Меню Рубрики

Архитектура эвм с точки зрения обработки информации

С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие — архитектура ЭВМ.

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Только через 100 лет на базе появившихся электронных приборов эта идея была развита американским математиком Джоном фон Нейманом. В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные им в 1945 году.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;

Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее устройство, илипамять для хранения программ и данных;

Внешние устройства для ввода-вывода информации.

В основе работы компьютера лежат следующие принципы:

Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

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

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 или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Машины, построенные на этих принципах, называются Фон-Неймановскими.

Виды архитектуры ЭВМ (открытая, закрытая, Гарвардская).

Архитектура вычислительной машины — концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения

Архитектуры закрытого типа

Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Вычислительные системы с открытой архитектурой

Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой.

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера.

Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Часто требуется выбрать три составляющие — два операнда и инструкцию(в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее встречаемая задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») — расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут послужить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx — модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) — расширенная Гарвардская Архитектура.

источник

Архитектура ЭВМ – представление общих принципов обработки информации на конкретных ЭВМ с точки зрения пользователя

АРХИТЕКТУРА ЭВМ

Рассмотренные ППУ, типовые программы командных ЭВМ и анализ основных действий, подлежащих выполнению при решении задач математического характера, позволяет рассмотреть общую схему построения любой ЭВМ, в более широком плане архитектуру ее.

Архитектура представляет общую логическую организацию вычислительного устройства, состав и назначения ее функциональных компонентов, принципов кодирования информации и т.д. Коротко говоря, архитектура определяет общие потребительские свойства ЭВМ с точки зрения пользователя.

Основные элементы архитектуры:

— организация вычислительного процесса ЭВМ;

— организация общения с пользователем;

— логическая организация представления, хранения и преобразования информации;

— логическая организация совместной работы компонентов программных и аппаратных средств.

ОБЩАЯ СТРУКТУРА КЛАССИЧЕСКОЙ ЭВМ

Проанализировав назначение классической ЭВМ, решение математических задач, можно предположить обязательное наличие специального устройства выполнения арифметических операций над данными. Принципы Неймана определяют обязательность устройств хранения информации в виде данных. Необходимость обслуживания человека требует включение обязательного компонента – устройств организации диалога ЭВМ с пользователем. Логика построения существующих до этого механизмов и устройств предполагает наличие в их составе специального устройства, обеспечивающего координацию работы всех остальных, т.е. управляющего ими. Следовательно, любая ЭВМ есть совокупность обязательных компонентов устройств:

3. связующего с пользователем.

Схема классической ЭВМ позволяет объединить эти компоненты в единое целое:

где — информационный поток, — управляющий сигнал.

СУ выполнено потому, что традиционно рассмотрение схем в славянском и романо-германском изображении производят слева направо или сверху вниз, поэтому основное операционное устройство располагаются справа, как достижение цели. Выполним краткое описание указанных компонентов:

1. СУ – устройство связи с человеком (пользователем), реально выполнено в виде специальных устройств ввода и вывода информации (УВв, УВыв).

2. ЗУ – запоминающее устройство (память ЭВМ), устройство хранения всей информации ЭВМ, исходных данных, промежуточных и результатных, а также программ, обеспечивающих их обработку и получение, а также управление работой ЭВМ в процессе счета.

3. ОУ – операционное устройство, устройство непосредственного выполнения арифметических и логических действий над операндами в процессе их обработки и преобразования. Параллельно с обозначением ОУ широко используется АЛУ – арифметическо-логическое устройство.

4. УУ – устройство управления, обеспечивает координацию совместной работы всех устройств ЭВМ в процессе их функционирования.

Выполним детализацию основных компонентов на один шаг.

Основные компоненты СУ: УВв – устройство ввода информации и УВыв – устройство вывода информации.

УВв обеспечивает получение информации от пользователя и преобразование ее к виду удобному для ЭВМ. УВв является механо-электрическими или электро-электронными устройствами, обеспечивающими преобразование механических, электрических, а в последнее время и оптических сигналов в электронные. Типичные примеры УВв: пульт дисплея (клавиатура), сканер.

УВыв – устройство преобразования электрических сигналов ЭВМ в графические изображения, либо механические действия, понятные пользователю (человеку). Примеры: дисплей, графопостроитель, принтер.

Запоминающее устройство в простейшем варианте классической ЭВМ детализируется на 2 основных компонента:

— оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или долговременная память (ОП);

— долговременное запоминающее устройство (ДЗУ) или долговременная память.

Основные характеристики любого ЗУ определяются носителем информации, используемой для хранения и определяется как:

Указанные характеристики являются взаимоисключающими, поэтому каждое из ЗУ имеет определяющей одну из них. Электронное запоминающее устройство – быстродействующее, но малообъемное. При магнитных носителях информации объемы существенно увеличиваются, а быстродействие существенно уменьшается, т.к. время доступа к информации определяется механическим поиском места расположения ее, т.е. перемещением магнитной головки в требуемые координаты носителя. У оперативного ЗУ быстродействие соизмеримо со скоростью работы ОУ. Объемы ОЗУ относительно невелики 10-ки Кбайт – 10-ки Мбайт. У долговременных устройств объемы значительны – 10-ки Мбайт – 10-ки Тбайт при относительно небольших скоростях записи и считывания. Неоспоримые преимущества магнитных ДЗУ: возможность многократного использования, записи и считывания различной информации. Начинающие широкое распространение оптико-электронные устройства (лазерные диски) как ДЗУ обладают одним недостатком: невозможность в настоящее время многократного использования с точки зрения перезаписи информации.

