Состав и принципы построения ЭВМ
|
Структура, архитектура ЭВМ, систем и сетей.
Лекции: к.т.н., доц. Шарнов Александр Иванович.
Практика: Ивакин Константин Николаевич.
ВВЕДЕНИЕ
Россия стоит на пути исторической необходимости перехода на новый уровень общественного и экономического развития, определяемыми жестокими требованиями рыночной экономики. Речь идет о пути формирования информационного общества. Материальная база информационного общества является информационная экономика. Основы информационной экономики составляет создание и потребление информационных ресурсов или информационных ценностей.
Основные особенности информационной экономики:
1).Главной формой накопления является накопление знаний и другой полезной информации.
2).Это изменение характера производства процессов в основных областях.
3).Экономически оправданным является мелкосерийное и индивидуальное производство.
4).Резкое возрастание скорости экономических процессов.
5).Усиление интеграционных процессов.
Развитые страны мира стали на путь информационной экономики в 70 годах.
Такой путь имели следующие моменты:
1).Превышение суммарных затрат, чисто информационной базы над другими отраслями.
2).Возрастание доли не вещественных затрат.
3).Формирование глобальных коммуникаций сети общества.
4).Увеличение в производстве до 50% населения занятые информационной обработкой.
ПРИНЦИПЫ ПОСТОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ.
ЭВМ, компьютер – это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
Требования пользователей к выполнению вычислительных работ определяется подбором и настройкой технических и программных средств объединенных в одну структуру.
|
Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых состоит ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.
Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники:
1.
2.
3.
4.
Содержание знаний и умений специалистов по ПО и его эксплуатации составляют:
1) Технические и эксплуатационные характеристики.
2) Производительность ЭВМ – объем работ осуществляющих ЭВМ в единицу времени.
3) Емкость запоминающих устройств: ОЗУ и ДЗУ.
4) Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени.
5) Точность – это возможность различать почти равные значения.
6) Достоверность – это свойство информации быть правильно воспринятой.
Классификация ЭВМ
Величина и разнообразие современного парка ЭВМ потребовали системы квалификации ЭВМ. Предложено много принципов классификации:
1. Классификация ЭВМ по форме представления величин вычислительной машины делят на:
- аналоговые (непрерывного действия) АВМ
- цифровые (дискретного действия) ЦВМ
- аналого-цифровые (гибридные) ГВМ
В АВМ обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых вычислений: ток, напряжение угол поворота.
|
2. Классификация ЭВМ по поколениям (по элементарной базе):
- Первое поколение (50г.): ЭВМ на электронных вакуумных лампах.
- Второе поколение (60г.): ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).
- Третье поколение (70г.): ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой степенью интеграции.
- Четвертое поколение (80г.): ЭВМ на больших интегральных схемах.
- Пятое поколение (90): ЭВМ на сверхбольших интегральных схемах.
- Шестое и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной степенью большого числа несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
Интегральная схема – электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.
3. Классификация ЭВМ по мощности (быстродействию):
1).Супер-ЭВМ – машины для крупно-маштабных задач (фирма IBM).
2).Большие ЭВМ – машины для территориальных, региональных задач.
3).Средние ЭВМ – машины очень широкого распространения.
4).Малые ЭВМ.
5).ПЭВМ (персональные ЭВМ).
6).Микро ЭВМ и микропроцессоры.
7).Сети ЭВМ.
Общие принципы построения современных ЭВМ.
Основным принципом построения ЭВМ является программное управление, в основе которого лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.
Алгоритм – это конечный набор предписаний, определяющий решения задачи посредством конечного количества операций (ISO 2382/1-84 международный стандарт).
Программа – это упорядоченное последовательность команд подлежащих обработки.
