<<
>>

ЭВМ последовательного действия.

Они, как правило, состоят из одного центрального процессора (ЦП), который последовательно в соответствии с адресами выбирает команды из ОЗУ, декодирует каждую из них, считывает данные в свои регистры, выполняет над ними микрооперации (в соответствии с предписанием в команде) и запоминает результаты в указанных ячейках памяти.

Связь ЦП с отдельными функциональными узлами и устрой- ствами ЭВМ осуществляется по общей шине (ее называют еще си- стемной магистралью), доступ к которой происходит в разные мо- менты времени. Системная магистраль представляет собой сгруп- пированные в шины линии связи: обмена данными и командами, передачи адресов, сигналов управления и контроля.

Шина данных — это основная шина, число разрядов (линий свя- зи) которой определяет скорость и эффективность информацион- ного обмена между всеми устройствами ЭВМ. Обычно шина дан- ных имеет 32 или 64 разряда. Разрядность шины данных определяет и разрядность магистрали. Например, когда в техническом описа- нии упоминается о 64-разрядной системной магистрали, подразу- мевается, что она имеет 64-разрядную шину данных.

Шина данных всегда двунаправленная, так как предполагает пе- редачу команд и данных в обоих направлениях, поэтому выход ее каждой линии может иметь три состояния: уровни логического нуля, логической единицы и «разрыв» (высокое сопротивление) линии.

Шина адреса служит для передачи и определения адреса (номе- ра) устройства, с которым в данный момент необходимо обменять- ся информацией. Шина адреса обусловливает максимально воз- можный объем доступной оперативной памяти и, следовательно, размер программы и данных. Разрядность шины обычно кратна че- тырем, а число адресов, обеспечиваемых шиной адреса, равно 2ЛГ, где N — число ее разрядов.

Шина адреса может быть однонаправленной (когда магистралью управляет только процессор) или двунаправленной (когда процес- сор может временно передавать управление магистралью другому активному устройству).

В шинах данных и адреса может использоваться положитель- ная логика или отрицательная логика представления кода инфор- мации. При положительной логике высокий уровень напряжения сигнала на линии связи соответствует логической единице, низ- кий уровень — логическому нулю; при отрицательной логике — наоборот.

Для снижения в магистрали числа линий связи часто применя- ется так называемое мультиплексирование шин адреса и данных, когда одни и те же линии используются в разные моменты време- ни для передачи адреса и данных. Для повышения производитель- ности в некоторых мультиплексированных магистралях после одного адреса могут передаваться несколько кодов данных (мас- сив данных).

Шина управления является вспомогательной; она предназначена для синхронизации (тактирования) работы процессора и прочих активных устройств при взаимодействии с памятью и устройства- ми ввода-вывода. Она состоит из отдельных управляющих сигна- лов, каждый из которых в соответствии с диаграммой обмена ин- формацией выполняет определенную функцию. Ее сигналы опре- деляют тип (запись/считывание) текущего обмена информацией; отмечают моменты времени, соответствующие установке досто- верных кодов на шинах адреса и данных; обеспечивают прямой до- ступ в ОЗУ и т. д.

В ПЭВМ применяются три основных режима обмена по систем- ной магистрали:

■ программный обмен информацией;

■ обмен по прерываниям;

■ прямой доступ к памяти (ПДП).

Программный обмен информацией является основным. В этом режиме операции обмена инициируются только процессором, и все они выполняются строго в порядке, предписанном исполняе- мой программой.

Обмен по прерываниям используется тогда, когда необходимо переключить работу процессора с текущей программы на обработ- ку внешних событий, связанных с необходимостью ввода или вы- вода данных.

Прямой доступ к памяти — это режим обмена с ОЗУ по инициа- тиве активного устройства без участия процессора.

Единая и однородная система аппаратурных соединений значи- тельно упростила архитектуру компьютера, сделав ее более уни- версальной и открытой для наращивания функциональных частей (рис.

2.4).

