Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Повышение уровня экономических, правовых, социальных, научных знаний общества, содействие в обеспечении демократических прав и свобод граждан. Содейст...полностью>>
'Конкурс'
Приглашаем Вас принять участие в конкурсе презентаций интерактивных проектов в режиме интернет-ресурса по теме «Модель развития креативной среды ОУ в ...полностью>>
'Документ'
На KRO-KSU@UKR.NET - принимается только полный пакет документов (см. п. 1,2,3), заявка считается принятой только после письменного подтверждения о при...полностью>>
'Документ'
Автор этой книги Ольга Ивановна Скороходова – человек необычной судьбы. В детстве она заболела менингитом и полностью потеряла зрение, а потом и слух....полностью>>

Главная > Документ

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

ТЕМА 1.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ.

    1. Принцип действия ЭВМ.

ЭВМ – совокупность технических устройств, предназначенных для автоматизированной обработки дискретных сообщений по тре­буемому алгоритму.

И


дея автоматизации процесса обработки данных заложена в принцип действия ЭВМ. На рис. 1.1 приведена структурная схема абстрактной ЭВМ. Она позволит показать состав, порядок, и прин­ципы взаимодействия основных функциональных частей ЭВМ.

Рис 1.1 Структурная схема ЭВМ.

Любая ЭВМ содержит следующие основные устройства:

  • арифметико-логическое (АЛУ);

  • управления (УУ);

  • ввода данных в ЭВМ и вывода из нее результатов обработки (УВВ);

  • память (ЗУ).

АЛУ и УУ образуют процессор.

Память состоит из запоминающих устройств (ЗУ) и предна­значена для хранения алгоритма обработки данных и самих данных. Они включают некоторое число L ячеек памяти, каждая из которых используется для запоминания одного l-разрядного двоичного числа. Запись и чтение данных осуществляется только при указании места их хранения.

АЛУ. Выполняет арифметические и логические операции над поступающими в него двоичными кодами команд и данных. Каждый процессор выполняет ограниченный набор команд, входящий в сис­тему команд ЭВМ.

УУ под воздействием поступающих данных автоматически ко­ординирует работу всех устройств ЭВМ посредством своевременной выдачи на них управляющих сигналов: предписывает АЛУ выполнение конкретной операции, управляет обменом между ЗУ и процессором, работой УВВ.

Алгоритм – последовательность операций (действий), выполнение которой над исходными данными и промежуточными результатами приводит к конечному результату – решению. В памяти ЭВМ он хранится в виде двоичных многоразрядных чисел – машинных кодов команд.

Программа – описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими данными (операндами) это действие производится.

Перед началом решения задачи в ЗУ через УВВ записываются в кодированном виде программа и подлежащие обработке данные. В ходе вычислительного процесса при выполнении очередной команды из ЗУ считывается эта команда. По адресной части команды определяется местонахождение обрабатываемых данных, они извлекаются из ЗУ, процессор выполняет над ними указанную в коде операцию и записывает результат на хранение в ЗУ. Затем определяется местонахождение следующей команды программы и снова повторяется аналогичный цикл.

    1. Архитектурно-функциональные принципы построения ЭВМ.

Были разработаны и опубликованы в 1946 г. венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом и его коллегами Г. Гольдстайном и А. Берксом в ставшем классическом отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства».

Основные принципы построения ЭВМ.

1.Программное управление работой ЭВМ. Программы состоят из отдельных шагов-команд; команда осуществляет единичный акт преобразования информации; последовательность команд, необходимая для реализации алгоритма, является программой; все разновидности команд, использующиеся в конкретной ЭВМ, в совокупности являются языком машины или системой команд машины.

2.Принцип условного перехода. Это возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от промежуточных, полученных в ходе вычислений результатов; реализация этого принципа позволяет легко осуществлять в программе циклы с автоматическим выходом из них, итерационные процессы и т.п. Благодаря принципу условного перехода, число команд в программе получается значительно меньше, чем при использовании программы за счет многократного вхождения в работу участков программы.

