KursLek110 (Лекция)

ВВЕДЕНИЕЦели курса:Освоение теоретических основ вычислительных техники,знание которых позволит профессионально изучать в дальнейшеммикропроцессорную технику, принципы сетевого взаимодействия ЭВМ,архитектурные особенности вычислительных систем (ВС).Освоение методов синтеза абстрактных и структурныхавтоматов.Задачи курса: изучение базовых понятий вычислительной техники; изучение основных принципов, которые заложены в вычислительные системы; изучение механизмов выполнения арифметических операций; приобретение навыков синтеза несложных управляющих автоматов; изучение алгоритмических систем.Разделы курса1)Системы счисления и коды.2)Механизмы выполнения арифметических операций.3)Абстрактная теория автоматов.4)Структурная теория автоматов.5)Элементы теории алгоритмов.Область знаний по информационным технологиям является самой молодой, ноимеет уже богатую историю.

Темпы роста и совершенствования информационныхтехнологий в значительной степени влияют сегодня на все сферы деятельностичеловека. Не будем останавливаться на истории компьютерных технологий, напомнимтолько, с чего началось развитие компьютерной техники.За точку отсчёта компьютерной эры обычно принимают начало сеансовоткрытой эксплуатации машины ENIAС (Electronics Numeral Integrator and Computer) в1946 г. в Муровской электротехнической лаборатории Пенсильванского университета(США).

Этот проект был сделан Д. Маушли и Д. Эккертом. Напомним техническиеданные этой машины:масса – 30 т;числоактивныхлогическихэлементов(электровакуумныхприборов) – 18 тыс.;производительность – 5 тыс. операций/c.В СССР в 1950 г. был закончен проект МЭСМ (малая электронная счетнаямашина) под руководством академика С.А. Лебедева (производительность МЭСМсоставляла 50 операций/с). В начале 50-х годов насчитывалось около 100 машинсопоставимого класса, произведённых в США , Англии, Франции, СССР и ФРГ.В.1.Структура неймановской ЭВМЭВМ представляет собой автоматическое устройство, предназначенноедляобработки информации во взаимодействии с человеком по следующей схеме(рис.В.1.).21Внешняя компонентаинформационнойсредыЧеловек3Центральнаячасть ЭВМРис.

В.1. Укрупненная структура информационной обработкиНа рис. В.1 представлена дискретная система, в которой компоненты 1 и 3взаимодействуют, соответственно изменяя состояние общей части информационнойсреды. Роль человека сводится к минимуму:установить/сменить носитель информации,выдать управляющие сигналы по запуску/остановке.Подробно структуру ЭВМ можно представить так, как показано на рис. В.2.ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, предназначенное для храненияпрограмм, исходных данных, промежуточных и конечных результатов;АЛУ – арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполненияарифметических и логических операций;УУ – устройство управления, которое формирует управляющие сигналы длявыполнения операций;УВВ – устройство ввода/вывода;ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.Архитектура ЭВМ, которая представлена на рис.

В.2. является традиционной иносит название неймановской. (Под архитектурой ЭВМ понимается внутренняя еёструктура).В.2. Принципы неймановской архитектурыОсновные архитектурно-функциональные принципы организации ЭВМ былиразработаны и опубликованы в 1946 г. талантливым математиком и физиком Джономфон Нейманом и его коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом в ставшем классическимотчёте “Предварительное обсуждение логического конструирования электронноговычислительного устройства”.ОЗУЦентральная часть ЭВМПроцессорПериф.ЧеловекУУУВВАЛУВЗУДатчики.. .Рис. В.2. Структура неймановской ЭВМПеречислим основные принципы неймановской машины:1)однородная память,2)фиксированные форматы,3)хранимая в памяти программа,4)условный переход,5)программное управление,6)использование двоичной системы cчисления.Однородная память.

Для неймановской архитектуры типичным являетсяиспользование в качестве ОЗУ однородной линейно адресуемой памяти. Условно ОЗУможно представить в виде линейного массива определённой длины, который разделённа равные отрезки-ячейки (рис. В.3.). Элементы памяти называются ячейками.ОЗУ01.....mm+1... ...n-1.Рис. В.3. Условная модель ОЗУСовременные ОЗУ разбиваются на ячейки, состоящие из восьми бит, т.е. изодного байта.В вычислительной технике существует ещё понятие машинное слово.Машинное слово – это количество разрядов, которое ЭВМ может одновременнообрабатывать (рис.В.4.). Существуют 8-битные, 16-битные, 32-битные, 64-битныепроцессоры.Двойное словослово015 16слово31 3247 4863ПолусловоРис.

В.4. Иллюстрация терминологии машинного словаЯчейки в ОЗУ линейно адресуются. Ячейкам назначаются последовательнономера, начиная с 0, которые называются адресами.Важными параметрами памяти являются:ёмкость,разрядность,время выборки.Под ёмкостью памяти понимается число ячеек памяти (в настоящее времяизмеряется в байтах, килобайтах, мегабайтах, и т.д.).Обычно ОЗУ в компьютерах представляет собой память прямого доступа, т.е.время выборки информации в ней не зависит от адреса ячейки.Фиксированные форматы.

Неймановскиемашины имеют фиксированныеформаты команд и данных. В общем случае речь идёт не о единичных форматах, а онекотором конечном множестве фиксированных форматов.Каждое слово может рассматриваться либо как данное, либо как команда.Данные – это числа, коды или последовательность символов.Команды – это приказ или указание ЭВМ о выполнении какой-либоэлементарной операции.

