• §1. Принципы фон-Неймана.
  • П.2. Принципы фон-Неймана.
  • §2. Структура ЭВМ.
  • П.1. Процессор. Такт работы процессора.
  • П.2. Оперативная память.
  • П.3. Внешние устройства.

  • Скачать 377.91 Kb.


    страница1/4
    Дата18.09.2017
    Размер377.91 Kb.

    Скачать 377.91 Kb.

    Архитектура ЭВМ учебные машины


      1   2   3   4

    АРХИТЕКТУРА   ЭВМ.    УЧЕБНЫЕ    МАШИНЫ


    Бордаченкова Е.А.
    Пособие предназначено для студентов первого курса факультета ВМиК в поддержку курса "Архитектура ЭВМ и язык ассемблера".
    В первом семестре Вы уже познакомились с понятием "алгоритм". Как Вы помните, алгоритм описывает действия, которые исполнитель произведёт над объектами для достижения некоторой цели. В этом пособии мы рассмотрим пример одного возможного исполни­теля, а именно электронно-вычис­ли­тельную машину (ЭВМ, или компьютер). Мы разберем, как устроен компьютер и как именно он выполняет алгоритм.

    §1. Принципы фон-Неймана.




    П.1. Свойства ЭВМ.


    Целью создания первых вычислительных машин было облегчить, упростить громоздкие арифметические вычисления, которые приходилось выполнять при решении физических и инженерных задач. Для того чтобы производство вычислительной машины экономически оправдало себя, нужно чтобы

    1. машина была универсальной - пригодной для решения не одной конкретной задачи, а целого класса задач.

    2. машина должна обладать достаточным быстродействием. (Быстро­действие - скорость вычислений). Чем выше быстродействие, тем больше задач решает машина за фиксированный отрезок времени. Тем эффективнее работа машины.

    3. стоимость производства машины не должна быть очень большой.



    П.2. Принципы фон-Неймана.

    В 1943 г. американский математик Джон фон-Нейман описал как, по его мнению, должна быть устроена машина для вычислений. Сформулированные им принципы получили название "принципов фон-Неймана", а машины, построенные в соответствии с ними, стали называть фон-Неймановскими. Большинство современных ЭВМ являются фон-Неймановскими.

    Основными частями ЭВМ являются процессор и память. Процессор управляет работой компьютера; обеспечивает выполнение программ. Память (оперативная память) служит для хранения данных и программы во время работы компьютера.





    О.П.

    0







    1







    .







    .







    .







    N-1






    Оперативная память состоит из элементов - ячеек. Каждая ячейка имеет свой номер, который называется адресом. Если в памяти N ячеек, они нумеруются от 0 до N 1. Ячейка состоит из разрядов. Каждый разряд содержит одну двоичную цифру (0 или 1). Количество разрядов во всех ячейках одинаково и называется разрядностью машины.
    Принципы фон-Неймана.

    1. Линейная организация памяти.

    Ячейки памяти располагаются последовательно по возрастанию номеров.

    2. Прямой доступ к элементам памяти.

    Доступ к ячейке осуществляется по её адресу, в каждый момент работы компьютера можно обратиться к любой ячейке памяти.

    Этот принцип обеспечивает облегчение программирования, удобство и надежность использования ЭВМ. (Вспомните машину Тьюринга. Для доступа к ячейке, отстоящей, например, на три ячейки правее данной, требовалось вводить три дополнительных состояния.)

    3. Использование двоичной системы для хранения и обработки информации.

    Этот принцип следует прежде всего из практических соображений: довольно легко с помощью электронных устройств реализовать два возможных состояния - 0 и 1.

    4. Принцип хранимой программы.

    Программа, управляющая процессом вычислений, хранится в памяти машины.

    Этот принцип обеспечивает универсальность ЭВМ. (Сравним с машиной Тьюринга: каждая машина Тьюринга имела одну программу и могла решать только одну задачу! )

    5. Машинные операции.

