<<
>>

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ 6.3.1. Общая структура процессорных устройств обработки информации и принципы фон Неймана

Со времени появления в 40-х годах XX века первых электронных цифровых вычислительных машин технология их производства была значительно усовершенствована. В последние годы благодаря развитию интегральной технологии существенно улучши- лись их характеристики, значительно снизилась стоимость.
Однако, несмотря на успехи, достигнутые в области технологии, существенных изменений в базовой структуре и принципах работы вычислительных машин не произошло. Так, в основу построения подавляющего большинства современных компьютеров положены общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, сформулированные еще в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом. Согласно фон Нейману, для того чтобы ЭВМ была универсальным и эффективным устройством обработки информации, она должна строиться в соответствии со следующими принципами: 1. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы (элементы) информации, называемые словами. Использование в ЭВМ двоичных кодов продиктовано в первую очередь спецификой электронных схем, применяемых для передачи, хранения и преобразования информации.
Как уже отмечалось, в этом случае конструкция ЭВМ предельно упрощается, и ЭВМ работает наиболее надежно (устойчиво). Совокупности нолей и единиц (битов информации), используемые для представления отдельных чисел, команд и т. п., рассматриваются как самостоятельные информационные объекты и называются словами. Слово обрабатывается в ЭВМ как одно целое — как машинный элемент информации. 2. Разнотипные слова информации хранятся в одной и той же памяти и различаются по способу использования, но не по способу кодирования. Все слова, представляющие числа, команды и прочие объекты, выглядят в ЭВМ совершенно одинаково, и сами по себе неразличимы. Только порядок использования слов в программе вносит различия в слова.
Благодаря такому «однообразию» слов оказывается возможным использовать одни и те же операции для обработки слов различной природы, например для обработки и чисел, и команд, т. е. команды программы становятся в такой же степени доступными для отработки, как и числа. 3. Слова информации размещаются в ячейках памяти машины и идентифицируются номерами ячеек, называемыми адресами слов. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Ячейка памяти выделяется для хранения значения величины, в частности константы или команды. Чтобы записать слово в память, необходимо указать адрес ячейки, отведенной для хранения соответствующей величины. Чтобы выбрать слово из памяти (прочитать его), следует опять же указать адрес ячейки памяти. То есть адрес ячейки, в которой хранится величина или команда, становится машинным идентификатором (именем) величины и команды. Таким образом, единственным средством для обозначения величин и команд в ЭВМ являются адреса, присваиваемые величинам и командам в процессе составления программы вычислений. При этом выборка (чтение) слова из памяти не разрушает информацию, хранимую в ячейке. Это позволяет любое слово, записанное однажды, читать какое угодно число раз, т. е. из памяти выбираются не слова, а копии слов. 4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, называемых командами, которые определяют наименование операции и слова информации, участвующие в операции. Алгоритм, представленный в терминах машинных команд, называется программой. В общем случае алгоритм в ЭВМ представляется в виде упорядоченной последовательности команд следующего вида: Здесь Ь — двоичная переменная, принимающая значение 0 или 1. Определенное число первых разрядов команды характеризует код операции (КОП). Например, операция сложения может представляться в команде кодом 001010. Последующие наборы двоичных переменных ЬЬ... Ъ определяют адреса А,,..., Ак операндов (аргументов и результатов), участвующих в операции, заданной кодом КОП.