ОУ – операционное устройство может быть детализировано на основные компоненты:

Сумматор (АЛУ) – устройство непосредственной обработки данных (операндов) с использованием простейших математических операций: сложения и сдвига (вправо, влево).

Дата добавления: 2014-01-07 ; Просмотров: 913 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

источник

Задачи главы

  • 1. Ознакомиться с принципами архитектурного подхода к построению ЭВМ.
  • 2. Изучить принципы программного управления ЭВМ.
  • 3. Ознакомиться с историей развития и поколениями ЭВМ, типичными представителями ЭВМ различного поколения.
  • 4. Составить представление о развитии элементной базы для построения ЭВМ.
  • 5. Изучить классификацию и основные технические характеристики ЭВМ (большие, малые, микроЭВМ, суперкомпьютеры).

Термин «архитектура ЭВМ» используется для описания наиболее общего принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов электронно-вычислительной машины (ЭВМ). Это понятие раскрывается путем постулирования принципов и параметров ЭВМ, таких как: структура памяти; способы доступа к памяти и внешним устройствам; возможность изменения конфигурации компьютера; система команд; форматы данных; организация интерфейса и др. Под архитектурой ЭВМ понимается также совокупность свойств и характеристик, рассматриваемая с точки зрения пользователя.

Труды ученых Пенсильванского университета под руководством Д. Экерта, а также Норберта Винера и Джона фон Неймана заложили основу построения цифровых вычислительных машин. Концепцию классической архитектуры цифровой ЭВМ сформулировал Дж. фон Нейман в 1946 г., которую он изложил в работе «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». Фундаментальные положения по архитектуре ЭВМ состоят:

■ в применении двоичной системы счисления в работе ЭВМ;

■ программном управлении работой ЭВМ (программа содержит инструкции, исполняемые автоматически в заданной последовательности);

■ принципе хранимых программ и данных в запоминающем устройстве машины, обладающем высокой скоростью выборки и записи;

Читайте также:  Ничто так не мешает видеть как точка зрения эссе

■ однотипном представлении в двоичном коде инструкций программ и обрабатываемых ими данных;

■ принципе иерархичности памяти в связи с техническими проблемами реализации емкого и быстродействующего запоминающего устройства – минимум два уровня (основная и внешняя память);

■ принципе адресности основной памяти (ячейки памяти доступны программе по двоичному адресу или по имени, которое присваивается в программе и сохраняется на протяжении всего времени выполнения программы).

Главным принципом построения современных ЭВМ является программное управление. Он основан на представлении алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений – набора инструкций (команд), определяющих решение задачи посредством конечного числа операций.

Программа – это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке (стандарт ISO 2382/1–84).

Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию и место нахождения (адрес) операндов, участвующих в операциях преобразования данных.

Электронно-вычислительная машина имеет модульную архитектуру (рис. 5.1) и включает в себя: блок управления, арифметическое устройство, память, устройство ввода программ и данных, устройство вывода результатов, а также пульт ручного управления.

Блок управления обеспечивает управление всеми устройствами компьютера. Арифметическое (арифметико-логическое) устройство выполняет арифметические и логические операции обработки информации, хранящейся в памяти компьютера. В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство и блок управления объединены в процессор, который выполняет обработку данных, а также осуществляет с помощью программы управление работой других блоков компьютера.

В памяти ЭВМ данные и программы представлены в двоичной форме. Для ввода и вывода информации используются специальные

Рис. 5.1. Состав компонентов ЭВМ Дж. фон Неймана

устройства, причем программы и данные имеют однотипный ввод в компьютер. Память компьютера структурирована на основную (оперативную) и внешнюю (запоминающие устройства).

Выделяют следующие устройства памяти, которые отличаются скоростью считывания и записи информации, а также емкостью:

■ сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) – обеспечивает работу самой быстродействующей памяти малого объема, соответствует внутренней микропроцессорной памяти;

■ оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) обеспечивает работу быстродействующей памяти значительного объема, соответствует основной оперативной памяти компьютера (ячейкам блока памяти);

■ постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – обеспечивает работу быстродействующей памяти небольшого объема, которая сохраняет свое содержимое;

■ внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) – обеспечивает работу самой медленной памяти самой большой емкости.

В СОЗУ хранится небольшой объем данных, используемых процессором в ближайшие такты его работы. В ОЗУ представляется информация (программный код и данные), непосредственно используемая в текущем сеансе работы компьютера. Эта память является энергозависимой, при выключении компьютера она стирается, кроме памяти, находящейся под управлением ПЗУ, которое может быть перепрограммируемым (ППЗУ). Внешние запоминающие устройства имеют емкость, намного превосходящую основную память, но с существенно более медленным доступом; они позволяют длительно хранить большие объемы информации (файлы программ и данные различных форматов).