Команда изменяет состояние памяти или осуществляет вводили вывод информации, т.е. осуществляет обмен информацией между УВВ или ВЗУ иосновной памятью.В современных вариантах неймановских ЭВМ форматы команд и данных могутиметь различную длину. Форматы кратны байтам.Принцип хранимой программы. Программа - это последовательность команд,необходимая для реализации алгоритма. По другому можно сказать, что программа –это алгоритм, написанный на языке, воспринимаемом ЭВМ.Принцип хранимойпрограммы заключается в том, что команды представляются в числовой форме ихранятся в том же ОЗУ, что и данные.

Команды программы располагаются впоследовательных ячейках памяти. Команды и данные выбираются из ОЗУ. Командыпосылаются в УУ, а данные - в АЛУ. Однако, если команду послать в АЛУ, то онабудет воспринята как данные и наоборот, если данное посылать в УУ, то оно будетвосприниматься как команда, а выполнение её будет зависеть от того, воспримет лиУУ как известную ей команду.Принцип условного перехода.

Этот принцип даёт возможность перехода надругие участки программы в зависимости от результатов, получаемых в ходевычислений. Благодаря этому принципу, число команд в программе получаетсяменьше числа выполняемых команд при исполнении данной программы (например,описание различных циклов).Принцип программного управления. Для того, чтобы запустить на выполнение наЭВМ программу, необходимо УУ указать адрес ОЗУ, где располагается перваякоманда программы.

Выборка последующей команды осуществляется естественнымпорядком их следования в программе. Адрес следующей команды получаетсяприбавлением к адресу предыдущей команды числа, определяемого форматомследующей команды (в байтах). Этот порядок нарушается при выполнении командпередачи управления (команд перехода). Реализация принципа программногоуправления обеспечивается счётчиком команд СчК.Счётчик команд хранит адрес текущей команды, а во время её выполнения хранитадрес следующей команды. Принцип программного управления проиллюстрирован нарис.

В.5.Запуск программы можно осуществить, поместив в Сч К начальный адрес апрограммы. Сч К показывает какую команду (из какой ячейки) следует поместить изОЗУ в Рг К (регистр команд). Далее команда дешифруется дешифратором команд (ДшК), и, поступая на УУ, инициирует управляющие сигналы для выполнения этойкоманды. УУ вырабатывает сигнал увеличения адреса в Сч К на количество n байт,которое определяется форматом выполняемой команды (а+n).Далее циклповторяетсядотехпор, пока не встретиться командаSTOP. Логическаясхемафункционирования неймановской машины иллюстрируется на рис.В.6.

На рис. В.5 ирис. В.6 для простоты иллюстрации форматы всех команд условно приняты равными1.Использование двоичной системы счисления. Аппаратная реализация разрядовдля представления чисел в ЭВМ требует использование элементов, которые имеютстолько устойчивых, четко различимых состояний, сколько цифр в используемойсистеме счисления. Так для представления десятичных чисел в ЭВМ необходимоиспользовать элементы с десятью устойчивыми, четко различимыми состояниями дляпредставления каждого разряда числа. Такие элементы были разработаны, ониназываются декатронами. Но быстродействие их очень низкое. А такие элементы какдиоды, триоды, транзисторы имеют два устойчивых, четко различимых состояния иобладают приемлемым быстродействием. Поэтому в вычислительной техникедвоичная система счисления получила широкое распространение.ОЗУ01.Нач.

адрес а...аСч КПрограмма..а+1а+2...а+n. ...аa+1a+2a+3a+4……aРг К.Дш К..Сч К:=Сч К+1УУОЗУАЛУВУРис. В.5. Иллюстрация принципа программного управления1ВыполнитьСчитать текущую команду24Дешифрироватькоманду3Увеличить Сч К на 1Рис. В.6. Граф функционирования неймановской ЭВМВ.3. Развитие неймановской концепцииСовершенствование архитектуры вычислительных систем всегда развивалось восновном под влиянием 3-х основных проблем:- надёжности,- удобства и эффективности использования ВС в прикладных областях,- повышения производительности.Болееподробноостановимсянатретьейпроблеме.Первоевремяпроизводительность вычислительных систем увеличивалась в основном за счётувеличения быстродействия элементной базы.

Кремниевая технология близка кпределу. Переход на технологии, использующие арсенид галлия, или использованиекриогенной техники может повысить частоту на 1,5-2 порядка. Решение новых задачтребует повышения производительности вычислительных систем на 3-6 порядков.Простым увеличением тактовой частоты увеличить быстродействие вычислительнойсистемы нельзя и по следующей причине. Сигнал за 1 нс, если бы он пробегал попроводнику со скоростью света, проходил бы 300 мм. С учётом задержки проводящихлиний в вычислительной системе он проходит:- по коаксиальному кабелю 1 м за 4-5 нс;- по плоскому проводнику 1 м за 7-7.5 нс.Т.е. за 1 нс сигнал проходит 130-250 мм. Если отдельные большие интегральныесхемы (БИС) в вычислительной системе будут находиться на расстоянии 1 м, топришедший сигнал может запоздать на целый машинный такт, и никакойсинхронизации в вычислительной системе с тактом в 4 нс добиться не удастся.Поэтому специалисты по вычислительной техники убедились, что повышениепроизводительности необходимо искать также и на путях совершенствованияархитектурных решений.Современные ЭВМ относятся к тем вычислительным системам, в которыхвоплотились как достижения микроэлектроники, так и архитектурные новации.