Общие принципы построения современных ЭВМ

Архитектурно-функциональные принципы были разработаны в 1946г. венгерским математиком и физиком Дж. Фон Нейманом.

Принципы Фон Неймана:

Программное управление работой ЭВМ. Программы состоят из шагов – команд, осуществляющих единичный акт преобразования информации. Последовательность команд, необходимых для реализации алгоритма – является программой. Все разновидности команд, используемые конкретной ЭВМ, в совокупности называются языком машины или системой команд машины.

Принцип условного перехода. Возможность перехода в процессе вычисления на тот или иной участок программы, в зависимости от промежуточных данных. Реализация такого принципа позволяет легко организовывать циклы с автоматическим выходом из них, уменьшает громоздкость программы за счет уменьшения числа повторяющихся фрагментов.

Принцип хранения программы. Заключается в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и исходные данные. Команды для исполнения выбираются из ОЗУ в УУ, а числа - в АЛУ. Для ЭВМ команда и число являются машинным словом и если команду направить в АЛУ, то над ней можно производить арифметические операции, изменить её. Это дает возможность преобразования программ в ходе выполнения вычислительного процесса.

Принцип использования двоичной системы счисления. Для представления информации в ЭВМ используется двоичная СС, что значительно упрощает техническую конструкцию последней.

Принцип иерархичности ЗУ. Это компромисс между емкостью и временем доступа к данным, обеспечение дешевизны.

Архитектура ЭВМ общего назначения

Архитектура ЭВМ – совокупность её свойств и характеристик, рассматриваемых с точки зрения пользователя, машины. Это полный комплекс значимых общих вопросов для пользователя функциональной и структурной организации вычислительного процесса, включающий совокупность характеристик и параметров ЭВМ, влияющих на решение этих вопросов, охватывается понятием архитектура ЭВМ. Важнейшие для пользователя группы характеристик, которые определяют её архитектуру:

- Характеристики машинного языка и системы команд (количество, состав и форматы команд; система адресации, наличие программно-доступных регистров в процессоре), которые определяют алгоритмические возможности процессора.

- Технические и эксплуатационные характеристики (производительность, надежность, точность, емкость памяти, потребляемая мощность, стоимость).

- Характеристики и состав функциональных модулей базовых конфигураций (наличие возможности подключения дополнительных модулей: сверхоперативной памяти, каналов доступа к памяти – с целью расширения базовой конфигурации или улучшения технических характеристик базовых модулей).

- Состав программного обеспечения и принципы его взаимодействия с техническими средствами ЭВМ.

К ресурсам ЭВМ относят те реальные, аппаратные и программные средства (машинное время процессора, емкость ОЗУ, количество подключаемых УВВ), которые ЭВМ может выделить, процессу обработки данных, на время решения задач пользователя.

Характеристика основных уровней современных ЭВМ

Иерархический принцип построения аппаратных средств ЭВМ определяется наличием совокупности элементов i – того уровня, которые при объединении в систему могут рассматриваться в качестве элементов в системе более высокого уровня. Это позволяет использовать иерархический принцип описания структуры и функционирования аппаратных средств.

1-й иерархический уровень – уровень электрических схем. Элементами являются – электрические компоненты (транзисторы, диоды). Средством описания служат аппараты теория электромагнитных цепей.

2-й иерархический уровень – уровень логических схем. Здесь в качествеэлементов выступают логические и запоминающие схемы. К логическим схемам относят простейшие комбинационные схемы, функционирование которых описывается одной переключательной функцией. Запоминающий элемент – простейшее устройство памяти, обеспечивающее запись, хранение и чтение информации. Средствами описания на данном уровне являются методы теории переключательной функции и структурная теория автоматов.

3-й иерархический уровень – уровень операционных узлов. Его элементами служат операционные узлы, выполняющие одну или несколько элементарных операций и построенных из логических и запоминающих элементов. Этот уровень описывается средствами второго уровня с детализацией информационных процессов до элементарных операций над словами (микроопераций).

4-й иерархический уровень – уровень структурных схем. Элементами здесь являются операционные блоки, интегрирующие операционные узлы и выполняющие определенные законченные действия, указываемые командами программы. Средства описываются с детализацией до отдельных операций из набора команд ЭВМ, как последовательности элементарных операций. Средствами описания чаще всего служат простейшие формальные языки, типа операторных описаний.

5-й иерархический уровень – программный уровень. Предполагает детализацию процессов обработки информации до команд из операционных ресурсов ЭВМ или до отдельных программ. Элементами являются АЛУ, УУ, ОЗУ, ПУ и коммуникационное оборудование ЭВМ. Средствами описания являются машинно-ориентированные языки программирования.