В качестве устройства ввода символьной информации наиболее часто используется клавиатура, а для ввода графической информации – сканеры, дигитайзеры, видео- и веб-камеры, графический планшет и световое перо; для ввода звуковой информации служит аккордовая клавиатура, спикеры (микрофоны), диктофон и др.

Устройства вывода информации весьма разнообразны в зависимости от вида выходной информации. Так, для вывода визуальной информации используется печатающее устройство (принтер) или монитор (дисплей), графопостроитель (плоттер). Вывод звуковой информации требует наличия специальной мультимедийной аппаратуры – динамиков, акустических колонок и наушников.

Концепции Н. Винера и Дж. фон Неймана быстро нашли свое воплощение в ЭВМ, созданных уже в конце 1940-х – начале 1950-х гг. (ЭВМ с хранимой программой UNIVAC, Universal Automatic Computer, появившаяся в 1949 г. в США; машины серии IBM 701 и др.). Первые ЭВМ имели следующие параметры (на примере ЭВМ UNIVAC):

■ устройства ввода данных с магнитной ленты и перфокарт;

■ длина машинного слова – 78 бит;

■ емкость основной памяти – 1000 слов;

■ использование 100 ртутных линий задержки с обратной связью для хранения данных;

■ производительность – одно сложение за 500 мкс, одно умножение за 2,5 мс;

■ обеспечение надежности обработки данных за счет дублирования важнейших схем;

■ контроль достоверности преобразования данных по методу контроля «четности».

В 1951 г. в Киеве под руководством академика С. А. Лебедева была создана первая отечественная малая электронно-счетная машина (МЭСМ); в 1952 г. появилась большая электронно-счетная машина (БЭСМ). Популярная машина БЭСМ 2 этой серии имела следующие характеристики:

■ разрядность машинного слова – 39 бит (в два раза меньше, чем для UNIVAC);

■ разрядность числа с плавающей точкой: мантисса – 32 бита, порядок – 5 бит, по 1 биту знаки мантиссы и порядка, что обеспечивало представление чисел в диапазоне 10

9–109; в формате с фиксированной запятой представлялись только числа меньше 1;

■ двоично-кодированное представление десятичных чисел, когда каждую десятичную цифру представляют 4 бита;

■ максимальное быстродействие –10 000 операций в секунду;

■ одно-, двух-, трехадресные и безадресные команды, всего 32 машинные команды: девять арифметических операций, шесть логических операций, восемь операций передачи кодов, девять операций управления;

■ разрядность адреса – 11 бит, разрядность кода операции – 6 бит;

■ ОЗУ на ферритовых сердечниках емкостью 2048 со временем обращения 10 мкс построено на магнитных барабанах, емкость ВЗУ – 5000 чисел, среднее время доступа – 40 мс, скорость считывания – 800 чисел в секунду;

■ ВЗУ на магнитных лентах: 4 шт. по 30 000 чисел со скоростью считывания 400 чисел в секунду;

■ ввод данных с перфоленты со скоростью 20 кодов в секунду;

■ вывод данных на перфоленту со скоростью 20 чисел в секунду.

Позже, в 1950–1960 гг., в СССР были разработаны отечественные ЭВМ «Стрела», «Урал», «Минск», М-20, М-220 и др. У истоков создания советской вычислительной техники стояли такие крупные отечественные ученые, как: С. А. Лебедев, Б. И. Рамеев, Ю. А. Базилевский, И. С. Брук, А. А. Ляпунов, В. М. Глушков, Б. Н. Наумов и др.

Архитектура ЭВМ Дж. фон Неймана полностью соответствует ЭВМ первого и второго поколений. Появление ЭВМ третьего поколения, основанных на применении интегральных схем, обострило противоречия в согласовании производительности структурных блоков ЭВМ. Возникла необходимость создания каналов ввода/ вывода, специальных электронных схем управления работой внешних устройств (контроллеров), которые являются специализированными процессорами и имеют собственную систему команд. Среди каналов ввода/вывода выделяли мультиплексные каналы, обслуживающие большое число медленно работающих устройств ввода/вывода, и селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные ВЗУ.

Появился и новый вид памяти – видеопамять. Это было обусловлено разработкой устройства визуального ввода и вывода – дисплея. Характерной чертой архитектуры ЭВМ нового поколения является общая шина. Переход к шинной архитектуре построения ЭВМ

Рис. 5.2. Открытая шинная архитектура ЭВМ

позволил реализовать открытую архитектуру для ЭВМ, содержащих небольшое число внешних устройств (рис. 5.2).

В следующих поколениях ЭВМ процессор перестал играть центральную роль в конструкции ЭВМ. Это позволило устройствам ЭВМ устанавливать прямые связи друг с другом, осуществлять обмен данными между внешним устройством и ОЗУ (без участия центрального процессора). Метод прямого доступа к памяти реализован на базе специального контроллера.

