4. Функциональная и структурная организация эвм

4.1. Понятие функциональной и структурной организации

Термин «функциональная организация ЭВМ» часто используют в качестве синонима более широкого термина – «архитектура ЭВМ».

Архитектура ЭВМ – это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию. Понятие архитектуры ЭВМ является комплексным и включает в себя:

- структурную схему ЭВМ;

- средства и способы к элементам структурной схемы ЭВМ;

- организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;

- набор и доступность регистров;

- организацию и способы адресации памяти;

- способы представления и форматы данных ЭВМ;

- набор машинных команд ЭВМ;

- форматы машинных команд;

- обработку прерываний.

Структура ЭВМ – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов до простейших схем. Структура ЭВМ графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Современные вычислительные машины построены на основе тех принципов, которые были сформулированы в 1946 году Джоном Нейманом на летней сессии Пенсильванского университета. Последующий опыт разработки ЭВМ показал правильность основных выводов Неймана, которые, естественно, в последующие годы развивались и уточнялись.

Основные принципы, предложенные Нейманом для разработчиков ЭВМ:

1. Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины – в запоминающем устройстве (ЗУ), обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы.

3. Программа так же, как и числа, с которыми оперирует машина, представляется в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:

- промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же ЗУ, что и программа;

- числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы.

4. Трудности физической реализации ЗУ, быстродействие которого соответствовало бы скорости работы логических схем, требует иерархической организации памяти.

5. Арифметические устройства машины конструируются на основе схем, выполняющих операцию сложения. Создание специальных устройств для вычисления других операций нецелесообразно.

6. В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).

ЭВМ, построенная по принципам, определенным Нейманом, состоит из следующих основных блоков (рис. 4.1): запоминающего устройства, арифметико-логического устройства и устройства управления.

Рис. 4.1 Структура классической ЭВМ

4.2. Структура эвм

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

- память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из пронумерованных ячеек;

- процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

- устройство ввода;

- устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

Структурная схема ЭВМ представлена на рис. 4.2. Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.

Рис. 1.2. Общая схема компьютера.