Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ (2006), страница 3

ЧАСТЬ I

Принципы организации ЭВМ

Глава 1. Начальные сведения об ЭВМ

Глава 2. Функциональная организация ЭВМ

Глава 3. Арифметические основы ЭВМ

Глава 4. Организация устройств ЭВМ

Глава 5. Организация памяти в ЭВМ

Принято считать, что ЭВМ — "сложная система". Это понятие имеет много трактовок, в т. ч. и такую: "сложную систему невозможно адекватно опи­сать на одном языке". Обычно ЭВМ рассматривают на нескольких уровнях:

□ логические элементы;

□ операционные элементы (узлы);

□ устройства;

□ структура ЭВМ и система команд.

На каждом из уровней используются свои языки описания. И "выше", и "ни­же" приведенных элементов списка можно выделить другие уровни, но их рассмотрение лежит за пределами этой книги.

Приступая к изучению вопросов архитектуры ЭВМ, читатель должен иметь представление о логических и операционных элементах цифровой техники (конъюнкторы, инверторы, триггеры, регистры, мультиплексоры, дешиф­раторы, сумматоры и т. д.).

Центральным в структуре ЭВМ является, несомненно, процессор, а главными устройствами любого процессора можно считать арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Далее мы подробно рас­смотрим принципы и способы организации АЛУ. Поскольку АЛУ разрабаты­вается для реализации определенных алгоритмов арифметической и логиче­ской обработки данных, то неизбежным становится и рассмотрение различ­ных вариантов таких алгоритмов.

ГЛАВА 1

Начальные сведения об ЭВМ

1.1. История развития вычислительной техники

С тех пор, как человечество осознало понятие количества, разрабатывались и применялись различные приспособления для отображения количественных эквивалентов и операций над величинами. Отбросив рассмотрение "доисто­рических" с точки зрения вычислительной техники средств (кучки камней, счеты и т. д.), рассмотрим кратко историю развития вычислительных машин.

Пожалуй, первой реально созданной машиной для выполнения арифметиче­ских действий в десятичной системе счисления можно считать счетную ма­шину Паскаля. В 1642 г. Б. Паскаль продемонстрировал ее работу. Машина выполняла суммирование чисел (восьмиразрядных) с помощью колес, кото­рые при добавлении единицы поворачивались на 36° и приводили в движение следующее по старшинству колесо всякий раз, когда цифра 9 должна была перейти в значение 10. Машина Паскаля получила известность во многих странах, было изготовлено более 50 экземпляров машины. Впрочем, еще до Паскаля машину, механически выполняющую арифметиче­ские операции, изобразил в эскизах Леонардо да Винчи (1452—1519). Сумми­рующая машина по его эскизам выполнена в наши дни и доказала свою рабо­тоспособность.

В средние века (расцвет механики) было предложено и выполнено много раз­личных вариантов арифметических машин: Морлэнд (1625—1695), К. Перро (1613—1688), Якобсон, Чебышев и др. Первую машину, с помощью которой можно было не только складывать, но и умножать и делить, разработал Г. Лейбниц (1646—1716). Однако большинство подобных машин изготавли­вались авторами в единичных экземплярах. Удачное решение инженера В. Однера, разработавшего колесо с переменным числом зубьев, позволило почти век серийно выпускать арифмометры (например, "Феликс" Курского завода "Счетмаш"), являвшиеся основным средством вычислений вплоть до эпохи ПЭВМ и калькуляторов.

Все упомянутые выше механизмы обладали одной особенностью— могли автоматически выполнять только отдельные действия над числами, но не могли хранить промежуточные результаты и, следовательно, выполнять по­следовательность действий.

Первой вычислительной машиной, реализующей автоматическое выполнение последовательности действий, можно считать разностную машину Ч. Беб-беджа (1792—1871). В 1819 г. он изготовил ее для расчета астрономических и морских таблиц. Машина обеспечивала хранение необходимых промежу­точных значений и выполнение последовательности сложений для получения значения функции. В дальнейшем Беббедж предложил т. н. аналитическую машину, предназначенную для решения любых вычислительных задач. При желании в аналитической машине Беббеджа можно найти прообразы всех основных устройств современной ЭВМ: арифметическое устройство ("мель­ница"), память ("склад"), устройство управления (на перфокартах), позво­ляющее выбирать различные пути решения в зависимости от значений ис­ходных данных и промежуточных результатов. Проект аналитической маши­ны Беббеджа так и не был реализован— из-за несоответствия идеи и элементной базы.

