Структура ЭВМ

2. Структура ЭВМ и взаимодействие ее основных устройств

2.1. Классические основы построения ЭВМ

Основы построения электронных вычислительных машин в их современном понимании были заложены в 30-е – 40-е годы прошлого века английским математиком Аланом Тьюрингом и американцем венгерского происхождения Джоном (Яношем) Нейманом.

2.2. Архитектура классической ЭВМ

В 1946 году Джоном Нейманом представлена работа, заложившая основы развития вычислительной техники.

Основные положения Неймана:

1. Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.
2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины – в запоминающем устройстве (ЗУ), обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы.
3. Программа так же, как и числа, с которыми оперирует машина, представляется в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:
• промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же ЗУ, что и программа;
• числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы.
4. Трудности физической реализации ЗУ, быстродействие которого соответствовало бы скорости работы логических схем, требует иерархической организации памяти.
5. Арифметические устройства машины конструируются на основе схем, выполняющих операцию сложения. Создание специальных устройств для вычисления других операций нецелесообразно.
6. В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).

Общая структура классической ЭВМ

ЭВМ, построенная по принципам, определенным Нейманом, состоит из следующих основных блоков (рис.2.4): запоминающего устройства, арифметико-логического устройства и устройства управления, также имеется возможность работы с внешними устройствами и пультами управления.

Рис. 2.4. Структура классической ЭВМ

Рекомендуемые материалы

Запоминающее устройство (ЗУ), или память – это совокупность ячеек, предназначенных для хранения некоторого кода. Каждой из ячеек присвоен свой номер, называемый адресом. Информацией, записанной в ячейке, могут быть как команды в машинном виде, так и данные.

Работа всех устройств, входящих в состав ЭВМ выполняются под управлением сигналов, вырабатываемых устройством управления (УУ).  УУ формирует также адреса ячеек памяти, по которым производится обращение для считывания команды, операндов и записи результата выполнения команды. Для выполнения какой-либо машинной операции используется арифметико-логическое устройство АЛУ(АУ). С помощью сигналов управления происходит настройка АУ на выполнение конкретной операции, а ЗУ  получает указание, какие данные послать в АУ (откуда их взять), какие операции над ними произвести и куда поместить результат. В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором (ЦП).

Оперативное ЗУ (ОЗУ) – быстродействующее запоминающее устройство, работающее непосредственно с АУ и УУ.

Шины МПС

В понятие шины вкладывают разное значение при рассмотрении различных вопросов. В простейшем случае под понятием шина подразумевают ряд параллельно проложенных проводников, по которым передаётся двоичная информация. При этом по каждому проводнику передаётся отдельный двоичный разряд. В случае рассмотрения структуры ЭВМ используют понятие - системная шина (при рассмотрении структуры микропроцессора говорят о внутренней шине  МП).

Системная шина предназначена для обмена информацией микропроцессора с любыми внутренними устройствами микропроцессорной системы. В состав системной шины ЭВМ в зависимости от типа процессора входит одна или несколько шин адреса, одна или несколько шин данных и шина управления. В универсальных МПС обычно применяется по одной шине.

Обмен информацией может проходить как в одном направлении, например, для шины адреса или шины управления, или в различных направлениях (для шины данных, в зависимости от операции записи или чтения, которую в данный момент осуществляет процессор) – такой режим работы называют мультиплексным. В некоторых случаях в понятие шина дополнительно включают требования по уровням напряжения, которыми представляются нули и единицы, передаваемые по её проводникам.  

Команды МПС

Алгоритм, написанный пользователем программы, реализуется в виде машинных команд. Под командой понимают совокупность сведений, представленных в виде двоичных кодов, необходимых процессору для выполнения очередного шага. В коде команды для хранения сведений о типе операции, нахождении обрабатываемых данных и месте хранения результатов выделяются определенные разряды (поля).

Рис 2.5. Формат команды

Форматом команды называется заранее обговоренная структура полей в её кодах, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода.

Главным элементом кода команды является код операции (КОП), он определяет, какие действия будут выполнены по данной команде. Под него выделяется N старших разрядов формата. В остальных разрядах размещаются А₁ и А₂  - адреса операндов. А₃ - адрес результата.

Длина команды зависит от числа адресных полей. По числу адресов команды делятся на:

 - безадресные,

 - одно-, двух-, трехадресные.

Длина кода команды измеряется в машинных словах.

Чтобы минимизировать число адресных полей, результат можно размещать по месту хранения одного из операндов (ADD AX, BX). Либо предварительно размещать один или несколько операндов в специально выделенных регистрах процессора (аккумуляторах). Также во многих типах операций (например,  логических) третий, а часто и второй адрес вообще не используется (RET, IRET, JE  xx, INC AL). Оттранслированные команды записываются в соседние ячейки памяти в порядке их следования в программе.

Множество реализуемых операций машины образует её систему команд. Система команд часто определяет области и эффективность применения ЭВМ. К системе команд ЭВМ предъявляют требования минимальности и функциональной полноты.  Большинство алгоритмов может быть реализовано небольшим базовым набором команд. Вместе с тем система команд должна быть полной, т.е. содержать все команды, которые необходимы для интерпретации алгоритма в машинных кодах.

Принципы работы ЭВМ по структуре фон Неймана

Принципы работы ЭВМ иллюстрируются на рис. 2.6. По адресу команды, которая определяется содержимым СчК, выбирается из соответствующей ячейки ОЗУ слово, представляющее собой очередную команду программы и пересылается в регистр команд РгК. Часть команды (код операции) направляется в дешифратор ДШ. После чего, в соответствии с КОП формируется требуемая последовательность управляющих импульсов, которая подается на те устройства, которые должны выполнять расшифрованную операцию. Если КОП относится к арифметическим или логическим операциям, эти импульсы поступают в АУ.