Аппаратные средства любой алгоритмически универсальной ЭВМ можно условно разделить на 3 части:

1.Процессор 2.Память 3.Периферийные устройства

Структура ЭВМ с общей шиной

Структура мини и микро ЭВМ проще, чем ЭВМ общего назначения, что обусловлено использованием МП БИС, имеющие относительно малое количество выводов и осуществление обмена между модулями ЭВМ через многопроводные шины (магистрали) общего пользования. Все малые ЭВМ имеют магистрально – модульную организацию.

Система обмена данных малых ЭВМ через общую шину эффективна при сравнительно небольшом количестве ПУ.

Режимы работы ЭВМ

q однопрограммный;

q мультипрограммный;

q пакетной обработки;

q разделения во времени;

q диалоговый;

q в реальном масштабе времени.

Однопрограммный режим. В памяти машины присутствует только одна рабочая программа, которая, начав выполняться, завершается до конца.

Мультипрограммный режим. В памяти ЭВМ хранится несколько программ и выполнение одной из них может быть прервано при переходе к выполнению другой, с последующим возвратом. Это дает возможность уменьшить простои оборудования, повысить производительность, за счет увеличения числа решаемых одновременно задач.

Режим пакетной обработки. Для обеспечения мультипрограммной работы необходимо наличие нескольких задач ожидающих обработки. Для эффективной загрузки ЭВМ используется данный режим, когда задачи пользователя собираются в пакеты. Пакет состоит из заданий относящихся ко многим задачам, обработка которых требует не менее часа машинного времени.

Режим разделения времени. Он обеспечивает непосредственно одновременный доступ некоторому количеству абонентов, обычно с удаленных терминалов. ЭВМ предоставляет каждому активному терминалу квант времени, при этом у отдельных пользователей создается иллюзия непрерывного контакта с ЭВМ.

Диалоговый режим. (запрос - ответ). Режим взаимодействия человека с системой обработки информации, при котором человек и система обмениваются информацией в темпе, соизмеримым с темпом обработки информации человеком.

Режим реального времени. Обеспечивает взаимодействие системы с внешними, по отношению к ней, процессами в темпе, соизмеримым со скоростью протекания этих процессов.

Логические основы ЭВМ

В ЭВМ используются потенциальные и импульсные способы представления двоичных чисел электрическими сигналами. При первом из них (рис 1) цифре соответствует высокий Uв и низкий Uн уровни напряжения, которые сохраняются в течении всего времени )t представления двоичного числа. При импульсном способе представления информации (рис 2) единичные и нулевые значения переменной изображаются наличием или отсутствием импульса.

Рис.7.1 а) потенциальное и б)импульсное кодирование

С переменой кода происходит изменение уровня электрического сигнала в дискретные моменты времени. Временной интервал между этими моментами называется тактом. Для передачи двоичной кодовой информации в ЭВМ используется последовательный, параллельный и параллельно-последовательный способы. При последовательном способе передаваемое двоичное число передается по одному каналу связи – разряд за разрядом. При параллельном способе все разряды двоичного числа передаются по одной шине, причем каждый разряд по своему каналу. При смешанном способе число делится на группы (байты), разряды каждой группы передаются параллельно, а сами группы последовательно.

Устройство преобразующее дискретную информацию, в общем случае, имеет n кодов для входных сигналов и m выходов, с которых снимается выходной сигнал. Преобразование информации производится электрическими схемами двух видов:

· комбинационные;

· цифровые автоматы.

В комбинационных схемах совокупность выходных сигналов, т.е. выходное слово У в любой момент времени однозначно определяется входными сигналами, т.е. входным словом Х, поступающим на входы в этот же момент времени.

Реализуемые в этих схемах способы обработки информации называются комбинационными, т.к. результат обработки зависит от комбинации входных сигналов, вырабатывающихся сразу при подаче входной информации. Закон функционирования КС определен, если задано соответствие между её входными и выходными словами (в виде таблицы или в аналитическом виде с использованием булевых функций). Пусть переменные Х1, Х2…Хn, принимают только два значения – ноль и единица, тогда функция f(Х1, Х2…Хn) называется булевой функцией, если она принимает такие же значения.

В цифровых автоматах в отличие от КС результат преобразования информации зависит не только от значения сигнала на входах в данный момент времени, но и от последовательности предыдущих входов и выходов, т.е. внутренних состояний цифрового автомата, в связи с чем он должен содержать элементы памяти.

КС используется для построения шифраторов, дешифраторов, сумматоров, преобразователей кодов. Цифровые автоматы используются для построения регистров и счетчиков.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 Следующая ⇒