и транспортировки данных.

Понятие архитектуры и принципы устройства вычислительных систем

Архитектура ВС – это описание ее устройства с точки зрения пользователя. Все свойства ВС определяются как аппаратными средствами, так и программным обеспечением. Современные ВС всегда рассматриваются как совокупность двух взаимодействующих компонентов: аппаратуры и программного обеспечения (ПО).

Аппаратные средства (hardware) – это все физические (механические, электронные и т. п.) элементы, из которых построена машина, а программное обеспечение (software) – это комплекс программ, установленных на данной ВС, кроме того, к программному обеспечению относятся программная документация, инструкции, руководства пользователю и т. п.

Архитектура определяет логическую схему организации ВС, описывающую состав и взаимодействие основных компонентов ВС в ходе вычислительного процесса.

3.1.1. Принципы фон Неймана

Принципы организации ВС с традиционной архитектурой были сформулированы американским ученым Джоном фон Нейманом. Эти принципы сводятся к следующему:

1. Принцип программного управления: процесс обработки информации в ЭВМ (вычислительный процесс) осуществляется в соответствии с заранее составленной программой. Команды, записанные в программе, выполняются друг за другом.

2. Наличие единого вычислительного устройства, которое включает в себя процессор, средства передачи информации (шину) и память.

Рис. 3.1. Структура ВС с традиционной архитектурой Фон Неймана

Процессор – устройство, которое автоматически выполняет действия, записанные в хранящейся в памяти программе. Т. е. процессор осуществляет непосредственную обработку данных, а память является хранилищем данных и программ. Эти устройства являются центральными устройствами. Кроме них, в состав ВС включаются внешние устройства, к которым относятся устройства ввода-вывода информации (УВВ), а также внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

3. Принцип хранимой в памяти программы. Он является следствием из описанной выше организации вычислительного устройства. Программа на время выполнения записывается в оперативную (т. е. непосредственно доступную процессору) память, там же хранятся и данные, обрабатываемые этой программой.

4. Принцип использования двоичной системы для кодирования данных и команд программы.

Структура эвм фон-неймановского типа

Команды, из которых состоит программа, имеют структуру:

Код ОПерации

Адрес Операнда 1

Адрес Операнда 2

Команды и данные, над которыми выполняются команды, хранятся в специальном запоминающем устройстве – оперативной памяти. В ЭВМ с фон-неймановской архитектурой реализуется линейная последовательная организация памяти, т.е. всю память можно представить в виде линейного массива ячеек определенного размера. Ячейки последовательно пронумерованы, их номера называются адресами. Минимально адресуемой единицей памяти в большинстве современных ЭВМ является байт. Память характеризуется:

• емкостью – максимальным количеством информации, которое хранится в памяти;

• быстродействием – временем обращения к памяти, которое определяется временем считывания (записи) информации. Время считывания – это время, отсчитываемое от момента появления адреса ячейки до момента получения информации.

Память подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя память имеет относительно небольшую емкость и большое быстродействие. Внешняя память имеет более низкое быстродействие, но позволяет хранить очень большой объем информации. Во внешнюю память также записываются данные и результаты работы программ, но для выполнения операций над этой информацией, ее надо сначала записать во внутреннюю память, т. к. процессор имеет доступ только к ней. После окончания работы с этой информацией, ее снова надо записать во внешнюю память.

Внутренняя память подразделяется на оперативную память(ОП) и постоянную память (ПЗУ).

Процессор – это центральное устройство ЭВМ. Он состоит из устройства управления и арифметико-логического устройства. УУ управляет работой всех блоков ЭВМ. АЛУ выполняет арифметические и логические операции. Работа процессора сводится к выполнению следующего цикла:

1. УУ интерпретирует выбранную команду и формирует набор команд более низкого уровня для АЛУ и других устройств. Эти команды задают последовательность низкоуровневых операций, таких как сдвиг, пересылка и анализ признаков результата. Такие операции называются микрокомандами, а последовательность микроопераций, соответствующих одной команде называется микропрограммой. В простейшем случае УУ имеет в своем составе три устройства:

   1. регистр команды, который содержит код команды во время ее выполнения,

   2. программный счетчик, в котором содержится адрес очередной команды,

   3. регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти.

Содержимое считанной ячейки памяти помещается в регистр команды. После чего УУ по полю кода операции команды определяет ее длину. Вычисленная длина добавляется к программному счетчику и тем самым формируется адрес следующей команды.

2. По адресным полям определятся, есть ли операнды и, если да, то они считываются из ОП.

3. УУ и АЛУ выполняют операцию, указанную в КОП.

4. УУ выполняет операцию записи результата выполнения команды в ОП.

Связь между устройствами ЭВМ осуществляется через системный интерфейс, который называется шиной. Шина представляет собой совокупность линий, предназначенных для передачи единицы информации (команды, данных или управляющих сигналов). Соответственно, в шине можно выделить:

1. шину адреса (ША) – используется для передачи адресов (номеров ячеек памяти или устройств ввода-вывода, к которым производится обращение);

2. шину данных (ШД) – по ней осуществляется обмен данными;

3. шину управления (ШУ) – по ней передаются управляющие сигналы.

Таким образом, можно сформулировать следующий алгоритм работы ЭВМ фон-неймановской структуры:

1. Процессор посылает на ША адрес очередной команды.

2. Команда считывается из памяти по указанному адресу и по ШД поступает в процессор.

3. УУ вычисляет адрес следующей команды.

4. АЛУ выполняет текущую команду.

5. Возврат на п. 1.

Сигналы, передаваемые по ШУ, синхронизируют работу всех устройств ЭВМ.

Порядок выбора адресов из памяти определяет программа, которая располагается во внутренней памяти (ПЗУ или ОП). В линейных программах команды выбираются из памяти последовательно, в разветвляющихся программах может происходить переход к ячейке памяти, расположенной в любом месте ОП. Такие команды называются командами передачи управления.

Выполнение основной программы может прерываться для выполнения какого-то другого срочного задания, например, передачи данных на устройство ввода-вывода. Такой режим работы называется прерыванием. После обслуживания прерывания процессор возвращается к выполнению отложенной программы. Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в работе аппаратуры, деления на 0, требования внешним устройством выполнения операций ввода и т. д.