Архитектура ЭВМ постоянно развивается. Так, увеличение потоков информации между устройствами привело к использованию вместо одной нескольких специальных шин (шина для обмена данными с памятью, шина для связи с быстрыми внешними устройствами, шина для связи с медленными внешними устройствами и т.п.). В современной архитектуре ЭВМ наметились три тенденции:

  • 1) усложнение системы связи между узлами ЭВМ за счет расширения внешних устройств;
  • 2) создание многопроцессорных ЭВМ (сочетание центрального и специализированных процессоров, видеопроцессоров для ускорения визуализации информации и т.п.), которое связано с развитием методов параллельных вычислений, позволяющих усложнить структуру вычислительной системы;
  • 3) ускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций, которое привело к появлению многомашинных комплексов, компьютерных сетей, понятия «архитектура вычислительной системы».

Следует также заметить, что ЭВМ, построенные на основе неймановской архитектуры и рассчитанные на последовательное выполнение команд, имеют предел роста производительности. Для совершенствования вычислительных процессов осуществляется переход на параллельную, отличную от неймановской, векторно-конвейерную архитектуру построения ЭВМ, многопроцессорных систем и сетей ЭВМ.

Наиболее характерными чертами архитектуры современных ЭВМ являются: модульность построения – наличие в структуре ЭВМ автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске); иерархическая организация структуры ЭВМ, основанная на наличии центрального процессора и совокупности подключаемых к нему контроллеров, каналов ввода/вывода, специальных шин или магистралей для передачи управляющих сигналов, адресов операндов и самих данных, передачи управляющих сигналов от центрального процессора и информации обратной связи вверх по иерархии с целью правильной координации работы всех узлов; децентрализация управления и структуры ЭВМ.

Для ЭВМ применяется система машинных команд, включающая в себя команды: передачи данных (пересылки), арифметические, логические, сдвигов двоичного кода влево и вправо (для выполнения умножения и деления), ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами, управления, специальные.

Процессор ЭВМ характеризуется: набором выполняемых команд, скоростью их выполнения, объемом адресуемой памяти, размерами машинных слов, разрядностью.

Производительность ЭВМ зависит от быстродействия процессора, класса решаемых задач и порядка прохождения задачи через ЭВМ. Ее характеризуют различные показатели:

■ число коротких операций в единицу времени (обычно берут операцию сложения, когда операнды хранятся во внутренних регистрах процессора), а для оценки числового выражения эффективности ЭВМ используют смеси команд;

■ скорость выполнения команд над числами с плавающей запятой;

■ тактовая частота генератора тактовых импульсов компьютера;

Тактовая частота синхронизирует все операции процессора, но при этом любая операция в процессоре не может быть выполнена быстрее, чем за один такт импульсов.

Наиболее распространенными единицами измерения производительности ЭВМ являются: FLOPS (Floating point Operations Per Second) – число операций с плавающей запятой в секунду (флопс); MIPS (Million Instructions Per Second) – миллионы инструкций в секунду для операций с фиксированной запятой.

Рост производительности суперЭВМ представлен на рис. 5.3, а производительность ПК – на рис. 5.4.

Оперативная память компьютера рассматривается как массив ячеек, номер ячейки памяти называется ее адресом. Важнейшая характеристика процессора – разрядность адреса, которая определяет размерность адресного пространства. Единицей адресации является байт. Для обращения процессора к памяти используется

Рис. 5.3. Рост производительности суперЭВМ

Рис. 5.4. Рост производительности ПК

адрес, передаваемый по адресной шине. Разрядность шины адреса определяет максимальный номер байта, который может быть затребован процессором. Для 16-тиразрядной шины адреса адресное пространство составляет 64 Кбайт, при 32-хразрядной шине адреса – 4 Гбайт, 64-хразрядной шине адреса – 16 Тбайт. При этом чем больше разрядность шины адреса, тем шире и шина данных. Примерное соотношение ширины шины адреса в современных процессорах – от 0,5 до 2,0 ширины шины данных.

Машинное слово является машинно зависимой величиной и определяет:

■ разрядность шины данных, характеризующую число передаваемых битов данных за один такт работы процессора;

■ разрядность данных, обрабатываемых процессором;

■ максимальное значение целого без знака числа, равное 2n – 1, превышение этого размера приводит к переполнению;

■ максимальный объем оперативной памяти, напрямую адресуемой процессором.

Размер машинного слова равен разрядности регистров процессора, он определяется в битах или байтах. Число одновременно обрабатываемых битов называется разрядностью процессора: чем больше разрядность процессора, тем выше его производительность.

источник

Уровень архитектуры необходим каждому специалисту. Архитектура — это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных функциональных узлов. На этом уровне не требуется знание схемных решений современной радиотехники и микроэлектроники. Последнее вообще выходит за пределы информатики, оно требуется лишь разработчикам физических элементов компьютеров.

Уровень архитектуры достаточно глубок, он включат вопросы управления работой ЭВМ (программирования) на языке машинных команд (ассемблера). Такой способ управления гораздо сложнее, чем написание программ на языках высокого уровня и, тем не менее, без представления о нем невозможно понять реальную работу компьютера.

Наконец, в данной главе приведен краткий обзор внешних устройств современных компьютеров — накопителей, устройств ввода и вывода информации, — а также элементарное описание принципов их работы, профессиональные характеристики.

Предметом исследования является архитектура ЭВМ.

Целью работы является изучение архитектуры ЭВМ.

· изучить развитие внутренней структуры ЭВМ.