3.Принцип хранимой программы. Заключается в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и исходные данные. Команды для исполнения выбираются из ОЗУ в УУ, а числа – в АЛУ. Для ЭВМ и команда, и число являются машинным словом, и если команду направить в АЛУ в качестве операнда, то над ним можно произвести арифметические операции, изменив ее. Это открывает возможность преобразования программ в ходе их выполнения; кроме того это обеспечивает одинаковое время выборки команд и операндов из ОЗУ для выполнения, позволяет быстро менять программы и их части, вводить непрямые системы адресации, видоизменять программы по определенным правилам.

4.Принцип использования двоичной системы счисления

для представления информации в ЭВМ. Это существенно упрощает техническую конструкцию ЭВМ.

5.Принцип иерархичности ЗУ. Это компромисс между емкостью и временем доступа к данным для обеспечения относительной дешевизны.

Эти принципы фон Неймана относятся к фундаментальным положениям, определившим на многие годы развитие вычислительной техники и кибернетики.

    1. Основные характеристики и архитектура ЭВМ.

Архитектура ЭВМ – совокупность ее свойств и характеристик, рассматриваемых с точки зрения пользователя машины. Полный комплекс значимых для пользователя общих вопросов функциональной и структурной организации ЭВМ, общения с нею, организации вычислительного процесса, включая совокупность характеристик и параметров ЭВМ, влияющих на решение этих вопросов, охватывается понятием архитектуры.

Важнейшие для пользователя группы характеристик ЭВМ, определяющие ее архитектуру:

  • характеристики машинного языка и системы команд (количество и состав команд, их форматы, системы адресации, наличие программно-доступных регистров в процессоре и т.д.), которые определяют алгоритмические возможности процессора ЭВМ;

  • технические и эксплутационные характеристики ЭВМ: производительность, показатели надежности, точности, емкость памяти, потребляемая мощность, стоимость и т.д.;

  • характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; наличие возможности подключения дополнительных модулей (сверхоперативной памяти, канала прямого доступа к памяти, арифметического расширителя и др.) с целью расширения базовой конфигурации или улучшения технических характеристик базовых модулей;

  • состав программного обеспечения и принципы его взаимодействия с техническими средствами ЭВМ.

К ресурсам ЭВМ относятся те реальные аппаратные и программные средства (например, машинное время процессора, емкость ОЗУ, набор УВВ, программные модули), которые ЭВМ может выделить процессу обработки данных на время решения задач пользователя.

Программное и аппаратное обеспечение ЭВМ взаимосвязано и образует с точки зрения пользователя виртуальную ЭВМ, в которой отдельные ресурсы реализованы совокупностью аппаратных и программных средств.

    1. Области применения и классификация ЭВМ. Понятие о системах ЭВМ.

Успехи в развитии вычислительной техники привели к значительному расширению сферы применения ЭВМ. Первоначально сравнительно узкая сфера применения ЭВМ, главным образом для научных и технических расчетов, в короткий срок существенно расширилась и охватила все области человеческой деятельности.

Существует много способов классификации ЭВМ. Если в качестве главных классификационных признаков взять сложность оборудования, занимаемые им площади и численность обслуживающего персонала, то можно выделить следующие классы ЭВМ: большие, средние, малые (мини), микроЭВМ и микропроцессоры.

Наиболее надежный классификационный признак – потенциальная область применения, по которому ЭВМ подразделяются на ЭВМ общего назначения и проблемно-ориентированные (специализированные). ЭВМ общего назначения предназначены для решения широкого круга научно-технических, экономических и информационно-логических задач. Специализированные ЭВМ приспособлены для решения ограниченного круга задач. Они должны быть дешевы, просты в эксплуатации.

В последние годы особенно бурно развиваются персональные ЭВМ, относящиеся к классу микроЭВМ, и микропроцессоры. Микропроцессоры открывают принципиально новые возможности для высокоэффективной автоматизации производственных процессов, научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, обработки информации при планировании и управлении производством на предприятиях и т.д. В группе ПЭВМ выделяются промышленные ПЭВМ, составляющие основу современных АСУ ТП.

Основные черты современных промышленных ПЭВМ:

  • большое число подключаемых плат (до 14);

  • секционирование корпуса;

  • пассивная панель вместо материнской платы;

  • прочный корпус;

  • возможность монтажа в обойме 19”;

  • повышенная виброустойчивость;

  • клавиатура, как правило, встроена в корпус;

  • использование повышенной отказоустойчивости компонентов.