Рис. 6.12. Общая структура команды На рис. 6.12 в общем виде представлен формат (структура) команды. Составные части команды называют полями. Так, КОП, А;,..., Ах — поля команды, представляющие соответственно код операции и адреса операндов, участвующих в операции, Сверху указаны номера разрядов полей: поле КОП состоит из т двоичных разрядов, каждое поле А;,..., Ак содержит п двоичных разрядов. С учетом этого представленная на рис. 6.12 команда позволяет инициировать одну из 2т операций, и каждый адрес может принимать до 2" различных значений, обеспечивая ссылку на любую из 2Л величин или команд. Требуемый порядок вычислений предопределяется алгоритмом и описывается последовательностью команд, образующих программу вычислений. 4. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой. Первой выполняется команда, заданная пусковым адресом программы. Обычно это адрес первой команды программы. Адрес следующей команды однозначно определяется в процессе выполнения текущей команды и может быть либо адресом следующей по порядку команды, либо адресом любой другой команды. Процесс вычислений продолжается до тех пор, пока не будет выполнена команда, предписывающая прекращение вычислений. Необходимо подчеркнуть, что вычисления, производимые машиной, определяются программой. Именно программа «настраивает» ЭВМ на получение требуемых результатов. Замена программы приводит к изменению функций, реализуемых ЭВМ. Следовательно, многообразие программ, которые могут быть выполнены ЭВМ, определяет класс функций, который способна реализовать данная ЭВМ. Перечисленные принципы функционирования ЭВМ предполагают, что компьютер должен иметь следующие устройства: ■ арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции; ■ устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программы; ■ запоминающее устройство (ЗУ), или память для хранения программ и данных; ■ внешние устройства для ввода (устройства ввода) и вывода (устройства вывода) информации.
При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру. ч_________________________ Под архитектурой ЭВМ понимают ее логическую организацию, состав и назначение ее функциональных средств, принципы кодирования и т. п., т. е. все то, что однозначно определяет процесс обработки информации на данной ЭВМ. ЭВМ, построенные в соответствии с принципами фон Неймана, называют фон-неймановскими, или компьютерами фон-ней- мановской (классической) архитектуры. Структура ЭВМ—совокупность элементов компьютера и связей между ними. Ввиду большой сложности современных ЭВМ принято представлять их структуру иерархически, т. е. понятие «элемент» жестко не фиксируется. Так, на самом высоком уровне сама ЭВМ может считаться элементом. На следующем (программном) уровне иерархии элементами структуры ЭВМ являются память, процессор, устройства ввода-вывода и т. д. На более низком уровне (микропрограммном) элементами служат узлы и блоки, из которых строятся память, процессор и т. д. Наконец, на самых низких уровнях элементами выступают интегральные логические микросхемы и электронные приборы. Несмотря на разнообразие современных компьютеров, обобщенная структурная схема подавляющего большинства из них может быть представлена схемой, изображенной на рис. 6.13. Рис. 6.13. Обобщенная структурная схема ЭВМ Все устройства ЭВМ соединены линиями связи, по которым передаются информационные и управляющие сигналы, а синхронизация процессов передачи осуществляется при помощи тактовых импульсов, вырабатываемых генератором тактовых импульсов (ГТИ). Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок — процессор, предназначенный для обработки данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций и программного управления работой устройств компьютера. Процессор (центральный процессор, ЦП) — программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации, управление им и координацию работы всех устройств компьютера.
Процессор, построенный на одной или нескольких больших интегральных микросхемах, называют микропроцессором. Как было отмечено выше, микропроцессор включает в себя: ■ арифметико-логическое устройство (АДУ), предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. Для ускорения выполнения арифметических операций с плавающей точкой к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор; ■ устройство управления (УУ) — формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ЦП имеется процессорная память (ПП), состоящая из специализированных ячеек памяти, называемых регистрами. В общем случае регистры состоят из элементов памяти, каждый из которых может находиться в одном из двух устойчивых состояний: конденсатор заряжен или разряжен, транзистор находится в проводящем или непроводящем состоянии, специальный полупроводниковый материал имеет высокое или низкое удельное сопротивление и т. п. Одно из таких физических состояний создает высокий уровень выходного напряжения элемента памяти, а другое — низкий. Например, электрическое напряжение порядка 5В может приниматься за двоичную единицу, а ОВ — за двоичный ноль [6]. Регистры часто изображают так, как показано на рис. 6.14 а. Регистр характеризуется единственным числом: количеством битов, которые могут в нем храниться. Помещенная в регистр информация остается там до тех пор, пока она не будет заменена другой. Процесс чтения информации из регистра не влияет на содержимое последнего, другими словами, операция чтения информации, хранимой в регистре, сводится к созданию копии его содержимого, оригинал же сохраняется в регистре без изменений.