Принцип программного управления может быть осуществлен разными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ был представлен в 1945 году Нейманом. Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления отражает характер действия человека по алгоритму.
|
УПД |
|
УВС |
|
ЗУ |
|
УВ |
|
АЛУ |
|
УУ |
|
ВЗУ |
|
ОЗУ |
|
ДЗУ |
|
|||
программы потоки
и исходные информации
данные
Обобщенная структура ЭВМ Джен Фон Неймана первого и второго поколений
УПД – устройство подготовки данных.
УВС – устройство ввода.
АЛУ – арифметико-логическое устройство.
УУ – устройство управления.
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.
ДЗУ – длительно запоминающее устройство
ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.
УВ – устройство вывода.
ЗУ+АЛУ+УУ – процессор.
Любая ЭВМ имеет устройство ввода информации, с помощью которого в ЭВМ вводят программы решения задач и данные к ним.
ОЗУ – предназначено для оперативного запоминания программы хранящейся в исполнении.
ВЗУ – предназначено для долговременного хранения информации.
Кэш-память – промежуточная память между ОЗУ и ВЗУ.
УУ – предназначено для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ.
|
Классическая структура ЭВМ с переходом на БИС (большие интегральные схемы) перешла в понятие архитектура ЭВМ.
|
процессор |
|
УУ |
|
СОЗУ |
|
АЛУ |
|
ОЗУ |
|
КВв |
|
КВв |
|
УВв |
|
УВыв |
|
ВЗУ |
|
ВЗУ |
|
|
Устройства
сопряжения
Обобщенная архитектура третьего и четвертого поколений
В ЭВМ третьего поколения усложнение структуры произошло за счет разделения процессов ввода/вывода информации, и ее обработки. Появляется понятие процессор, где неразрывно связаны СОЗУ (сверх оперативное устройство), АЛУ и УУ. Появляется понятие каналы ввода/вывода, которые делят на мультиплексные (МК) и селекторные (СК) каналы.
МК – предназначены обслуживать большое количество медленно-скоростных устройств.
СК – обслуживают высокоскоростные, отдельные устройства.
Применительно к ПЭВМ архитектура приняла упрощенный вид архитектуры малых машин (принцип открытой архитектуры, где главным элементом является системная магистраль). Ядро ПЭВМ образует процессор и основная память. Подключение всех остальных устройств осуществляется через адаптеры (устройства сопряжения).
|
процессор |
|
ОП |
|
контроллер |
|
контроллер |
|
ВУ |
|
ВУ |
|
КПД |
|
таймер |
|
СИСТЕМНАЯ ШИНА |
|
Обобщенная архитектура ПЭВМ
|
Математический процессор |
|
Интегральная схема |
|
Микропроцессор |
|
Арифметико-логическое устройство |
|
Микропроцессорная память |
|
Устройство управления |
|
СИСТЕМНАЯ ШИНА |
|
Основная память |
|
ДЗУ |
|
ОЗУ |
|
Внешняя память |
|
НЖМД |
|
НГМД |
|
Адаптер НЖМД |
|
Адаптер НГМД |
|
Видео-адаптер |
|
Адаптер принтера |
|
Источник питания |
|
Дисплей |
|
Принтер |
|
Сетевой адаптер |
|
Генератор тактовых импульсов |
|
Интерфейс клавиатуры |
|
Клавиатура |
|
|||
|
Структурная схема ПК
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ.
Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ
ЭВМ кроме аппаратурной части и ПО (Hard Ware и Soft Ware) имеет большое количество функциональных средств. К ним относятся коды, с помощью которых обрабатываемая информация представляется в цифровом виде:
|
2).Помехозащищенные коды.
3).Цифровые коды аналоговых величин.
Кроме кодов на функционирование ЭВМ оказывают влияние:
-
-
-
-
Функциональную организацию ЭВМ образуют: коды, системы команд, алгоритмы выполнения машинных операций, технология выполнения различных процедур и взаимодействие Hard и Soft, способы использования устройств при организации их совместной работе, составляющие идеологию функционирования ЭВМ.