Расширение сферы применения вычислительной техники и особенно ее использование в автоматизированных системах управления привели к включению в состав машин большого комплекса разнообразных периферийных устройств для ввода, запоминания, хранения, регистрации, отображения, индикации. Конкретные применения предъявляют конкретные требования к составу периферийных устройств, объему оперативной и внешней памяти и т.п.

Это привело к тому, что при проектировании вычислительной техники концепцию ЭВМ с фиксированным составом оборудования, где главное место занимало устройство обработки информации, сменила концепция агрегативной вычислительной машины (системы) с переменным составом оборудования который определяется выполняемыми ею функциями. При таком подходе отдельные устройства выполняются в виде агрегатов (модулей), которые в нужной номенклатуре и количестве объединяются в ЭВМ. Важное место в агрегатированных машинах занимают унифицированные сопряжения (интерфейсы), обеспечивающие обмен информацией между агрегатами, входящими в состав ЭВМ, и допускающие подключение необходимого состава периферийных устройств.

Интерфейс – это стандарт на сопряжение информационных блоков, определяющий число линий, тип передаваемой по каждой линии информации и направление передачи, кодировку информации, передаваемой по линии, все электрические и временные параметры сигналов и конструктивы соединения (разъемы).

Естественным развитием концепции агрегатированной вычислительной техники явилось создание рядов или систем ЭВМ, состоящих из информационно- и программно-совместимых машин, обладающих различными характеристиками.

Информационная совместимость ЭВМ – это единые способы кодирования информации и форматы данных или хотя бы по меньшей мере одинаковые или кратные длины машинных слов в различных моделях.

Программная совместимость – программы, составленные для одной модели, могут выполняться на других моделях ряда. Практически это достигается единой для всех машин ряда системой команд.

Единая система команд позволяет иметь общие для машин системы ЭВМ операционные системы.

Помимо программной совместимости машины, входящие в систему ЭВМ, должны обладать аппаратной совместимостью, заключающейся в возможности присоединения к ядру любой модели ЭВМ (процессору и оперативной памяти) любых периферийных устройств, общих для всей системы ЭВМ.

Таким образом, общие форматы данных и команд, единая система команд, общие операционные системы, общая номенклатура периферийных устройств, общие методы технической и математической эксплуатации и обслуживания, единая методика построения технической документации – вот что превращает совокупность отдельных моделей ЭВМ в систему (ряд).

    1. Общие принципы построения современных ЭВМ.

К общим принципам построения современных ЭВМ относятся:

1) Возможность мультипрограммной работы;

2) Иерархическая организация структуры ЭВМ, программного обеспечения и управления вычислительным процессом;

3) Обеспечение максимальных удобств в работе пользователей и эффективной эксплуатации оборудования;

4) Возможность адаптации, развития и модернизации ЭВМ.

Эти принципы были выработаны в процессе эволюции ЭВМ и обусловлены не только стремлением улучшить технико-экономические показатели ЭВМ (соотношение производительность/стоимость), но и желанием повысить эффективность использования ресурсов ЭВМ, сделать общение пользователя с ЭВМ максимально удобным. В первоначальной структуре ЭВМ произошёл ряд изменений.

В составе ЭВМ выделились центральное (обрабатывающее) ядро и периферия (все УВВ, внешняя память). Периферийное оборудование стало подключаться к центральному ядру через специализированные процессоры (каналы ввода-вывода), управляющие обменом между УВВ и выделенной областью памяти и обеспечивающие прямой доступ УВВ к памяти. С увеличением количества и разнообразия периферийных устройств возросло число КВВ и произошла их специализация (разделение) на высокоскоростные – селекторные и низкоскоростные – мультиплексные, а также выделилось специализированное интерфейсное оборудование, обеспечивающее информационное и электрическое сопряжение периферии с центральным ядром. В результате ЭВМ приобрела иерархическую структуру, в которой центральное ядро, КВВ, интерфейсы и периферия находятся на разных уровнях иерархии.

Децентрализация управления вычислительным процессом создала предпосылки для одновременного выполнения ЭВМ нескольких программ, т.е. для реализации режима мультипрограммной работы ЭВМ. Это потребовало загрузки в память ЭВМ пакета, состоящего из нескольких поставленных в очередь на обработку программ, и введения в ОС специальной программы – супервизора, которая одновременно со счётом по текущей программе организует ввод данных для следующей и вывод результатов по предыдущей программе.