Слово «архитектура» в изначальном своем смысле используется в градостроении. Будучи достаточно сложной структурой, современный город состоит из районов, площадей, улиц, домов и т.п., расположенных определенным образом.

Для того чтобы ориентироваться в хитросплетении улиц и площадей, в любом городе существует исторически сложившаяся система названий, а также определенная нумерация домов. Наличие общепринятой адресации позволяет однозначно определить положение любого строения и в случае необходимости быстро отыскать его. Во многих случаях расположение улиц и присвоение им имен носит беспорядочный характер. В то же время бывает, что эта деятельность тщательно продумана и является продолжением общей планировки города, т.е. фактически частью его архитектуры. Классическим примером может служить известная система взаимно-перпендикулярных улиц (авеню и стриты) города Нью-Йорка. Помимо чисто практической, архитектура города может иметь еще и художественную ценность (что обычно больше интересует приезжих). Но этот аспект понятия «архитектура» вряд ли переносим на вычислительную технику.

Используя аналогию с градостроительством, естественно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. Если заглянуть, например, в «Толковый словарь по вычислительным системам», мы прочтем там, что термин «архитектура ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ «архитектура»».

Однако описание внутренней структуры ЭВМ вовсе не является самоцелью: с точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими, присущими многим конкретным реализациям вычислительных машин. Часто говорят даже о семействах ЭВМ, т.е. группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам. Ярким примером могут служить различные модификации компьютеров PDP фирмы DEC (более известные нашим пользователям по отечественным аналогам — серии ДВК), семейство MSX-машин, которому принадлежит широко распространенная YAMAHA, а также заполонившие мир IBM-совместимые персональные компьютеры.

Читайте также:  Дают ли отсрочку после коррекции зрения

Именно то общее, что есть в строении ЭВМ, и относят к понятию архитектуры. Важно отметить, что целью такой общности, в конечном счете, служит вполне понятное стремление: все машины одного семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту же программу. Отсюда неизбежно следует вывод, что с точки зрения архитектуры важны не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и «пользовательской» работе с ЭВМ. Ниже приводится перечень тех наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

• способы доступа к памяти и внешним устройствам;

• возможность изменения конфигурации компьютера;

Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение архитектуры:

«Архитектура-это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов».

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.

Ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде. Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации — текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут — выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке 2.1. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные-управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ

Рисунок 2.1 — Архитектура ЭВМ, построенной на принципах Фон Неймана

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок — процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров «многоярусно» и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом. На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается — определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день — фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

источник

Обработка информации состоит в получении одних «информационных объектов» из других «информационных объектов» путем выполнения некоторых алгоритмов и является одной из основных операций, осуществляемых над информацией, и главным средством увеличения ее объема и разнообразия.

На самом верхнем уровне можно выделить числовую и нечисловую обработку. В указанные виды обработки вкладывается различная трактовка содержания понятия «данные».

При числовой обработке используются такие объекты, как переменные, векторы, матрицы, многомерные массивы, константы и т.д. При нечисловой обработке объектами могут быть файлы, записи, поля, иерархии, сети, отношения и т.д. Другое отличие заключается в том, что при числовой обработке содержание данных не имеет большого значения, в то время как при нечисловой обработке нас интересуют непосредственные сведения об объектах, а не их совокупность в целом.

С точки зрения реализации на основе современных достижений вычислительной техники выделяют следующие виды обработки информации:

• последовательная обработка, применяемая в традиционной фоннеймановской архитектуре ЭВМ, располагающей одним процессором;

• параллельная обработка, применяемая при наличии нескольких процессоров в ЭВМ;

• конвейерная обработка, связанная с использованием в архитектуре ЭВМ одних и тех же ресурсов для решения разных задач, причем если эти задачи тождественны, то это последовательный конвейер, если задачи одинаковые — векторный конвейер.

Принято относить существующие архитектуры ЭВМ с точки зрения обработки информации к одному из следующих классов [35].

Архитектуры с одиночным потоком команд и данных (SISD). Кэтому классу относятся традиционные фоннеймановские однопроцессорные системы, где имеется центральный процессор, работающий с парами «атрибут — значение».

Архитектуры с одиночными потоками команд и данных (SIMD).Особенностью данного класса является наличие одного (центрального) контроллера, управляющего рядом одинаковых процессоров. В зависимости от возможностей контроллера и процессорных элементов, числа процессоров, организации режима поиска и характеристик маршрутных и выравнивающих сетей выделяют:

• матричные процессоры, используемые для решения векторных и матричных задач;

• ассоциативные процессоры, применяемые для решения нечисловых задач и использующие память, в которой можно обращаться непосредственно к информации, хранящейся в ней;

• процессорные ансамбли, применяемые для числовой и нечисловой обработки;

• конвейерные и векторные процессоры (в качестве операндов команд выступают упорядоченные массивы данных).

Архитектуры с множественным потоком команд и одиночным потоком данных (MISD).К этому классу могут быть отнесены конвейерные процессоры.

Архитектуры с множественным потоком команд и множественным потоком данных (MIMD).К этому классу могут быть отнесены следующие конфигурации: мультипроцессорные системы, системы с мультобработкой, вычислительные системы из многих машин, вычислительные сети.

