(2)Особенности классической структуры эвм. Основные функциональные узлы эвм и их назначение

В общем случае обобщенная структурная схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, имеет вид:

,,Сердце,, Эвм – процессор, содержащий УУ (устройство управления), руководящие выборкой команд из памяти и их выполнение, а также обменом между процессором, устройствами ввода (вывода, АЛУ и его работой); АЛУ (арифметико-логическое устройство) выполняет определенные арифметические и логические операции над операндами, пересылаемые в него из память или из регистров процессора. Результат операции выполнения отсылается в один из регистров процессора; Регистры процессора – служат для хранения промежуточных результатов вычисления и различной управляющей информации. Наиболее важными из регистров процессора являются: регистры команд (содержат исполняемые команды) и счетчик команд (содержит адрес следующей команды), регистры адреса памяти (служит для запоминания адреса команды, операнда или результата операций во время считывания из памяти команды или операнда либо во время записи результата в памяти). Регистры, используемые не только для хранения информации, но и для ее преобразования, называются управляемые. Ряд регистров является специализированными по своим функциям: регистр-аккумулятор; программа-счетчик (счетчик команд); регистр адреса памяти; регистр команд. Изменить роль специальных регистров или узнать их содержимое программным путем нельзя, т.е. эти регистры являются программно недоступными. На ряду с ними в состав процессора входят регистры программно-доступными для программиста. К числу таких регистров относятся регистр слова состояния процессора (РССП) и регистр общего назначения (РОНы). РССП отражает информацию о состоянии процессора и выполняемой им команды в каждый текущий момент времени. РОНы обычно не имеют конкретного функционального назначения и используются программистом по его усмотрению.

Для отличия РОНов им присваиваются уникальные имена, которые указывают программе. Память (ЗУ) – комплекс технических средств, реализующих функцию памяти принято называть запоминающим устройством. В современной ЭВМ ЗУ делятся на основную, сверхоперативную ОЗУ, внешнюю ЗУ памяти. Основная память может работать в режимах записи, чтения, хранения информации, т.е. допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором операций над данными, поэтому ОЗУ обычно реализуется в виде энергозависимой памяти, содержимое которой исчезает при выключении питания ЭВМ. ПЗУ содержит информацию, которая остается неизмененной при работе ЭВМ (стандартные программы, констаны). ПЗУ является энергонезависимой памятью. Функциональные возможности ОЗУ шире чем ПЗУ, но ПЗУ имеет большее быстродействие, т.к. его узкая специализация позволяет сокращать время выполнения операций считывания. В любой ЭВМ имеет устройство ввода информации с соответствующими блоками сопряжения (интерфейсами): клавиатура, мышь, сканер, джостик. Введенная информация полностью или частично запоминается в ОЗУ, затем переносится в ВЗУ (внешнее ЗУ), предназначенное для длительного хранения информации. Там она преобразуется в файлы. ГОСТ 20866-85: файл - идентифицированная совокупность экземпляров, полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы в ВЗУ и доступные программе посредством специальных операций. При использовании файла в вычислительном процессе, его содержимое переносится в ОЗУ, затем программная информация команда за командой считывается с УУ, которая обеспечивает автоматическое выполнение путем принудительной синхронизации (координации) всех остальных устройств ЭВМ. Команды, вызванные из ОЗУ дешифруются устройством управления, а именно определяется код последующей операций и адреса операндов, принимающие участие в данной операции. АЛУ выполняет арифметические и логические операции. Она каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результат выполнения сохраняются для последующего использование на одном из регистров АЛУ или записывается в память. Результаты, полученные после выполнения всей программы передаются на устройство вывода. Связь между узлами ЭВМ осуществляется с помощью специальных шин или магистралей. К общим стандартом современных ЭВМ являются: модульность построения, магистральность, иерархия управления, которая обеспечивающая децентрализацию построения и управления ЭВМ. Модульность предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных функционально и конструктивно независимых законченных устройств (модуль памяти). Модульная конструкция ЭВМ делает его открытой системой, способной к адаптации несовершенств; позволяет изменять и управлять конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей.

(5)Элементарный базис логических схем ЭВМ

Элементая база ЭВМ.

При рассмотрении структуры тех. систем, в т.ч. и ЭВМ проводят их детализацию на более мелкие части. Обычно в структуе выделяют след. структурные элементы: устройства, узлы, блоки, элементы. Такое разделение соответствует определенному преобразованию информации, заложенной в программе пользователя.

Нижний уровень процесса обработки реализует структурные едины, называемые элементами. Каждый отдельные элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующие видам информации.

Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов (информационных слов)

Блоки реализуют некоторую определенную последовательность обработки информационных слов, которые представляют собой функционально обособленную часть машинных операций (операции ввода\вывода)

Устройства предназначены для выполнения отдельных машинных операций и их последовательности.

