Глава 5. Структура эвм. Цикл процессора структура эвм. Цикл процессора введение

1. В главе рассматривается классическая структура компьютера – структура фон Неймана (von Neuman). Рассматриваются вопросы структурной организации и функционирования процессора.

Принципы фон Неймана

2. В основу построения подавляющего большинства вычислительных машин положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом (1900-1952).

 Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр, физически находящийся в процессоре, последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду.

Выборка команд из основной памяти прекращается после достижения и выполнения команды СТОП. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

 Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти: число, текст (символы) или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода с алгоритмических языков высокого уровня на язык машины.

 Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует, что существует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Структура компьютера

3. Вычислительные машины, построенные на перечисленных выше принципах, называются фоннеймановскими. Классическая структура компьютера (структура фон Неймана) показана на рис.5.1.

4. Обратимся к классической структуре. Из рисунка видно, что во всякой машине можно выделить пять основных блоков.

5. Входное устройство служит для ввода в машину всей необходимой информации для решения задач. Входная информация – информация (числовая, текстовая, графическая, электрические сигналы и т. п.), представленная в символах входного алфавита. Обычно эта информация состоит из некоторой программы и массива данных, с которыми программа будет работать. Программа и данные, представленные в памяти символами внутреннего алфавита, кодируются как числа в двоичной системе счисления.

6. Вся вводимая информация попадает в запоминающее устройство, где она хранится до момента, пока не понадобится. Через команды программы осуществляется управление работой всей машины.

7. Основные параметры, характеризующие память вычислительной машины, это емкость и время обращения к памяти.

8. Емкость памяти – максимальное количество фиксированных единиц – слов информации, которое может быть размещено в запоминающем устройстве. Ячейка памяти – независимо адресуемая часть памяти, содержимое которой выбирается за одно обращение.

9. Время обращения – интервал времени между началом и окончанием ввода (вывода) информации в память (из памяти). Оно характеризует затраты времени на поиск места и запись (чтение) слов в память.

10. Для построения запоминающих устройств в качестве физических элементов используют электронные схемы, ферритовые магнитные материалы, магнитные ленты, диски, оптические запоминающие элементы и т.д.

11. Выходное устройство осуществляет преобразование результатов решения задачи, представленных в символах внутреннего алфавита, в выходную информацию, представленную символами выходного алфавита, и выдачей информации из машины. В зависимости от вида выходной информации различают выходные устройства: печатающие, графические, отображающие и т.д.

12. ЭВМ, как правило, выдает информацию в виде, удобном для человека. Специализированные ЭВМ могут выдавать на выходе электрические управляющие сигналы или другую информацию, что определяется характером системы, в которой работает машина.

13. Поскольку во входном устройстве кодирование осуществляется в машинное представление, а в выходном – из машинного представления, то средства эти могут быть общими. Именно поэтому входное и выходное устройства часто объединяются в единое устройство ввода-вывода. С его помощью реализуется интерфейс (общение) пользователя с машиной.

14. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – функциональная часть компьютера, выполняющая логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти.

АЛУ характеризуется:

- временем выполнения элементарных операций;

- средним быстродействием, т.е. количеством арифметических и логических действий (операций), выполняемых в единицу времени (секунду);

- набором элементарных действий, которые оно выполняет;

- видом алфавита или системы счисления, в которой производятся действия (выбор системы счисления оказывает влияние на все технические характеристики устройства).

15. Устройство управления – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для автоматического управления ходом вычислительного процесса, обеспечивающая взаимодействие всех частей машины в соответствии с программой решения задачи.

Устройство управления обращается в память машины, выбирает очередную команду, расшифровывает ее и вырабатывает сигналы, указывающие другим устройствам, что им надлежит делать.

Управление от программы решения задачи, которое хранится в памяти компьютера, обеспечивает полную автоматизацию процесса решения. Поэтому компьютеры – универсальные ЭВМ – называют программно-управляемыми автоматами.

16. Оператор может вмешаться в ход решения задачи через пульт, соединенный с устройством управления.

17. Комплекс устройств, охватывающий арифметико-логическое устройство, часть памяти (назовем ее оперативным запоминающим устройством – ОЗУ) и устройство управления, называется процессором. Процессор – самое важное устройство компьютера.

18. Большинство процессоров современных компьютеров слишком сложны, чтобы их можно было достаточно легко и просто описать в этой книге. Поэтому основные особенности внутренней организации и функционирования мы будем последовательно изучать на его упрощенном варианте.