Основные процедуры обработки данных представлены на рис. 4.5.

Создание данных, как процесс обработки, предусматривает их образование в результате выполнения некоторого алгоритма и дальнейшее использование для преобразований на более высоком уровне.

Модификация данных связана с отображением изменений в реальной предметной области, осуществляемых путем включения новых данных и удаления ненужных.

Контроль, безопасность и целостность направлены на адекватное отображение реального состояния предметной области в информационной модели и обеспечивают защиту информации от несанкционированного доступа (безопасность) и от сбоев и повреждений технических и программных средств.

Поиск информации, хранимой в памяти компьютера, осуществляется как самостоятельное действие при выполнении ответов на различные запросы и как вспомогательная операция при обработке информации.

Поддержка принятия решения является наиболее важным действием, выполняемым при обработке информации. Широкая альтернатива принимаемых решений приводит к необходимости использования разнообразных математических моделей.

Создание документов, сводок, отчетов заключается в преобразовании информации в формы, пригодные для чтения как человеком, так и компьютером. С этим действием связаны и такие операции, как обработка, считывание, сканирование и сортировка документов.

При преобразовании информации осуществляется ее перевод из одной формы представления или существования в другую, что определяется потребностями, возникающими в процессе реализации информационных технологий.

Реализация всех действий, выполняемых в процессе обработки информации, осуществляется с помощью разнообразных программных средств.

Наиболее распространенной областью применения технологической операции обработки информации является принятие решений.

В зависимости от степени информированности о состоянии управляемого процесса, полноты и точности моделей объекта и системы управления, взаимодействия с окружающей средой, процесс принятия решения протекает в различных условиях:

1. Принятие решений в условиях определенности.В этой задаче модели объекта и системы управления считаются заданными, а влияние внешней среды — несущественным. Поэтому между выбранной стратегией использования ресурсов и конечным результатом существует однозначная связь, откуда следует, что в условиях определенности достаточно использовать решающее правило для оценки полезности вариантов решений, принимая в качестве оптимального то, которое приводит к наибольшему эффекту. Если таких стратегий несколько, то все они считаются эквивалентными. Для поиска решений в условиях определенности используют методы математического программирования.

2. Принятие решений в условиях риска.В отличие от предыдущего случая для принятия решений в условиях риска необходимо учитывать влияние внешней среды, которое не поддается точному прогнозу, а известно только вероятностное распределение ее состояний. В этих условиях использование одной и той же стратегии может привести к различным исходам, вероятности появления которых считаются заданными или могут быть определены. Оценку и выбор стратегий проводят с помощью решающего правила, учитывающего вероятность достижения конечного результата.

3. Принятие решений в условиях неопределенности.Как и впредыдущей задаче между выбором стратегии и конечным результатом отсутствует однозначная связь. Кроме того, неизвестны также значения вероятностей появления конечных результатов, которые либо не могут быть определены, либо не имеют в контексте содержательного смысла. Каждой паре «стратегия — конечный результат» соответствует некоторая внешняя оценка в виде выигрыша. Наиболее распространенным является использование критерия получения максимального гарантированного выигрыша.

4. Принятие решений в условиях многокритериальности.В любой из перечисленных выше задач многокритериальность возникает в случае наличия нескольких самостоятельных, не сводимых одна к другой целей. Наличие большого числа решений усложняет оценку и выбор оптимальной стратегии. Одним из возможных путей решения является использование методов моделирования.

Решение задач с помощью искусственного интеллекта заключается в сокращении перебора вариантов при поиске решения, при этом программы реализуют те же принципы, которыми пользуется в процессе мышления человек.

Экспертная система пользуется знаниями, которыми она обладает в своей узкой области, чтобы ограничить поиск на пути к решению задачи путем постепенного сужения круга вариантов.

Для решения задач в экспертных системах используют:

• метод логического вывода, основанный на технике доказательств, называемой резолюцией и использующей опровержение отрицания (доказательство «от противного»);

• метод структурной индукции, основанный на построении дерева принятия решений для определения объектов из большого числа данных на входе;

• метод эвристических правил, основанных на использовании опыта экспертов, а не на абстрактных правилах формальной логики;

• метод машинной аналогии, основанный на представлении информации о сравниваемых объектах в удобном виде, например, в виде структур данных, называемых фреймами.

Источники «интеллекта», проявляющегося при решении задачи, могут оказаться бесполезными либо полезными или экономичными в зависимости от определенных свойств области, в которой поставлена задача. Исходя из этого, может быть осуществлен выбор метода построения экспертной системы или использования готового программного продукта.

Процесс выработки решения на основе первичных данных, схема которого представлена на рис. 4.6, можно разбить на два этапа: выработка допустимых вариантов решений путем математической формализации с использованием разнообразных моделей и выбор оптимального решения на основе субъективных факторов.

Информационные потребности лиц, принимающих решение, во многих случаях ориентированы на интегральные технико-экономические показатели, которые могут быть получены в результате обработки первичных данных, отражающих текущую деятельность предприятия. Анализируя функциональные взаимосвязи между итоговыми и первичными данными, можно построить так называемую информационную схему, которая отражает процессы агрегирования информации. Первичные данные, как правило, чрезвычайно разнообразны, интенсивность их поступления высока, а общий объем на интересующем интервале велик. С другой стороны состав интегральных показателей относительно мал, а требуемый период их актуализации может быть значительно короче периода изменения первичных данных — аргументов.