Тенденция к децентрализации структуры привела к разделению функций внутри процессора: появились специализированные процессоры с закреплёнными за ними определёнными операциями.

Для достижения большей информационной ёмкости и необходимого быстродействия ЗУ память ЭВМ строится с соблюдением иерархического принципа:

- Сверхоперативное ЗУ (СОЗУ);

- ОЗУ (расслоенное на несколько блоков с индивидуальными устройствами управления);

- Постоянное ЗУ (ПЗУ);

- Буферные ЗУ (БЗУ);

- Внешние ЗУ (ВЗУ).

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ разных уровней позволяет рассматривать все информационные ёмкости ЭВМ как некую единую абстрактную виртуальную память и осуществлять обращение к любой ячейке памяти посредством абстрактного поля виртуальных адресов.

В ЭВМ, предназначенных для мультипрограммной работы, выделились следующие средства (программные и аппаратные):

- Средства распределения памяти между разными программами;

- Система защиты памяти;

- Система прерываний и приоритетов;

- Таймер.

В большинстве ЭВМ, используемых для мультипрограммной работы, предусматривается организация нескольких режимов работы, таких как:

- Режим пакетной обработки;

- Режим разделения времени;

- Режим «запрос-ответ» и др.

А
рхитектура современной ЭВМ общего назначения приведена на рис.1.2.
Рис.1.2.

ЦП – центральный процессор; ПУУ – устройство группового управления периферийными устройствами; АКК - адаптер канал-канал; СП – специализированный процессор; Д – дисплей; АПД – аппаратура передачи данных; ПМ – пишущая машинка.

Селекторный канал осуществляет обмен между ОЗУ и ВЗУ. При этом скорость обмена составляет 1-2 Мб/с . Т.к. скорость передачи высокая, а, следовательно, время, за которое происходит весь обмен данными, короткое, канал поддерживает связь ОЗУ с выбранным ВЗУ все время пока не закончится обмен.

Мультиплексный канал осуществляет обмен между ОЗУ и низкоскоростными внешними устройствами. При этом ОЗУ может выдавать и принимать данные со скоростью сотни тысяч байт в секунду, а УВВ принимают и передают данные со скоростью порядка тысячи байт в секунду и медленнее.

Чтобы полностью использовать пропускную способность канала, его снабжают своим быстродействующим ЗУ и системой переключения с одного УВВ на другое (со стороны УВВ) и с одного блока ОЗУ на другой (со стороны ОЗУ). Такой канал работает в 2 такта: во-первых, он накапливает данные из УВВ в ячейках своей памяти, закрепленных за этим УВВ, переключаясь, по мере готовности передать или принять данные, с одного УВВ на другое, а во-вторых, обменивается более крупными партиями данных между своими ЗУ и ОЗУ. За эту способность к быстрому переключению получил название мультиплексного.

Для стандартизации подключения всех ВЗУ и УВВ к магистралям, идущим от каналов к устройствам, все электрические параметры этих магистралей стандартизованы. Этот стандарт называется главным интерфейсом.

С
хема интерфейсов ЭВМ общего назначения приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Схема интерфейсов ЭВМ общего назначения.

Структура мини- и микро-ЭВМ проще, чем структура ЭВМ общего назначения. Это обусловлено использованием микропроцессорных БИС, имеющих относительно малое количество выводов, и осуществлением обмена между модулями ЭВМ через многопроводные шины (магистрали) общего пользования. Все малые ЭВМ имеют магистрально-модульную организацию (рис 1.4).



Рис. 1.4. Структура мини- и микро-ЭВМ.

С
истема обмена малых ЭВМ через общую шину эффективна лишь при сравнительно небольшом наборе периферийных устройств.

Рис. 1.5 Схема интерфейсов мини- микро-ЭВМ.

КПУ – контроллер периферийного устройства.

    1. .Структура программного обеспечения.

Программное обеспечение ЭВМ представляет собой совокупность ОС, программы технического обслуживания (ПТО) и пакетов прикладных программ (ППП).

ОС является ядром программного обеспечения и содержит ряд директивных программ, отвечающих за планирование работы и распределение ресурсов ЭВМ, облегчающих взаимодействие пользователей и их программ с аппаратными средствами. Кроме того, ОС содержит программы-трансляторы с алгоритмических языков, предназначенных для перевода пользовательских программ на машинный язык.