Даже выпускаемые большими сериями электрические релейные машины Хол-лерита (1860—1929) — табуляторы — не произвели переворота в средствах обработки информации, хотя и широко использовались для обработки стати­стической информации вплоть до 70-х годов прошлого века.

Идеи аналитической машины Беббеджа были использованы в релейных ма­шинах, выпускавшихся в 30—40-х годах XX века. Теоретической основой разработки релейно-контактных схем явился аппарат булевой алгебры, кото­рый в дальнейшем использовался для синтеза схем ЭЭВМ. Однако и элек­трические реле как элементная база вычислительной техники не удовлетво­ряли потребностям этой техники по всем основным параметрам (быстродей­ствие, надежность, потребляемая мощность, стоимость, габариты и др.).

Только освоение электронных схем в качестве элементной базы положило начало действительно массовому внедрению сначала вычислительной, а по­том и информационной техники во все сферы человеческой деятельности. Первые электронные цифровые вычислительные машины (ЭЭВМ) были раз­работаны и выпущены на рубеже 40—50-х годов прошлого века в США, Англии и чуть позднее — в СССР.

1.2. Цифровые и аналоговые вычислительные машины

Ike приведенные выше факты относятся к истории т. н. цифровой вычисли­тельной техники, в которой информация представлена в дискретной форме (в форме чисел, кодов, знаков). Однако большинство физических величин может принимать значение из непрерывного множества — континуума. Су­ществуют вычислительные устройства, оперирующие непрерывной инфор­мацией (пример— логарифмическая линейка, где информация представлена отрезками длины). Существует и целый класс электронных вычислительных мншин — т. н. аналоговые, информация в которых представляется непрерыв­ными значениями электрического напряжения или тока. Принцип работы та­ких машин — в построении электрических цепей, процессы в которых опи­сываются теми дифференциальными уравнениями, которые требуется ре­шить.

Рис. 1.1. Модель: а — механическая система; б — "аналогичная" ей электрическая цепь

Классический пример такого подхода показан на рис. 1.1. Например, требует­ся изучить поведение механической колебательной системы, описываемой шфференциальным уравнением (1.1). Подберем электрическую цепь, про­цессы в которой описываются тем же дифференциальным уравнением с точ­ностью до обозначений (1.2). Между механическими величинами (рис. 1.1, а) и юктрическими (рис. 1.1, б) существует соответствие (сравните уравнения ■1.1) и (1.2)).

Таким образом, для механического устройства можно подобрать электриче­скую цепь, процессы в которой описываются аналогичными дифференциаль­ными уравнениями. Или, для заданного дифференциального уравнения (сис­темы) построить электрическую цепь, которая описывается этим уравнением.

Существует хорошо отработанная методика синтеза таких цепей и наборы функциональных блоков (АВМ), позволяющие собирать и исследовать синте­зированные цепи.

Достоинства АВМ: простота подготовки решения, высокая скорость ре­шения.

Недостатки АВМ: неуниверсальность (предназначены только для решения дифференциальных уравнений) и низкая точность решения.

В настоящее время АВМ находят применение лишь в ограниченных областях технического моделирования. Поэтому в дальнейшем будем употреблять термин "ЭВМ", имея в виду только цифровые вычислительные машины, как это принято в современной терминологии.

1.3. Варианты классификации ЭВМ

За свою полувековую историю ЭВМ из единичных экземпляров инструмен­тов ученых превратились в предмет массового потребления. Спектр приме­нения ЭВМ в современном обществе чрезвычайно широк, причем именно эбласть применения накладывает основной отпечаток на характеристики ЭВМ. Поэтому в большинстве подходов к классификации ЭВМ именно об-пасть применения является основным параметром классификации.