Идеологию функционирования ЭВМ можно реализовать разными способами:
1).Аппаратурными
2).Программно-аппаратурными
3).Программными средствами.
Таким образом, реализация функций ЭВМ дополняет ее структурную организацию. Сопоставление структур ЭВМ дополненных функциональной структурой приводит к понятию совместимых и не совместимых ЭВМ.
Организация функционирования ЭВМ с могестральной структурой
ЭВМ – это совокупность устройств выполненных на больших интегральных схемах имеющих функционированное назначение.
Комплект интегральных схем называют микропроцессорным комплектом.
В состав микропроцессорного комплекта входят:
-
-
-
-
-
-
Все устройства ЭВМ делятся на:
1).Центральные (полностью электронные БИС).
2).Периферийные (частично-электронные, частично-электромеханические с электронным управлением).
В центральных устройствах основным устройством является системная шина (системная магистраль).
Системная магистраль состоит из трех узлов:
1).Шина данных (ШД)
|
3).Шина управления (ШУ).
В состав системной магистрали входят также: регистры защелки, шинные арбитры.
Интерфейс системной шины – это логика работы системной магистрали, количество линий (разрядов) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций.
В состав центральных устройств ЭВМ входят:
-
-
-
-
-
-
Периферийные устройства делятся на:
-
-
-
-
-
Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя
Один из «прозрачных» процессов машины – это организация ввода, преобразование и отображение результатов работы системного программного обеспечения. Программа задания, написанная программистом на алгоритмическом языке называется исходным модулем.
Перевод исходной программы на машинный язык осуществляет программа translator. Он делится на: компилятор и интерпретатор.
Интерпретатор – после перевода на язык машины каждого оператора исходного модуля немедленно его исполняет.
Компилятор – сначала полностью переводит всю программу исходного модуля на машинный язык, затем его исполняет.
Объектный модуль – машинный язык.
Полученный объектный модуль записывается в библиотеку объектных модулей или сразу исполняется.
Для исполнения отлаженного объектного модуля к нему могут быть добавлены недостающие программы из библиотеки компиляторов. Такую связь выполняет программа редактор связи. В результате образуется загрузочный модуль.
|
Операционная система (ОС) – выполняет функцию управления.
СТРУКТУРА АДРЕСНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРОГРАММЫ НА ОСНОВНУЮ ПАМЯТЬ
Для выполнении программы при ее загрузки в оперативную память (ОП) ей выделяется часть машинных ресурсов. Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом, но может производиться и ОС. Выделение ресурсов перед выполнением программы называется статическим перемещением, в результате, которого программа привязывается к определенному месту памяти.
Если ресурсы машины выделяются в процессе выполнения программы, то это называется динамическим перемещением, здесь программа не привязана к определенному месту.
При статическом перемещении возможны два случая:
1).Реальная память больше требуемого адресного пространства программы. В этом случае загрузка программы в реальную память производится, начиная с нулевого адреса. Эта загружаемая программа называется абсолютной программой.
2).Реальная память меньше требуемого адресного пространства. В этом случае возникает проблема организации выполнения программ.
Существует несколько методов решения этой проблемы:
- метод оверлейной структуры, в котором программа разбивается на части вызываемые ОП по мере необходимости.
- Метод рентабельных модулей, в котором программа разбивается на временные модули доступными к исполнению по нескольким обращениям.
В мультипрограммном режиме имеются программы. А, В, С. При работе в мультипрограммном режиме может сложиться в ситуации, когда между программами остаются промежутки свободной памяти. Для того чтобы этого не было, применяют программу дефрагментации диска.
Виртуальная память
Реальную память можно «увеличить» имитируя работу с максимальной памятью. Программист предполагает, что ему предоставлена «реальная» память максимально доступная для ЭВМ. Такой режим называют режим виртуальной памяти.
|
Виртуальная память имеет сигментоно-страничную организацию и реализована в иерархической системе ЭВМ. Часть ее размещается в блоках основной памяти, а часть в ячейках внешней памяти. Записываемая область во внешней страничке памяти называется ячейкой или слотом. Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной памяти.