По адресной части команды (А₁ – А₃) УУ вырабатывает сигналы управления для ОЗУ, обеспечивающие чтение операндов по адресам А₁ и А₂, посылку их в АУ и запись результатов по третьему адресу А₃ обратно в ОЗУ. Признаки результата (знак, наличие переполнения, признак нуля и так далее) поступают в УУ, где записываются в специальный регистр признаков (РП).

После завершения выполнения данной операции, что определяется регистром состояния, в СчК добавляется единица (+1) и в следующем такте из ОЗУ будет выбрана следующая команда программы по порядку номеров ячеек ОЗУ, и затем этот процесс будет повторяться.

Эта последовательность может быть нарушена лишь в том случае, когда в ходе вычислительного процесса появляется необходимость повторить участок программы или перейти, не выполняя, полностью  какую-то часть программы. В этом случае специальной командой управления в СчК заносится не увеличенной на 1 адрес ячейки, а адрес ячейки, указанный в управляющей команде. Последовательность выборки команд при этом изменяется и начинается с указанной ячейки.

Особенности аппаратного и программного управления процессами обработки информации

Характерная особенность традиционной цифровой системы состоит в том, что алгоритмы обработки и хранения информации в ней жестко связаны со схемотехникой системы. То есть изменение этих алгоритмов возможно только путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему, и/или связей между ними. Такая цифровая система часто называется системой на «жесткой логике». Любая система на «жесткой логике» обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач.

Это имеет свои преимущества:

- специализированная система никогда не имеет аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в «полную силу».

- специализированная система может обеспечить максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов, а она всегда максимальна.

В то же время большим недостатком цифровой системы на «жесткой логике» является то, что для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново.

Для преодоления этого недостатка построена система программного управления, адаптируемая под любую задачу без изменения ее аппаратной структуры, путем ввода некоторой дополнительной управляющей информации - программы.

    

Рис.2.6. Принципы работы ЭВМ по структуре фон Неймана

Важное преимущество данной системы – универсальность:

В тоже время присутствуют ряд недостатков:

1. Любая универсальность обязательно приводит к избыточности. Решение максимально трудной задачи требует гораздо больше средств, чем решение максимально простой и сложность универсальной системы должна быть такой, чтобы обеспечивать решение самой трудной задачи, но чем проще решаемая задача, тем большей становится избыточность системы. Избыточность ведет к увеличению стоимости системы, снижению ее надежности, увеличению потребляемой мощности и т.д.
2. Кроме того, универсальность, как правило, приводит к существенному снижению быстродействия.

Таким образом, можно сделать следующий вывод. Системы на «жесткой логике» хороши там, где решаемая задача не меняется длительное время, где требуется самое высокое быстродействие, где алгоритмы обработки информации предельно просты. А универсальные, программируемые системы хороши там, где часто меняются решаемые задачи, где высокое быстродействие не слишком важно, где алгоритмы обработки информации сложные.

Особенности реализации устройств управления ЭВМ

Исходя из рассмотренных выше принципов, различают два способа построения устройств выработки управляющих сигналов (УУ): аппаратный и программный (микропрограммный). Выполнение операций в машине сводится к элементарным преобразованиям информации (передача информации между узлами в блоках, сдвиг информации в узлах, логические поразрядные операции, проверка условий и т.д.) в логических элементах, узлах и блоках под воздействием функциональных управляющих сигналов блоков (устройств) управления. Элементарные преобразования, неразложимые на более простые, выполняющиеся в течение одного такта сигналов синхронизации называются микрооперациями.

В аппаратных (схемных) устройствах управления, каждой микрооперации соответствует свой набор однажды соединенных между собой логических схем, вырабатывающих определенные функциональные сигналы в определенные моменты времени, поэтому ЭВМ с аппаратным устройством управления называют ЭВМ с жесткой логикой управления. Это понятие относится к фиксации системы команд в структуре связей компонентов ЭВМ и означает практическую невозможность каких-либо изменений в системе команд ЭВМ после ее изготовления.

При  программной (микропрограммной) реализации устройства управления в состав последнего вводится ЗУ. Каждый разряд его выходного кода определяет появление определенного функционального сигнала управления. Поэтому каждой операции ставится в соответствие свой набор микрокоманд. Набор микрокоманд и последовательность их реализации (микропрограмма)  обеспечивают выполнение любой сложной операции. Способ управления операциями путем последовательного считывания и интерпретации микрокоманд из ЗУ, а также использования кодов микрокоманд для генерации функциональных управляющих сигналов называют микропрограммным, а микроЭВМ с таким способом управления - микропрограммными или с хранимой (гибкой) логикой управления. К микропрограммам также предъявляют требования функциональной полноты и минимальности. Первое требование необходимо для обеспечения возможности разработки микропрограмм любых машинных операций, а второе связано с желанием уменьшить объем используемого оборудования.

Информация в лекции "6.1. Интерфейс 8-разрядного МП" поможет Вам.

Автоматическое управление процессом работы микропрограммной ЭВМ по решению задачи достигается на основе принципа программного управления (ППУ), который составляет ее главную особенность и состоит в следующем:

1) любая операция, реализуемая устройством, является последовательностью элементарных действий - микроопераций;

2)  для управления порядком следования микроопераций используются логические условия;

3)  процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алгоритма, представляемого в виде микроопераций и логических условий, называемого микропрограммой;

4)  микропрограмма отражает функции устройства, его структуру, и порядок работы устройства во времени.

Команды в такой ЭВМ выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти, кроме команд безусловного и условного перехода, изменяющих этот порядок. Последовательность команд для решения конкретной задачи – называют программой. ППУ обеспечивает гибкость микропроцессорной системы и позволяет осуществлять проблемную ориентацию ЭВМ.