а) Номер бита 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 00001011 01000111 б) в) Регистр (источник информации) Регистр (источник информации) Регистр (приемник информации) Рис. 6.14. Регистры, шины и вентильные схемы Шина состоит из параллельных проводов, каждый из которых предназначен для передачи соответствующего бита регистра (рис. 6.146). Если два 8-битовых регистра соединяются между собой шиной из восьми проводов, то говорят, что ее ширина равна 8, или восьмиразрядная шина. В действительности шина обычно содержит несколько дополнительных проводов, используемых для передачи сигналов синхронизации и управления. Шина служит для передачи информации лишь в направлении, обозначенном стрелкой на шине (рис. 6.14 б, в). Такая однонаправленность передачи обусловлена не свойствами шины (провода, из которых состоит шина, позволяют передавать сигналы в любом направлении), а характеристиками схем, соединяющих шину с регистром или другими устройствами ЭВМ. Специальные схемы дают возможность, например, в одни моменты времени передавать информацию по шине в одну сторону, а в другие — в обратном направлении, т. е. организовать двунаправленную шину. Такие электронные ключевые схемы, предназначенные для управления потоком информации из регистров в шины и обратно, называют вентильными схемами. На рис. 6.14 в показано применение вентильной схемы В. Такая схема имеет два входа и один выход. На один вход подается информационный сигнал (данные с регистра), а на другой — управляющий. Если управляющий сигнал равен единице, то данные проходят через схему, а если нолю — информация через схему не пройдет. Таким образом, при подаче единичного управляющего сигнала на вентильную схему В состояние регистра приемника информации изменится с (00100110)2 на (10011101)2, т. е. в него поступит копия содержимого регистра источника информации. Простейшим вариантом организации взаимодействия между процессором и любым другим устройством ЭВМ было бы использование отдельного набора проводов для подключения данного устройства к процессору. При этом количество проводов и разъемов процессора было бы неимоверно большим. В большинстве современных ЭВМ для организации процессов обмена информацией между различными устройствами ЭВМ используется общая шина (системная магистраль). Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие, называют интерфейсом. ч_________________________ Системный интерфейс — набор цепей, связывающих процессор с памятью и контроллерами внешних устройств, алгоритм передачи сигналов по этим цепям, их электрические параметры и тип соединительных элементов. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры). Устройства ввода обеспечивают считывание информации (исходных данных и программы решения задачи) с определенных носителей информации (клавиатур, магнитных лент или дисков, датчиков состояний управляемых объектов и т. п.) и ее представление в форме электрических сигналов, воспринимаемых другими устройствами ЭВМ. Устройства вывода представляют результаты обработки информации в форме, удобной для визуального восприятия (индикаторы, печатающие устройства, графопостроители, экран дисплея и т. п.). При необходимости они обеспечивают запоминание результатов на носителях, с которых эти результаты могут быть снова введены в ЭВМ для дальнейшей обработки, или передачу результатов на исполнительные органы управляемого объекта (например, робота, станка с программным управлением и т. п.). Память ЭВМ, или ЗУ, обеспечивает хранение команд и данных. Это устройство состоит из блоков одинакового размера — ячеек памяти, предназначенных для хранения одного слова информации (рис. 6.15). В свою очередь, ячейка памяти включает в себя элементы памяти, состояние каждого из которых соответствует одной двоичной цифре (0 или 1). Совокупность нолей и единиц, хранящихся в элементах одной ячейки, представляет собой содержимое этой ячейки памяти [6]. Ячейки нумеруются числами 0, 1, 2, ... , называемыми адресом ячеек. Запись в память слова осуществляется подачей на шину адреса памяти сигналов, соответствующих адресу ячейки, в которую надо поместить записываемое слово, и подачей самого слова на шину записи (см. рис. 6.15). Память устроена так, что заданное слово будет передано в ячейку с указанным адресом для хранения, причем в любой момент, обратившись к памяти, можно получить содержимое хранимого там