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