    Существует набор действий по обработке данных, выполняемых аппаратно (реа­ли­зо­ванных в виде электронных схем). Эти действия называются машинными опера­циями.

    Чем больше машинных операций, тем легче программировать для ЭВМ и тем выше ее быстродействие. ( Вспомните, чтобы прибавить 1 к числу с помощью МТ, требовалось написать достаточно объемную программу.)

    Каждой машинной операции соответствует машинная команда - после­довательность нулей и единиц, которую может понять и выполнить процессор.

    Таким образом, содержащиеся в ячейке памяти нули и единицы могут изображать данное, а могут являться командой. Что же именно записано в ячейке - данное или команда - определяется во время работы ЭВМ. В дальнейшем мы обсудим подробнее этот вопрос.

    Итак, команда - это приказ процессору выполнить машинную операцию. Последовательность команд называется программой.

    6. Последовательное исполнение команд.

    Команды, записанные в памяти компьютера, выполняются последовательно, друг за другом.

    §2. Структура ЭВМ.


    Вычислительная машина состоит из следующих компонент

    Назначение компонент.


    Процессор

    управляет работой ЭВМ, обеспечивает выполнение программ.

    Оперативная память

    – используется для хранения данных и программ во время работы ЭВМ

    Внешние устройства

    – служат для связи ЭВМ с внешним миром

    Рассмотрим структуру и работу каждой из компонент.

    П.1. Процессор. Такт работы процессора.




    ЦП

    Процессор включает в себя следующие устройства.



    АЛУ (арифметическое устройство)

    – оно выполняет арифметические и логические операции (например, сложение, вычитание, умно­жение)

    УУ (устройство управления)

    – управляет работой процессора

    Регистры - специальные ячейки, которые находятся в ЦП.

    РК (регистр команды)

    содержит машинную ко­манду, которую выпол­няет в данный момент процессор.

    СА (счетчик адреса)

    содержит адрес следу­ющей команды.

    СС (слово-состояние)

    содержит информацию о результате выполнения команды.

    Выполнение процессором одной машинной команды назовём тактом работы процессора.

    Рассмотрим, как процессор выполняет машинную команду на примере команды

    Пусть 01 изображает код операции (КОП) "сложение"; А1, А2, А3 - адреса первого операнда, второго операнда и результата соответственно.

    1. В РК считывается из ОП команда, адрес которой записан в СА.

    2. Содержание СА увеличивается на 1, так что теперь в СА получился адрес следующей команды программы.

    3.УУ анализирует содержимое РК и организует выполнение команды.

    Выделяется КОП. Определяется, что надо выполнить операцию "сложение". Опре­де­ля­ются А1, А2, А3. Содержимое ячеек ОП с адресами А1, А2 пересылаются в АЛУ. Далее АЛУ выполняет действие сложение. Результат сложения из АЛУ пересылается в ячейку памяти с адресом А3. В регистр СС записывается информация об удачном (или неудачном) окончании выполнения сложения.

    Далее работа повторяется с первого шага.

    Ранее мы отмечали, что ячейка ОП может содержать данное или команду. Теперь понятно, как процессор отличает данное от команды: если адрес ячейки встретился в команде как адрес операнда, процессор обрабатывает содержимое ячейки как данное; если адрес ячейки получился в счетчике адреса, процессор обрабатывает содержимое ячейки как команду. Содержимое одной и той же ячейки в один момент работы процессора может трактоваться как данное, а в другой - как команда.

    Перед началом работы процессора в регистр СА записывается аппаратно всегда один и тот же адрес, и первая команда программы должна располагаться в ОП в ячейке именно с этим адресом.


    П.2. Оперативная память.

    Мы касались устройства оперативной памяти в §1. Напомним основные све­дения.







    О.П.

    0







    1







    .







    .







    .