слова. Для этого в память посылается адрес, определяющий местоположение требуемого слова, и она выдает по шине чтения копию слова. Рис. 6.15. Организация памяти ЭВМ При считывании содержимое ячейки остается без изменения, так что, один раз записав слово, можно сколько угодно раз получать его копии. Это аналогично записи информации на магнитофонную ленту. Запись можно прослушивать с ленты (читать с ленты) сколько угодно раз, но если на ее место записать другую информацию, то первая будет стерта. Однако время доступа к информации на магнитной ленте зависит от того, где записана эта информация (иногда надо перемотать почти всю ленту, чтобы найти нужную запись), тогда как время доступа к любой ячейке памяти всегда одинаково (не зависит от ее номера). На рис. 6.15 показана память, имеющая 4096 = 212 8-разрядных слов, т. е. содержащая 4096 байт информации. При том же самом числе запоминающих элементов можно было бы организовать память из 32 768 1-битовых слов; 2048 16-битовых слов, 1024 32-битовых слов и т. д. Тактовые импульсы вырабатываются генератором тактовых импульсов ЭВМ и используются для синхронизации процессов передачи информации между устройствами ЭВМ. Необходимость распределения во времени отдельных операций по передаче информации в цифровых устройствах рассмотрим на примере работы упрощенной модели школьного микрокалькулятора (рис. 6.16 а) [6]. Рис. 6.16. Структурно-функциональная схема микрокалькулятора и управляющие сигналы: а) при вводе первой цифры слагаемого; б) при вводе второй цифры; в) при нажатии клавиши « + » В состав микрокалькулятора входят: ■ цифровая (0, 1,.... 9, «.») и функциональная =) клавиатуры; ■ основной регистр X, в который вводится операнд (набираемое на клавиатуре число) и по окончании какой-либо операции засылается ее результат (сумма, разность и т. п.); ■ табло для индикации содержимого регистра X, т. е. вводимого числа (в момент набора его на цифровой клавиатуре) или результата вычислений (после нажатия функциональной клавиши); ■ вспомогательный регистр У, в который переписывается содержимое регистра X при вводе в последний нового операнда (это позволяет, например, сохранить в У значение предыдущего слагаемого или ранее накопленной суммы в момент ввода в X нового слагаемого); ■ арифметико-логическое устройство (АДУ), предназначенное для выполнения операций над содержимым регистров X и У (сложение, умножение, вычитание и деление) или только регистра X (извлечение квадратного корня и нахождение процентов), а также ряда служебных операций (например, сдвига старших цифр числа при вводе его новой цифры); ■ устройство управления вводом числа и выполнением операций, которое после любого нажатия цифровой или функциональной клавиши вырабатывает определенную последовательность управляющих сигналов (У.) для осуществления необходимых пересылок информации между устройствами микрокалькулятора и(или) перестройки АЛУ на ту или иную операцию. Рассмотрим работу микрокалькулятора при сложении чисел 27 + 48+ 129 + 36... [6]. При этом для удобства будем использовать десятичное представление цифр в регистрах микрокалькулятора. Начнем с момента нажатия клавиши « + », завершающей ввод первого слагаемого, т. е. с момента, когда в регистрах содержатся следующие числа; 1-й шаг. Ввод цифры 4 — старшей цифры второго слагаемого: Содержимое регистра X переписалось для сохранения в регистр У, регистр X был очищен и в его младший разряд записан код нажатой клавиши, т. е. цифра 4. Рассмотрим последовательность управляющих сигналов У, вырабатываемых при этом устройством управления. Ввод первой цифры любого операнда (первое нажатие цифровой клавиши после выполнения какой-либо операции) должен инициировать перепись содержимого регистра X в регистр У, т. е. выработку управляющего сигнала УЗ (рис. 6.16 а). Одновременно с этим сигналом может быть выработан сигнал У6, устанавливающий 0 на выходе АЛУ. Теперь производятся очистка регистра X, суммирование его содержимого с вводимой цифрой и перезапись полученной суммы в регистр X. Для этого сначала подается сигнал У2 (0 с выхода АЛУ переписывается в регистр X), затем одновре- менно сигналы У7, У1 и У5 (У7 для настройки АДУ на суммирование) и, наконец, сигнал У2. 