В общем случае, любая структурная единица ЭВМ обеспечивает пробразование входной информации в выходную:

Современная ЭВМ строится на комплексах интегральных микросхем (м\м). Каждая м\ма представляет собой миниатюрную схему, сформированную на кристалле п\п.

М\мы, входящие в состав ЭВМ могут иметь разнообразные функции, но должны быть стандартизированы по типу используемых сигналов, по параметрам межмодульной связи и т.д.

Основа микропроцессорного набора – БИС, или СБИС, или УБИС. Используются также микросхемы средней или малой плотности интеграции.

Функционально микросхемный может соответствовать устройству, узлу или блоку – состоит из простейших элементов, реализующих соответствующие преобразования, хранения данных.

Элементы схемы ЭВМ делят:

• формирующие

• логические

• запоминающие

Формирующий элемент – генераторы, усилители, формирователи импульсов, служащие для выработки определенных электрических сигналов и обеспечения их требуемых параметров (длительности, амплитуды, частоты)

Наиболее часто используются сигналы тактовой частоты, а также такты управления синхронизации, синхронизирующие все блоки ЭВМ.

Логические элементы – преобразуют входные сигналы в соответствии с логическими функциями. Сложные логические преобразования информации в соответствии с требуемыми логическими зависимостями приводят к построению многоуровневых систем. Каждая такая схема представляет собой композицию простейших логических элементов.

Запоминающим элементом называют элемент, способный воспринимать и хранить код 2чной цифры, они используются для запоминания и хранения исходных значений величин, промежуточных значений и окончательных результатов.

По типу использования сигналов элементы ЭВМ делят на элементы с импульсным и потенциальными способами представления сигналов.

При импульсном способе представления 2чное значение единицы соответствует наличию импульса тока или напряжения, ноль – отсутствие:

При потенциальном или статическом представлении сигналов единицы соответствую высокому уровню, ноль – низкому:

Для представления логических переменных в цифровой схемотехнике используются электрические напряжения, имеющие 2 уровня: высокий (близкий к уровню напряжения питания) и низкий (близкий к потенциалу земли).

Если высокий уровень напряжения = 1, низкий =0, то тогда такая система кодирования называется положительной или позитивно логикой. В противном случае – негативной логикой.

В соответствии с 3мя основными операциями алгебры логики в структуре цифровых устройств используют следующие логические элементы:

1) «и» (лог. умножение, конъюнктор)

2) «или» (лог. сложение, дезъюнктор)

3) «не» (лог. отрицание или инвертор)

Этот набор элементов называют основным базисом или основной, функционально полной системой элементов, т.к. с помощью этих элементов можно создавать схему, осуществляющую любые, сколь угодно сложные логические операции (функции)

Помимо указанных элементов в интегральной схемотехнике используются логические схему, выполняющие операции комб. плана: «и-не», «или-не»:

и-не, операция (штрих) Шеффера

или-не, функция Вебба («стрелка» Пирса)

(6)Цифровые автоматы

Основные положения теории конечных автоматов (цифровых схем)

Цифровыми (конечными) автоматами называются устройства, предназначенные для обработки информации, заданной цифровыми кодами. Информация, поступающая в цифр. устройство представляет собой набор дискретных сигналов, отображающих некоторую последовательность 0 и 1, т.е. двоичный код.

В общем случае, на вход цифр. устройства поступает некоторый набор 2ых переменных Х(х1, х2… хn), а с выхода устройства снимается набор или множество значений У(у1,у2… уn), причем цифр. устройства реализуют определенную связь (лог. функцию) между вх. и вых. переменными.

На передачу сигнала через устройство отводится конечн. промежуток времени – такт работы устройства.

Если за 1 такт в устройство передается 1 из разрядов 2ого числа (кода), устройство работает в посл. коде, если за 1 такт его работы передается все двоичное число одновременно, то устройство работает в парал. коде:

Применительно к ЭВМ в зависимости от способа обработки циф информации различают 2 класса дискретных автоматов: комбинационные и последовательные.

Комбинационные автоматы (комбинационные схемы) – устройства, в которых значения вых сигналов У(у1, у2… уm) в любой момент дискр. времени однозначно определяется совокупностью вх сигналов Х. Реализованный в комбин. схеме способ обработки информации называется комбинационным, потому, что результат обработки зависит только от текущей комбинации входных сигналов и формируется сразу же при поступлении на комб. схему. Т.о. одним из достоинств комб. схем является их высокое быстродействие. Преобразование информации в комб. схемах однозначно определяется лог. функциями вида . Лог функции и соответствующие им комбинационные схемы разделяют на регулярные и нерегулярные структуры.

Регулярные структуры предполагают построение схема таким образом, что кажд из ее выходов строится по аналогии с предыдущими.