Изделия современной техники, особенно вычислительной, традиционно при­нято делить на поколения (табл. 1.1), причем основным признаком поколения ЭВМ считается ее элементная база. Следует помнить, что любая классифика­ция не является абсолютной. Всегда можно отыскать объект классификации, который по одним параметрам относится к одному классу, а по другим — < другому. Это в большой степени относится и к классификации поколений ЭВМ: некоторые авторы выделяют три поколения ЭВМ (дальнейшее разви­тие ЭВМ идет как бы вне поколений), другие насчитывают целых шесть.

В рамках первого поколения ЭВМ не возникала необходимость в классифика­ции, т. к. машин были считанные единицы и использовались они, как прави-ю, для выполнения научно-технических расчетов. Отдельные машины харак­теризовались быстродействием (числом выполняемых операций в секунду), эбъемом памяти, стоимостью, надежностью (наработка на отказ), габаритно-зесовыми характеристиками, потребляемой мощностью и другими парамет-эами.

Использование транзисторов в качестве элементной базы второго поколения привело к улучшению примерно на порядок каждого из основных параметров ЭВМ. Это, в свою очередь, резко расширило сферу применения ЭВМ, причем в разных областях применения к ЭВМ предъявлялись различные требования. Так называемые "научно-технические расчеты" характеризовались относи­тельно небольшим объемом входной и выходной информации, но очень большим числом сложных операций с высокой точностью над входной ин­формацией, а "планово-экономические расчеты"¹ — наоборот, простейшими операциями (сложение, сравнение) над огромными объемами информации.

Соответственно в рамках второго поколения ЭВМ выделялись:

□ ЭВМ для научно-технических расчетов, характеризующиеся мощным бы­стродействующим процессором с развитой системой команд (в т. ч. реали­зующей арифметику с плавающей запятой) и относительно небольшой внешней памятью и номенклатурой устройств ввода/вывода;

□ ЭВМ для планово-экономических расчетов, характеризующиеся, прежде всего, большой многоуровневой памятью, развитой номенклатурой уст­ройств ввода/вывода (УВВ), но относительно простым и дешевым про­цессором, система команд которого включает простые арифметические команды (сложение, вычитание) с фиксированной запятой.

Характерно, что и языки программирования "второго поколения" так же раз­делялись на "математические" (FORTRAN) и "экономические" (COBOL).

Однако по мере расширения сферы применения ЭВМ, улучшения их основ­ных характеристик, появления новых задач, границы между выделенными классами стали размываться. Уже в рамках второго поколения стали выделять т. н. ЭВМ общего назначения, одинаково хорошо приспособленные для решения разнообразных задач. Такие машины объединяли в себе достоинства "научно-технических" и "планово-экономических" ЭВМ: мощный процессор, большую память, широкую номенклатуру УВВ (в то время это уже можно было себе позволить). Такие машины могли решать задачи, недоступные пре­дыдущим моделям. Но для решения более простых задач их ресурсы явля­лись избыточными и, следовательно, решение этих задач — экономически не оправдано. Поэтому ЭВМ общего назначения (универсальные ЭВМ) стали выпускать различной вычислительной мощности (и, следовательно, стоимо­сти): большие, средние и малые.

В рамках ЭВМ третьего поколения стал усиленно развиваться новый класс — управляющие ЭВМ. К ЭВМ, работающим в контуре управления объ­ектом или технологическим процессом, предъявляются специфические тре­бования: прежде всего, высокая надежность, способность работать в экстре­мальных внешних условиях (перепады температуры, давления, питающих напряжений, высокий уровень электромагнитных помех и т. п.), быстрая ре­акция на изменения состояния внешней среды, малые габариты и вес, просто­та обслуживания. В то же время к таким характеристикам, как быстродейст­вие процессора, мощность системы команд, объем памяти, часто не предъяв­лялись слишком высоких требований, зато решающим становился фактор стоимости. Эти особенности привели к появлению класса т. н. мини-ЭВМ, а затем и микроЭВМ, хотя в дальнейшем и мини- и микроЭВМ использовались не только в качестве управляющих. Иногда эти классы объединяли понятием проблемно-ориентированные ЭВМ.