2- й шаг. Ввод цифры 8 — младшей цифры второго слагаемого: Число, содержащееся в регистре X, было сдвинуто влево на один разряд, а в освободившийся младший разряд записан код нажатой клавиши, т. е. цифра 8. Рассмотрим последовательность управляющих сигналов У(, вырабатываемых устройством управления на втором шаге. Ввод второй цифры (или любой из следующих) осуществляется путем умножения на 10 (сдвига влево на один десятичный разряд) содержимого регистра X и суммирования сдвинутого значения с вводимой цифрой. Для этого вырабатывается последовательность управляющих сигналов, показанная на рис. 6.16 6 (сигнал У8 служит для организации сдвига). 3- й шаг. Нажатие клавиши « + »: Зафиксировался ввод последней цифры второго слагаемого (48), выполнились операция сложения содержимого регистров X и У (48 + 27 = 75) и операция пересылки полученного результата в регистр X. Суммирование содержимого регистров X и У (сигналы У7, У1 и У4) и перезапись полученной суммы в регистр X (сигнал У2) иллюстрируются временной диаграммой на рис. 6.16 в. 4- й шаг. Ввод цифры 1 — старшей цифры третьего слагаемого: Содержимое регистра X переписалось для сохранения в регистр У, регистр X был очищен и в его младший разряд записан код нажатой клавиши, т. е. цифра 1. Дальнейшие шаги не представляют интереса, так как в них будут повторяться ранее описанные операции. Анализ временных диаграмм на рис. 6.16 а, б, в показывает, что некоторые из управляющих сигналов вырабатываются одновременно, а другие — через те или иные интервалы времени. Напри- мер, нельзя при суммировании содержимого регистров X и У одновременно вырабатывать сигналы У1, У2, У4, У7, так как при одновременной выработке сигналов У1 и У2, а также при настройке АДУ на выполнение какой-либо операции с содержимым регистра X возникает полная неопределенность: содержимое регистра X попадает в АЛУ, через него обратно в регистр X и т. д. В то же время, если при суммировании X и У не будет обеспечена одновременная выработка сигналов У1, У4 и У7, то суммы не получится. Минимальный промежуток времени Г между управляющими сигналами, которые должны быть сдвинуты относительно друг друга (например, промежуток времени между сигналами У1 и У2 на рис. 6.16 в), выбирается исходя из максимального времени переключения элементов цифрового устройства (пока, например, не окончилось формирование суммы Х+У, бессмысленно подавать управляющий сигнал У2 на перезапись этой суммы в регистр X). Для задания нужных временных интервалов в управляющих устройствах ЭВМ устанавливаются генераторы тактовых импульсов (ГТИ), синхронизирующие управляющие сигналы У. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту ЭВМ. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы ЭВМ, или просто такт работы ЭВМ. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик компьютера и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в ЭВМ выполняется за определенное количество тактов. 6.3.1.
<< | >>
Источник: О.А. Акулов Н.В. Медведев. Информатика и вычислительная техника. 2005

Еще по теме ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ 6.3.1. Общая структура процессорных устройств обработки информации и принципы фон Неймана:

  1. Структура массово-информационной деятельности: сбор, обработка, компоновка, передача, восприятие, трансформация, хранение и использование массовой информации. Потенциальная, принятая и реальная информация. Семантический, синтаксический и прагматический аспекты массово-информационных текстов.
  2. ИНФОРМАЦИЯ: ОБРАБОТКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ (
  3. ИНФОРМАЦИЯ: ОБРАБОТКА ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ
  4. ГЛАВА ДЕВЯТАЯ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ В УМЕ
  5. 9. Усвоение и обработка информации
  6. 9. Усвоение и обработка информации
  7. Статья 265-1. Незаконное изготовление ядерного взрывного устройства или устройства, которое рассеивает радиоактивный материал или излучает радиацию
  8. § 5. Политико-территориальное устройство. Организация власти на местах
  9. 2. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ. СПЕЦИФИКА И АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ С ИСТОЧНИКАМИ ИНФОРМАЦИИ. ДОСТУП К ИСТОЧНИКАМ ИНФОРМАЦИИ. ПРАВОВЫЕ И ЭТИЧЕСКИЕ НОРМЫ РАБОТЫ С ИСТОЧНИКАМИ ИНФОРМАЦИИ.
  10. Статистическая обработка.
  11. Журналистика как массово-информационная деятельность. Понятия «информация» и «массовая информация». Массовая информация как продукт массово-информационной деятельности. Массовая информация и социальная информация.