Рис. 2.4. Структурная схема ЭВМ с общей шиной:

— — шина данных:------------------- шина адреса;---------- — шина управления и контроля;

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство; ПЗУ — постоянное запоминающее устройство; ПДП — устройство прямого доступа в ОЗУ; К — контроллеры ввода- вывода и накопителей

Основу ЭВМ составляют центральный процессор и системная память, состоящая из быстродействующего ОЗУ и постоянного за- поминающего устройства.

Современные процессоры — это СБИС с микропрограммным управлением, которые интегрировали в себя АЛУ и УУ вычисли- тельных машин первых поколений.

Основные функции процессоров:

■ выборка команд из ОЗУ;

■ декодирование команд;

■ выполнение операций, закодированных в командах;

■ управление пересылкой информации между своими регистрами и ОЗУ;

■ обработка прерываний.

Основные характеристики процессоров:

■ разрядность — количество двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или пересылаться процессором одновременно;

■ быстродействие — количество элементарных действий (опера- ций), которое выполняет процессор в секунду.

В каждой ЭВМ имеются специальные узлы, формирующие так- товые частоты — последовательности синхронизирующих и управляющих сигналов, координирующих работу аппаратной ча- сти компьютера. Такт является частью цикла выполнения некото- рой команды. Время выполнения любой операции процессора свя- зано с определенным числом тактов, поэтому от тактовой частоты зависит быстродействие ЭВМ (больше частота — больше быстро- действие) .

Оперативное запоминающее устройство является главной и единственной памятью компьютера, оно реализует совместно с ЦП процесс выполнения программ. ОЗУ предназначено для временно- го хранения и оперативного изменения своего содержимого.

ПЗУ предназначено для записи и постоянного хранения конфи- гурации, различных настроек, тестовых программ и программ на- чальной загрузки ЭВМ.

Подсоединение дисплея, клавиатуры, внешних запоминающих устройств и периферийных устройств обеспечивается через соот- ветствующие программируемые контроллеры (адаптеры). Контрол- леры служат для согласования протоколов обмена и скоростей ра- боты по каналам ввода-вывода сопрягаемых устройств.

Устройство ПДП обеспечивает прямой обмен данными контрол- леров с ОЗУ без загрузки процессора операциями пересылки ин- формации. Таким образом, в ЭВМ происходит децентрализация управления: главное управление осуществляет ЦП, он инициирует и отслеживает результат работы контроллеров, которые в процессе выполнения своей локальной задачи функционируют автономно по собственным программам управления.

Фактически мы имеем иерархический принцип построения и управления, который характерен не только для ЭВМ в целом, но и для ее памяти. Действительно, одноуровневое построение памяти не позволяет выполнять взаимоисключающие требования, которые реализовать практически невозможно, — иметь запоминающее устройство большой информационной емкости и высокого быстро- действия с приемлемыми массогабаритными параметрами. Поэто- му память современных ЭВМ строится по многоуровневой систе- ме: сверхоперативная память, кэш-память, оперативная и постоян- ная (долговременная) память.

Сверхоперативное запоминающее устройство представлено несколькими регистрами в ЦП с очень быстрым временем доступа (единицы наносекунд), в которых хранятся данные и микрокоман- ды, непосредственно используемые в работе АЛУ и УУ процессора.

Следующий уровень образует кэш-память — буферное запоми- нающее устройство, предназначенное для ускорения выборки ко- манд и данных из ОЗУ. Кэш-память работает на опережающую за- грузку команд и данных, которые вскоре могут потребоваться про- цессору при выполнении текущей программы.

В свою очередь, кэш-память имеет несколько уровней: самая бы- стродействующая память встраивается в процессор в качестве бу- фера между регистрами ЦП и ОЗУ, которая функционирует прак- тически с той же скоростью (время обращения составляет десятки наносекунд), что и процессор, а менее быстродействующая нахо- дится во внешних накопителях.

ОЗУ — основная (главная) и менее быстродействующая память (время выборки — не более 100 нс), от которой в основном зависит производительность компьютера.

Она предназначена для загрузки, текущего хранения и выполнения фрагментов операционной си- стемы, пользовательских программ, их переменных и результатов работы и т. д.