Для поддержки принятия решений обязательным является наличие следующих компонент:

В настоящее время принято выделять два типа информационных систем поддержки принятия решений.

Системы поддержки принятия решений DSS(Decision Support System) осуществляют отбор и анализ данных по различным характеристикам и включают средства:

• извлечения данных из разнородных источников;

• моделирования правил и стратегии деловой деятельности;

• деловой графики для представления результатов анализа;

• искусственного интеллекта на уровне экспертных систем.

Системы оперативной аналитической обработки OLAP (OnLine Analysis Processing) для принятия решений используют следующие средства:

Читайте также:  Вещества с точки зрения зонной теории

• мощную многопроцессорную вычислительную технику в виде специальных OLAP-серверов;

• специальные методы многомерного анализа;

• специальные хранилища данных Data Warehouse.

Реализация процесса принятия решений заключается в построении информационных приложений. Выделим в информационном приложении типовые функциональные компоненты, достаточные для формирования любого приложения на основе БД.

PS (Presentation Services) — средства представления.Обеспечиваются устройствами, принимающими ввод от пользователя и отображающими то, что сообщает ему компонент логики представления PL, плюс соответствующая программная поддержка. Может быть текстовым терминалом или X-терминалом, а также персональным компьютером или рабочей станцией в режиме программной эмуляции терминала или Х-терминала.

PL (Presentation Logic) — логика представления.Управляет взаимодействием между пользователем и ЭВМ. Обрабатывает действия пользователя по выбору альтернативы меню, по нажатию кнопки или выбору элемента из списка.

BL (Business or Application Logic) — прикладная логика.Набор правил для принятия решений, вычислений и операций, которые должно выполнить приложение.

DL (Data Logic) — логика управления данными.Операции с базой данных (SQL-операторы SELECT, UPDATE и INSERT), которые нужно выполнить для реализации прикладной логики управления данными.

DS (Data Services) — операции с базой данных.Действия СУБД, вызываемые для выполнения логики управления данными, такие как манипулирование данными, определения данных, фиксация или откат транзакций и т.п. СУБД обычно компилирует SQL-приложения.

FS (File Services) — файловые операции.Дисковые операции чтения и записи данных для СУБД и других компонент. Обычно являются функциями ОС.

Среди средств разработки информационных приложений можно выделить следующие основные группы:

• традиционные системы программирования;

• инструменты для создания файл-серверных приложений;

• средства разработки приложений «клиент—сервер»;

• средства автоматизации делопроизводства и документооборота;

• средства разработки Интернет/Интранет-приложений;

• средства автоматизации проектирования приложений.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 8823 — | 7530 — или читать все.

195.133.146.119 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

источник

Система (от греческого слова “целое”) – это совокупность взаимодействующих элементов, образующих определенное единство. Существует ряд иных определений, из которых мне более всего импонирует следующее: система состоит из подсистем, обладающих всеми свойствами системы.

Под информационной системой (ИС) понимается система, организующая, хранящая и преобразовывающая информацию (это определение дается с точки зрения выполняемых функций).

Основу любой автоматизированной ИС составляет ЭВМ (отечественная терминология) или компьютер (зарубежная терминология). ЭВМ – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

В 70-х годах 20 века ЭВМ превратились сначала в вычислительные системы, а затем в информационно-вычислительные системы.

Вычислительная система (ВС) — это совокупность одного или нескольких компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для выполнения информационно-вычислительных процессов.

При рассмотрении компьютерных устройств, принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

2. 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 процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину 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 памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”.

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст 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 результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

4. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских.

Архитектура первой ЭВМ предусматривала наличие в составе пяти функциональных устройств, обязательных для архитектуры фон Неймана. Это арифметико-логическое устройство (АЛУ), запоминающее устройство (ЗУ), входное устройство, выходное устройство и устройство управления.

АЛУ реализует выполнение команд, составляющих программу, используя предусмотренный в нем набор базовых операций (арифметических, логических, условного перехода и т.п.).

ЗУ (память) хранит программы, исходные и текущие данные. Место данных и команд в памяти определяется их адресом (адресуемая память) – номером ячейки ЗУ. Содержимое ячейки при чтении не меняется, при записи старое стирается и заменяется на новое. В командах-преобразователях указываются не сами операнды, а их адреса. Это придает программе универсальность формулы, в которую можно подставлять различные данные.

Входное устройство предназначено для ввода в ЭВМ информации, необходимой для решения задач. Это программы, исходные данные, управляющие символы, представленные в двоичных кодах.

Выходное устройство обеспечивает вывод получаемых результатов, представленных в удобной для пользователя форме, а также специальных управляющих символов.

Устройство управления организует:

-взаимодействие АЛУ с ЗУ (поочередную передачу команд программы в АЛУ, поиск в памяти нужных для выполнения очередной команды данных, запись получаемых результатов в память);

-прием информации от пользователя;

-выдачу информации пользователю.