ПТО обеспечивает автоматическую проверку работоспособности ЭВМ, диагностику, локализацию неисправностей и значительно снижают трудоемкость эксплуатации ЭВМ. ППП могут содержать упорядоченные наборы программ для решения типовых задач определенного класса.

По задачам и функциям различные компоненты ПО делятся на общее и специальное ПО. Общее ПО включает ОС и ПТО, специальное – ППП для решения конкретных задач по отдельным отраслям профессиональной деятельности.

Детально основные компоненты ПО рассматриваются в других курсах и здесь не рассматриваются. Несколько замечаний по ОС.

Операционной системой будем называть комплекс программно-аппаратных средств и необходимых информационных массивов, организующих вычислительный процесс по реализации заданий пользователей путем оптимального планирования использования и управления всеми ресурсами ЭВМ.

Это наиболее общее и полное определение ОС. Оно позволяет представить ЭВМ с точки зрения пользователя как виртуальную многоуровневую систему (рис. 1.6).

1 – виртуальная система пользователя;

  1. – внешняя расширенная машина;

  2. – внутренняя расширенная машина.

Рис.1.6.

а – аппаратура;

b – базовые функции ОС;

c – основные функции ОС;

d – слой процессов;

e – язык управления заданиями и алгоритмические языки.

Впервые предложена Декстрой в 1968г. в работе “Структура мультипрограммных систем”. Основана на представлении вычислительной системы в виде вложенных друг в друга виртуальных машин, имеющих совместимость иерархического типа.

Наименьший уровень представляет собой физическую машину и реализуется аппаратными средствами на принципах микропрограммного или схемного управления. Каждый следующий уровень обеспечивает новые свойства за счет ОС и общего программного обеспечения. На самом нижнем уровне находятся средства реализации микроопераций. Средства и функции управления каждого последующего уровня формируются из средств и функций более низких по отношению к рассматриваемому уровней. Каждый уровень характеризуется длительностью реализуемого управления и определенной шириной охвата управляемых средств. Высшие уровни управления реализуются компонентами ОС, являющейся программным продолжением устройства управления и образующей интерфейс между пользователем и ЭВМ.

По степени развитости некоторые современные ОС настолько способны автоматизировать функции оператора, что с полным правом могут быть отнесены к искусственному интеллекту.

Практическое применение концепции многоуровневой виртуальной системы: упрощение и формализация описания процесса функционирования ВС и ее основных компонент.



Похожие документы:

  1. Магистрально-модульный принцип построения компьютера

    Документ
    Магистрально-модульный принцип построения компьютера Компьютер (ЭВМ) — это универсальное электронное программно-управляемое ... – дать общее представление. Основные компоненты архитектуры ЭВМ: - процессор, - материнская плата, - внутренняя (основная ...
  2. "Архитектура эвм"

    Документ
    ... на уровне его архитектуры. Под архитектурой понимают описание устройства и принципов работы ЭВМ без подробностей ... и о принципах организации информации. Внутренняя память К физическим относятся следующие свойства: • память, построенная на ...
  3. Программа для подготовки к экзамену. III поток. Понятие архитектуры ЭВМ. Требования быстродействия, надежности и ограниченной стоимости при построении ЭВМ

    Программа для подготовки
    ... архитектуры ЭВМ. Требования быстродействия, надежности и ограниченной стоимости при построении ЭВМ. Схема устройства ЭВМ ... от ОП. Шина. Модели архитектуры ЭВМ с одной шиной, с ... Вещественные числа в ПК. Принципы Джона фон Неймана. Трехадресная ...
  4. Организация однопроцессорных ЭВМ 2 > общие вопросы истории развития и построения ЭВМ 2

    Документ
    ... средства, программное обеспечение и архитектура ЭВМ. Рассмотрим коротко этапы развития ЭВМ за последние 50 ... отношению к предыдущему. Чем различается принцип построения малых ЭВМ и больших ЭВМ общего пользования? 2. Представление информации ...
  5. Урок по теме "Общие принципы устройства ЭВМ. Компьютер ibm pc"

    Урок
    ... понятие: об архитектуре ЭВМ: внешняя и внутренняя; основные принципы работы ЭВМ; магистрально-модульный принцип построения; память; процессор ...

Другие похожие документы..