На следующем уровне иерархии памяти находятся внешние за- поминающие устройства (на гибких и жестких магнитных дисках, магнитных лентах, оптических дисках и т. д.) большой емкости с са- мым низким быстродействием, которые долговременно хранят огромные массивы программ и информации.

Иерархическая память образует своеобразный конвейер, позволя- ющий параллельно обрабатывать различные блоки команд и данных.

Согласованная работа всех уровней обеспечивается операцион- ной системой, которая предоставляет пользователю возможность работы с виртуальной памятью ЭВМ, намного превышающей ем- кость ОЗУ.

Виртуальная память представляет собой совокупность всех яче- ек ЗУ ЭВМ, связанных сквозной нумерацией, и обеспечивает пере- ход от многоуровневой физической памяти к одноуровневой.

Любая операция в ЦП выполняется по определенной микропро- грамме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последова- тельностью сигналов управления (микрокоманд) или аппаратно. Каждая отдельная микрокоманда — это простейшее элементарное преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига на определенное количество разрядов, перезаписи информации из регистра в регистр и т. д.

В зависимости от системы команд центральные процессоры под- разделяются:

■ на CISC-процессоры (Complex Instruction Set Chip — микросхе- ма с полным набором команд) ;

■ RISC-процессоры (Reduced Instruction Set Chip — микросхема с

упрощенной системой команд).

CISC-процессоры имеют более 200 машинных инструкций, кото- рые выполняются за несколько тактов, малое число регистров об- щего назначения, значительное количество методов адресации и форматов команд различной разрядности.

Из-за простоты программирования CISC-процессоры в основ- ном используются в универсальных ЭВМ, самыми массовыми из которых являются ПЭВМ.

В RISC-процессорах применяются команды постоянной длины и фиксированного формата.

Выполнение большинства команд зани- мает один машинный такт. Сверхоперативная память включает в себя большее число регистров (более 32), что позволяет существен- но уменьшить число обращений к ОЗУ. RISC-процессоры широко применяются в рабочих станциях и серверах.

В современных ЭВМ для повышения производительности при- меняют CISC-RISC-процессоры.

Кроме центрального процессора в ЭВМ используются так назы- ваемые сопроцессоры для выполнения математических операций и графические процессоры, обеспечивающие обработку видеосигна- лов.

Для замены ЦП на ранее выпущенных ПЭВМ в целях защиты их от морального старения использовались дополнительные процес- соры OverDrive. Они обеспечивали повышение параметров уста- ревших компьютеров и могли устанавливаться самими пользовате- лями.

Модернизация компьютеров путем такой замены в настоящее время не используется из-за ее неэффективности, так как в ЭВМ после смены процессора всегда остаются медленные компоненты прежних выпусков.

В отдельных устройствах компьютера (например, в модемах и звуковых платах) могут применяться цифровые процессоры обра- ботки сигналов (ЦПОС) с системой команд, ориентированных на битовые (одноразрядные) операции с данными.

Любая программа современных ЭВМ формируется из системы команд, которая содержит следующие основные группы:

■ команды пересылки данных и загрузки адресов;

■ арифметические команды и команды сравнения;

■ логические команды;

■ команды сдвига;

■ команды ввода-вывода и т. д.

В каждой команде имеются поля кода операций и адресов опе- рандов.

При выполнении математических расчетов указывают знако- вые разряды, поле значащих разрядов чисел, старшие и младшие разряды.

Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются в центральном процессоре. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения операндов и имеет свой фиксированный адрес в области постоянной памяти управля- ющего устройства ЦП. Вызов команды инициирует запуск соответ- ствующей микропрограммы, состоящей из набора элементарных инструкций.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ.

В зависимости от числа используемых в команде операндов раз- личаются одно-, двух-, трехадресные и безадресные команды. В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операндов. Второй операнд может быть сохранен (помещен заранее) в регистрах АЛУ как промежу- точный результат.

Двухадресные команды содержат указания о двух опе- рандах, размещаемых в памяти (или в регистрах и памяти). После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, стирая предыдущий уже использованный операнд.

В трехадресных командах обычно два адреса указыва- ют, где находятся исходные операнды, а третий — куда необходимо поместить результат.