Пройдя пять поколений ЭВМ, архитектура фон Неймана сохраняется и в современных микропроцессорных вычислительных системах в качестве «ядра», вокруг которого создается «интеллектуальная» оболочка.

В основе организации современных цифровых вычислительных систем лежит так называемый магистрально-модульный принцип. Суть его заключается в наличии набора магистралей (шин), к которым свободно подсоединяются функциональные модули.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров.

В состав микропроцессора входят:

— устройство управления (УУ) — формирует и подаёт во все блоки машины, в нужные моменты времени определённые сигналы управления; формирует адреса ячеек памяти и передаёт эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ;

— арифметико-логическое устройство (АЛУ) — предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией;

— микропроцессорная память (МПП) — служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины;

— интерфейсная система микропроцессора — реализует связь с другими устройствами персонального компьютера.

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими блоками машины.

Основная память содержит два вида запоминающих устройств:

— постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации. ПЗУ состоит из специальных чипов, информация из которых, будучи однажды записана, в дальнейшем только считывается. В силу этого свойства, записанные в таких чипах данные и инструкции не могут быть изменены (в английской транскрипции ПЗУ называется ROM – Read Only Memory, что означает “память только для чтения”). Расширенное ПЗУ включает постоянную BIOS и отвечает за устройства ввода/вывода, такие, как контроллер (устройство управления) винчестера и др. Основное ПЗУ системы обеспечивает самопроверку при включении компьютера, загрузку операционной системы с диска, рисование точек при выводе графики. Когда Вы включаете компьютер, ПЗУ управляет различными проверками и загрузкой специальных данных с диска в ОЗУ (заметим, что для программиста эта память недоступна). Микросхема постоянного запоминающего устройства способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен;

— оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. ОЗУ доступна программисту в качестве пространства для временного хранения данных и выполнения программ. При включении компьютера часть операционной системы загружается с винчестера в оперативную память. Остальная память из основного ОЗУ может использоваться программистом. Выполняемая прикладная программа находится в этой части ОЗУ и выводит результаты обработки на экран дисплея, принтер или устройства внешней памяти (например, НГМД или винчестер). После завершения одной прикладной программы операционная система может загрузить на ее место другую программу. Выключение компьютера приводит к потере данных в ОЗУ, но не влияет на ПЗУ. Вот почему требуемые для дальнейшей обработки данные необходимо сохранять в долговременной памяти.

Чтобы компьютер мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера — клавиатуры, дисководов для магнитных дисков и т.д. Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находиться не снаружи компьютера, а встраиваться внутрь системного блока. Результаты выполнения программ выводятся на внешние устройства — монитор, диски, принтер и т.д. Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом-выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются целых два промежуточных звена:

1.Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.

2.Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую в просторечии обычно называют шиной.

Шина — это совокупность линий, по которым информация передаётся из одного устройства в другое.

Системная шина включает в себя: кодовую шину данных (КШД), кодовую шину адреса (32-разрядная), кодовую шину инструкций (управления).

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации между:

— микропроцессором и основной памятью;

— микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

— основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.

Выделим общие архитектурные свойства ЭВМ, присущие большинству типов машин так называемой фон-неймоновской архитектуры [Юров,2002,с.28-29]:

(1) принцип хранимой программы. Согласно ему, код программы и её данные находятся в одном адресном пространстве в оперативной памяти;

(2) принцип микропрограммирования. Суть этого принципа заключается в том, что машинный язык всё-таки ещё не является той конечной субстанцией, которая физически приводит в действие процессы в машине. В состав процессора входит блок микропрограммного управления. Этот блок для каждой машинной команды имеет набор действий-сигналов, которые нужно сгенерировать для физического выполнения требуемой машинной команды;

(2) линейное пространство памяти — совокупность ячеек памяти, которым последовательно присваиваются номера (адреса) 0, 1, 2. ;

(3) последовательное выполнение программ. Процессор выбирает из памяти команды строго последовательно. Для изменения прямолинейного кода выполнения программы или осуществления ветвления необходимо использовать специальные команды, которые называются командами условного и безусловного перехода;

(4) с точки зрения процессора нет принципиальной разницы между данными и командами. Данные и машинные команды находятся в одном пространстве памяти в виде последовательности нулей и единиц. Это свойство связано с предыдущим. Процессор, исполняя содержимое некоторых последовательных ячеек памяти, всегда пытается трактовать его как коды машинной команды, а если это не так, то происходит аварийное завершение программы, содержащей некорректный фрагмент. Поэтому важно в программе всегда чётко разделять пространство данных и команд;

(5) безразличие к целевому назначению данных. Машине всё равно, какую логическую нагрузку несут обрабатываемые ею данные.

Следует отметить, что существует также и альтернативный тип архитектуры — гарвардская архитектура. Гарвардская архитектура отличается от архитектуры фон Неймана тем, что программный код и данные хранятся в разной памяти. В такой архитектуре невозможны многие методы программирования (например, программа не может во время выполнения менять свой код; невозможно динамически перераспределять память между программным кодом и данными); зато гарвардская архитектура позволяет более эффективно выполнять работу в случае ограниченных ресурсов, поэтому она часто применяется во встраиваемых системах.

источник