    N-1






    Оперативная память (ОП) состоит из ячеек. Каж­дая ячейка имеет свой адрес - число от 0 до N-1. Ко­ли­чество ячеек (N) называется объемом ОП. Заметим, что объем ОП и размер регистра СА взаимосвязаны: количество разрядов в СА должно быть достаточно для хранения любого возможного адреса. (Наибольший возможный адрес в нашем предположении N-1.)

    Ячейки состоят из разрядов. Количество разрядов во всех ячейках одинаково и называется разрядностью машины. Каждый разряд содержит одну двоичную цифру. Иногда разряды называются битами. В программировании слово "бит" используют в двух смыслах:

    Бит - один двоичный разряд ячейки.

    - содержимое одного двоичного разряда.

    Содержимое ячейки называют словом или машинным словом.

    Содержимое ОП. Ячейки могут хранить данные и команды. Команды, составляющие программу, обычно располагаются в ОП последовательно, друг за другом. Что именно содержит ячейка - данное или команду - определяется в момент использования содержимого ячейки.

    Работа ОП. Заметим, что ячейка ОП всегда имеет некоторое содержимое. В самом деле, электронное устройство, являющееся разрядом в ячейке, обязательно находится в каком-нибудь состоянии; это состояние изображает "0" или "1". Таким образом, ячейка заполнена нулями и единицами. Однако это содержимое не имеет никакого смысла. Для того, чтобы можно было обрабатывать данное, содержащееся в ячейке, надо сначала это данное записать в ячейку.

    Итак, есть две основные операции работы с ОП:

    1. Запись данного в ячейку.

    ЦП сообщает ОП, чтó именно надо записать и по какому адресу. При записи в ячейку ее старое содержимое теряется, становится недоступным.

    2. Чтение содержимого ячейки.

    ЦП передает ОП нужный адрес. Содержимое ячейки с этим адресом считывается и пересылается в ЦП. При чтении содержимое ячейки не изменяется.

    Чтение и запись в ОП производится специальными электронными схемами. При выключении вычислительной машины содержимое ОП теряется.

    П.3. Внешние устройства.

    Внешние устройства служат для связи ЭВМ с окружающим миром. Обычно к ЭВМ подключаются клавиатура, монитор (экран, дисплей), внешние запоминающие устройства (жесткие диски, дисководы для гибких дисков) и мышь. В зависимости от того, для каких целей используют ЭВМ, набор подключенных к ЭВМ устройств может сильно изменяться. К внешним устройствам относятся:



    • принтер (печатающее устройство),

    • устройство для работы с магнитными лентами,

    • сканер (устройство для ввода графических изображений),

    • модем (устройство для связывания компьютеров через телефонную сеть),

    • устройство чтения с лазерных дисков

    и другие специальные приборы.



    Для подключения внешних устройств в ЭВМ имеются каналы.

    Канал - аппаратура и программное обеспечение (про­граммы), занимающиеся передачей сигналов между ЭВМ и внешним устройством.

    Во внешнем устройстве есть контроллер.



    Контроллер - аппаратура и программное обеспе­чение, которое обрабатывает сигналы ЭВМ и подго­тавливает данные для устройства. Контроллер учитывает особенности работы своего внешнего устройства.

    Внешние устройства работают намного медленнее процессора. Для того, чтобы процессор не простаивал во время работы внешнего устройства, организуется парал­лельная работа процессора и внеш­него устройства.

    Пусть процесс решения некоторой задачи состоит из трех отрезков счета (ра­боты ЦП), двух печатей и одной записи данных на диск:





    По окончании этапа Счет 1, когда получены данные для первой печати, принтер может заняться печатью, а ЦП может продолжить решение задачи. После получения данных для диска, дисковод начинает записывать, а ЦП может продолжить работу. В итоге, общее время решения задачи сократится.



    Параллельная органи­за­ция работы устройств позволяет повысить эффективность ис­пользования ЭВМ, увеличить быстродействие, обеспечивая выполнение второго свойства вычислительных машин.


      1   2   3   4

    Коьрта
    Контакты

        Главная страница


    Архитектура ЭВМ учебные машины

    Скачать 377.91 Kb.