В нерегулируемых структурах такая аналогия отсутствует.

Многие регулярные структуры положены в основу построения ряда интегральных схем малой и средней степени интеграции, а также отдельных частей БИС и СБИС. Из регулярных комбинац. схем наиболее распространены шифраторы, дешифраторы, схемы сравнения, комбинационные сумматоры, коммутаторы (мультиплексоры и демультплексоры), выполненные на основе лог. элементов и несодержащих обратных связей. Рассмотрим принципы построения основных рег. структур:

(7)Комбинационные схемы

КОМБИНАЦИОННЫЕ СХЕМЫ

В ЦВМ преобразование дискретной информации производится электронными устройствами (логическими схемами) двух типов: комбинационными схемами и конечными автоматами.

Комбинационной схемой называют устройство, совокупность выходных символов которого (выходное слово) в каждый дискретный момент времени t_i однозначно определяется совокупностью входных сигналов (входным словом), поступившей на вход устройства в тот же момент времени t_i .

Рассмотрим комбинационную схему (рис.1), имеющую n входов и m выходов.

Пусть на каждый из n входов этого устройства может быть подан один символ из конечного алфавита

Х = { x₁, x₂, . . . , x_p } ,

а на каждом из m выходов может быть получен один символ из конечного алфавита

Y = { y₁, y₂, . . . , y_u } .

Это означает, что каждое входное слово R_l образуется из n символов входного алфавита Х, а каждое выходное слово Q_k из m символов выходного алфавита Y.

Таким образом, для устройства типа комбинационной схемы результат обработки входной информации (выходное слово Q_k ) зависит только от комбинации сигналов на входах (входное слово R_l ).

  

q₁ q₂ q_m

 

. . .

 

 

R_l Q_k

 

 

 

 

. . .

r₁ r₂ r_n

Рис.1. Комбинационная схема

Соответствие выходного слова входному может быть задано аналитически в виде:

q₁ = f₁( r₁, r₂, . . . , r_n ),

q₂ = f₂( r₁, r₂, . . . , r_n ),

q₃ = f₃( r₁, r₂, . . . , r_n ),

. . . . . . . . . . . . .

q_m = f_m( r₁, r₂, . . . , r_n ).

В ЦВМ алфавиты Х и Y состоят всего из двух символов: 0 и 1. В этом случае функции f₁, f₂, f₃, . . . ,f_m являются переключательными функциями и к их анализу и синтезу может быть применен аппарат булевой алгебры.

(8)Шифраторы, принцип работы и назначение

Шифратор - это логическое устройство, выполняющее преобразование позиционного кода в n разрядный двоичный код. Таким образом, шифратор - это комбинационное устройство, реализующее обратную дешифратору функцию. Пример шифратора для трех переменных. Таблица состояния шифратора:

Схема шифратора семиразрядного позиционного кода в трехразрядный двоичный код приведена на рисунке

(9)Дешифраторы

Дешифратор - это комбинационное устройство, предназначенное для преобразования параллельного двоичного кода в унитарный, т.е. позиционный код. Обычно, указанный в схеме номер вывода дешифратора соответствует десятичному эквиваленту двоичного кода, подаваемого на вход дешифратора в качестве входных переменных, вернее сказать, что при подаче на вход  устройства параллельного двоичного кода на выходе дешифратора появится сигнал на том выходе, номер которого соответствует десятичному эквиваленту двоичного кода. Отсюда следует то, что в любой момент времени выходной сигнал будет иметь место только на одном выходе дешифратора. В зависимости от типа дешифратора, этот сигнал может иметь как уровень логической единицы (при этом на всех остальных выходах уровень логического 0), так и уровень логического 0 (при этом на всех остальных выходах уровень логической 1). В дешифраторах каждой выходной функции соответствует только один минтерм, а количество функций определяется количеством разрядов двоичного числа. Если дешифратор реализует все минтермы входных переменных, то он называется полным дешифратором (в качестве примера неполного дешифратора можно привести дешифратор двоично-десятичных чисел).

         Рассмотрим пример синтеза дешифратора (полного) 3 ® 8, следовательно, количество разрядов двоичного числа - 3, количество выходов - 8.

Таблица состояний дешифратора

Х3 Х2 Х1	Z0  Z1  Z2  Z3  Z4  Z5  Z6  Z7
0   0   0   0   0   1   0   1   0   0   1   1   1   0   0    1   0   1    1   1   0   1   1   1	1    0   0    0    0    0    0    0  0    1   0    0    0    0    0    0  0    0   1    0    0    0    0    0  0    0   0    1    0    0    0    0  0    0   0    0    1    0    0    0  0    0   0    0    0    1    0    0  0    0   0    0    0    0    1    0    0    0   0    0    0    0    0    1