Загрузить программу в виртуальную память – это, значит, перезаписать несколько страниц из внешней страничной памяти в основную.
Система прерываний ЭВМ
ЭВМ – это комплекс автономных устройств каждое, из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимого от других устройств.
Включает в работу центральный процессор (ЦП), передавая устройству команды и необходимые параметры. Таким образом, ЦП переключает свое «внимание» поочередно с устройства на устройство. Для того чтобы ЦП работал, создана система прерываний.
Принцип действия системы прерываний заключается в том, что при выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяется содержание регистра.
Прерывания делят на три типа:
- аппаратурные
- логические
- программные
ЦЕНТРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ
Основная память и состав устройства
Запоминающими устройствами (ЗУ) называются комплекс программных средств, реализующих функции памяти.
ЗУ делят на:
1).Основную память (ОП)
2).Сверх оперативная память (СОЗУ)
3).Внешняя память (ВЗУ)
ОП включает в себя два типа устройств:
- ОЗУ (RAM – random aces memory)
- ПЗУ (ROM – read only memory)
ОЗУ – предназначено для хранения переменной информации.
|
Функциональные возможности ОЗУ шире ПЗУ, но ПЗУ – энергонезависимо и имеет большее быстродействие.
В современных ЭВМ микросхемы памяти изготовляют из кремния по полупроводниковой технологии, с высокой интеграцией элементов на кристалле.
Основной составной частью микропроцессора является массив элементов памяти объединенных в матрицу накопителя. Каждый элемент памяти может хранить 1 бит памяти. Каждый бит имеет свой адрес в ЗУ, позволяющий обращаться по адресу к любому элементу памяти – называется ЗУ с произвольным доступом.
2 байта - полуслово
4 байта – слово
8 байт – двойное слово
переменной длины
При матричной ориентации памяти реализуется координатный принцип адресации элементов памяти, когда адрес делится на X и Y. На пересечении этих элементов находятся элементы памяти, которые должны быть прочитаны.
Микросхемы памяти могут строиться на SRAM (статических) и DRAM (динамических).
В качестве статического элемента памяти (ЭП) обычно выступает статический триггер, а в качестве динамического ЭП используется электрический конденсатор внутри кремневого кристалла.
ОЗУ характеризуется объемом и быстродействием. ОЗУ в современных ЭВМ имеет модульную структуру. Сменные модули имеют различное конструктивное строение: SIM, ZIM, SIMM, DIMM. Увеличение объема ОЗУ связано с установкой дополнительных модулей, которые выпускаются в 30-контактном (30 pin) или 72-конктактном (72 pin) на 1,4,8,16,32,64 Мбайта. Время доступа к DRAM составляет 60-70 н.сек.
На производительность ЭВМ влияет тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали (СМ). Если тактовая частота не достаточно высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения и наоборот.
Харак4теристикой производительности ОЗУ является пропускная способность, измеряемая в Мбайт/сек.
|
СОЗУ пользуются для хранения не больших объемов информации, в результате скорость считывания уменьшается в 10-20 раз. СОЗУ строят на регистрах, они бывают адресные и без адресные. Регисторные структуры делятся на память магазинного типа и память с выборкой по содержанию.
|
Регистр X |
|
Дешифратор |
|
Блок элементов памяти |
|
Регистр Y |
|
Дешифратор |
|
Регистр данных |
|
Регистр управления |
|
Регистр адреса |
|
Шина данных СМ |
|
Шина управления СМ |
|
Шина адреса СМ |
Структурная схема ОЗУ
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР ЭВМ
Структура базового микропроцессора
Микропроцессор (МП) составляет основу центрального процессора ПВМ. Это обрабатываемое устройство служит для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к основной памяти, внешним устройствам и для управления хода вычислительных процессов.
|
К группе 8-битовых процессоров относятся:
- I 8080 (INTEL) – Integrated Electonus
- I 8085
- фирма Zelog (z)
Наибольшее распространение получили:
- I 80386
- I 80486
Каждая следующая модификация имеет более расширенную систему команд и архитектурное строение (Например, в I 80486 появился встроенный сопроцессор). Все усовершенствования ставят с целью сделать ПЭВМ многофункциональными.