В безадресных командах обычно обрабатывается один операнд, который до и после операции находится на одном из реги- стров АЛУ. Безадресные команды используются также для выпол- нения служебных операций (например, очистить экран, заблокиро- вать клавиатуру, снять блокировку и др.).

Все виды информации (командная, числовая, символьная, тек- стовая, графическая, звуковая) имеют свои форматы с одинаковой кодировкой двоичными цифрами. Форматы состоят из целого чис- ла байтов, поэтому организация памяти ЭВМ всегда кратна одному байту. Введенная информация полностью или частично сначала за- поминается в ОЗУ, а затем переносится во внешнее запоминающее устройство, предназначенное для длительного хранения информа- ции.

Для обмена ЭВМ с различными устройствами контроллеры име- ют выделенные каналы ввода-вывода с последовательным и парал- лельным кодом передачи (приема) информации.

При каналах с последовательным кодом используются одиноч- ные линии с минимальными аппаратурными затратами, в которых данные передаются поочередно, разряд за разрядом.

Каналы с параллельным кодом используют одновременную пе- редачу всех разрядов одного блока информации (как правило, бай- та). Естественно, при таком обмене скорость передачи и аппаратур- ные затраты растут пропорционально числу разрядов кода.

Каналы могут быть мультиплексными, способными обслужи- вать с разделением по времени большое количество медленно ра- ботающих устройств ввода-вывода, и селекторными (выделенны- ми), обслуживающие в монопольном режиме скоростные устрой- ства.

Большинство универсальных ЭВМ для обеспечения информа- ционной, аппаратурной и программной совместимости выпускают семействами, в которых в зависимости от времени разработки раз- личают старшие и младшие модели. Программная совместимость в семействе устанавливается по принципу «снизу вверх», поэтому программы, используемые в старших (ранних) моделях, могут вы- полняться на младших ЭВМ более поздних выпусков.

Даже при значительных конструктивных и аппаратных разли- чиях ЭВМ могут быть совместимыми, если одинаково представля- ют информацию и могут работать с одними и теми же прикладны- ми программами, т. е. имеют систему однотипных команд. Работой таких компьютеров должны управлять одинаковые или функцио- нально совместимые операционные системы.

При несовместимости ЭВМ используют имитацию работы одной вычислительной машины программными и (или) аппаратными средствами другой.

Например, программа, написанная в одной системе команд, мо- жет быть выполнена на ЭВМ с другой системой команд без пере- работки программы, но со специальной программой, эмулирующей эту систему команд.

Практически все современные персональные ЭВМ и их старшие модели имеют аппаратную, программную и информационную со- вместимости в пределах своего семейства.

<< | >>
Источник: В.Д.СИДОРОВ, Н.В.СТРУМП. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ. 2014

Еще по теме ЭВМ последовательного действия.:

  1. Свободное воспроизведение программ для ЭВМ и баз данных. Декомпилирование программ для ЭВМ
  2. Н.В.СТРУМПЭ, В.Д.СИДОРОВ. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ, 2014
  3. В.Д.СИДОРОВ, Н.В.СТРУМП. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ, 2014
  4. ОБРАЗ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ
  5. 3. Использование программ для ЭВМ, баз данных и топологий ИМС третьими лицами
  6. Последовательность и непоследовательность
  7. Последовательность и непоследовательность
  8. 14.2. Реализация моделей клеточных автоматов на ЭВМ
  9. 4.4.2. Последовательная спецификация
  10. § 6. Авторско-правовая охрана программ для ЭВМ, баз данных и топологий интегральных микросхем
  11. ДЕТАЛЬНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ЦЕЛИТЕЛЬСТВА
  12. Логическая последовательность вопросов
  13. ИНФОРМАЦИЯ: ОБРАБОТКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ (
  14. Бобер (четкость и последовательность)
  15. 1. Понятие программы для ЭВМ, базы данных и топологии интегральной микросхемы и основные правила их охраны
  16. 4.4.2. Последовательная спецификация
  17. Правило последовательного рассмотрения сути разногласий
  18. Правило последовательного рассмотрения сути разногласий