Характеристика микропроцессора
Каждый МП имеет свое наименование, тактовую частоту, ICOMP – показывает стандарт, разрядность шины данных, адресуемая память, т.е. разрядность шины адреса, наличие сопроцессора, потребляемая энергия, различные примечания.
Персональным ЭВМ фирмы INTEL аналогов МП (clone) являются фирмы:
1).Cyrix
2).AMD
Условно МП можно разделить на две части:
1).EU – исполнительный блок
2).BIU – устройство сопряжения СМ
В исполнительном блоке находятся арифметический блок и регистр общего назначения.
Во втором составляет адресные регистры.
Семейство МП фирмы INTEL имеет базовую систему команд, в которую входит:
1. Команды пересылки данных.
2. Арифметические данные.
3. Логические команды.
4. Команды обработки строковых данных.
5. Команды передачи управления.
6. Команды управления.
Работой МП управляет программа, записанная в ОП ЭВМ. Особое место занимает организация прерываний. Программа оболочки прерываний могут находиться в различных частях ОП, и имеет разное управление для разных DOS.
|
Принципы управления
Передача информации с периферийного устройства в ЭВМ называется операция ввода, а передача из ЭВМ – операция вывода.
При разработке системы ввода/вывода решают проблемы:
1).Обеспечить возможность реализации машин с переменным составом оборудования.
2).Необходимо реализовать одновременную работу процессора над программой и выполнения процедур ввода/вывода.
3).Упростить для пользователя работу с устройствами ввода/вывода.
Первый шаг в решении этих проблем был сделан при разработки ЭВМ второго поколения, когда впервые была обеспеченность автономной работе внешних устройств (интерфейс).
Интерфейс – устройство соединения центральных и периферийных устройств (устр. сопряжения).
Стандартизация интерфейса привела к возможности гибко изменять структуру ЭВМ. Затем появилась концепция виртуальных устройств позволяющая совмещать различных типов ЭВМ ОС. Дальнейшее развитие интерфейсов потребовало созданию новых устройств (сканер) и как следствие возникла необходимость распознавания, идентификации, преобразования из графического вида в символьный. Анализ снимков из космоса потребовал автоматической системы наблюдаемых объектов. Все это привело к тому, что во внешнее устройство встраивали память. В машинах 5-поколения заложено интеллектуализация и общение.
Все это легло в основу совершенствования систем сопряжения. Для создания такого интерфейса требуется:
1).Специальные управляющие сигналы и их последовательность.
2).Устройство сопряжения
3).Линии связи.
4).Программа, реализующая обмен.
Интерфейсом называется комплекс линий и шин, сигналов, электрических схем, алгоритмов и программ, предназначенных для осуществления обмена информации.
В зависимости от типов соединительных устройств различают:
1. Внутренний интерфейс
2. Интерфейс ввода/вывода
3. Интерфейсы межмашинного обмена
4. Интерфейс человек-машина.
Для каждого интерфейса характерно наличие специального комплекса.
|
устройство |
|
передатчик |
|
приемник |
|
устройство |
|
интерфейс |
Внутренний интерфейс делается параллельным или последовательно-параллельным.
При использовании программно-технических средств интерфейсы ввода/вывода делятся на:
- физические
- логические.
|
АЯВУ |
|
Драйверы ввода/вывода |
|
Программа DOS |
|
Программа BIOS |
|
Обмен через порты IN/OUT |
|
АЯВУ – алгоритмические языки высших порядков |
|
Логический уровень |
|
Физический уровень |
|
Периферийные устройства |