19. Структура и принципы построения эвм.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ, компьютер) представляет собой комплекс технических средств, предназна­ченный для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

В основу архитектуры большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. аме­риканским ученым Джоном фон Нейманом в отчете по ЭВМ EDVAC:

•принцип программного управления — из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняют­ся процессором автоматически друг за другом в определен­ной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд (СчАК). Этот регистр процессора последовательно увеличивает храни­мый в нем адрес очередной команды. Если после выполне­ния команды следует перейти не к следующей, а к ка­кой-то другой, используются команды условного или безус­ловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду;

•принцип однородности памяти — программы и данные хра­нятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять та­кие же действия, как и над данными. Например, програм­ма в процессе своего выполнения также может подвергать­ся переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм);

• принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения про­грамм с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от них — не-фон-неймановские.

Например, в ассоциативных компьютерах может не выполняться принцип программного управления, поскольку каждая команда здесь содержит адрес следующей (т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего на выполняемую команду программы).

Архитектура фон Неймана часто ассоциируется с принстонской архитек­турой, которая характеризуется использованием общей опера­тивной памяти для хранения программ и данных.

Альтернативная — гарвардская архитектура харак­теризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных.

По прошествии более 60 лет большинство компьютеров так и имеют «фон-неймановскую архитектуру».

В СССР независимо отфон Неймана были сформулированы более де­тальные и полные принципы построения электронных циф­ровых вычислительных машин (Сергей Алексеевич Лебедев).

ЭВМ классической архитектуры фон Неймана состоит из пяти основных функциональных блоков:

- арифметическо-логического устройства (АЛУ);

- устройства управления (УУ);

- запоминающего устройства (ЗУ);

- устройства ввода (УВв);

- устройства вывода {УВыв).

Рис. Структурная схема ЭВМ архитектуры фон Неймана.

______ данные и команды

--------- управляющие сигналы.

Арифметическо-логическое устройство и устройство управления составляют сов­местно процессор (Пр).

Процессор — основная часть электронно-вычислительной машины, непосредственно осуществляющая процесс обработки данных и управляющая ее работой.

Арифметическо-логическое устройство — функциональная часть процессора выполняющая арифметические и логические действия над данными и предназначения я для выполнения арифметических и логических операций над кодами чисел и команд. В него входит сумматор, ряд регистров, логические схемы и элементы управления. С помощью этих узлов можно складывать_, вычитать, умножать и делить числа. Арифметические операции могут выполниться последовательно по разрядам и параллельно. В соответствии с этим могут выть машины последовательного и параллельного действии. В на­стоящее время наибольшее распространение получили ЭВМ парал­лельного действия.

Запоминающее устройство предназначено для хранения введен­ной информации, программы вычислений и промежуточных резуль­татов вычислений. Информация, содержащаяся в памяти запоми­нающего устройства и необхо­димая для решения задачи, по мере необходимости выводится из него и передается в АЛУ. После выполнения необходимых преобразований она вновь за­носится в память. По назначе­нию запоминающие устройства подразделяются на оперативные (ОЗУ), сверхоперативные (СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ).

В память ЭВМ записывается и программа решении задачи. Программа состоит из последовательности команд (операций), которые необходимо выполнить для решения определенном задачи. Команда содержит адреса чисел в ячейках памяти, а также указание, какую операцию нужно произвести над этими числами. Программа может быть записана па перфоленте, перфокарте, магнитном диске и маг­нитной ленте. Составленные заранее программы вводится в память машины перед решением задачи.

Оперативное запоминающее устройст­во состоит из отдельных ячеек, имеющих свои номера или адреса. Каждая ячейка предназначена для хранения кода (слова) определенной длины. Все арифметические, логические операции и операции управления в машине выполняются по специальным уп­равляющим командам.

Команда представляется в виде цифрового набора и состоит из кодовой и ад­ресной частей.

Кодовая часть (код операции) коман­ды содержит условное обозначение опера­ции, которую должна выполнять машина. Адресная часть указывает на то, где хра­нится информация, над которой необходимо выполнять данную операцию, и куда на­править результат. По числу адресов в команде различаются трех-, двух- и одноад­ресные машины. Имеются машины, коман­да которых содержит четыре и пять адресов, но они получили малое распростране­ние. На рис. 2-27, а представлено минималь­ное содержание трехадресной команды.

В трехадресной команде адреса / и 2 указывают местонахождение операндов (данных) в памяти машины, которые сле­дует выбрать для исполнения операции, оп­ределяемой кодом операции. Адрес 3 ука­зывает номер ячейки памяти, куда необхо­димо послать результат.

В двухадресной команде (рис. 2-27,6) в адресной части указываются лишь два ад­реса, по которым выбираются операнды для исполнения операции, а результат либо мо­жет оставаться в арифметическом устрой­стве, либо посылаться в ячейку, номер ко­торой указан, например, по второму адре­су (в этом случае один из операндов хра­нился в арифметическом устройстве).

В одноадресной команде (рис. 2-27, в) в адресной части указывается всего лишь один адрес, по которому выбирается опе­ранд для исполнения операции или же по­сылается результат.

Последовательность команд составля­ет программу работы машины.

Таким образом, ЦВМ должна иметь три основных устройства (рис. 2-28):

1) арифметическое устройство (про­цессор), предназначенное для выполнения арифметических и логических операций;

2) запоминающее устройство (память), которое служит для хранения программы работы машины, исходных числовых дан­ных, промежуточных и конечных резуль­татов;

3) устройство управления, предназна­ченное для управления цифровой машиной при автоматической работе ее по програм­ме или при ручном управлении с пульта.

Для ввода и вывода информации слу­жат входные и выходные устройства.

Исходные данные, а также команды вводятся в запоминающее устройство ма­шины, после чего машина подготовлена для решения задачи по заданной программе. В процессе решения задачи устройство уп­равления выбирает последовательно из па­мяти команду за командой для исполнения. Исполнение команды протекает в два эта­па. На первом этапе производится выбор­ка команды из запоминающего устройства, а на втором — выбранная команда испол­няется.

Как правило, после исполнения коман­ды, выбранной из ячейки с номером k, ис­полняется очередная команда, находящаяся в ячейке с номером At+1 и т. д., до тех пор, пока не выполнятся все комаялы про­граммы или же не встретится команда, из-» меняющая обычный порядок выборки. ЦВМ, в которых команды автоматически выбираются из ячеек с номерами, увеличи­вающимися на единицу при каждой выбор­ке, называются машинами с естественным порядком исполнения команд.

Устройство управления выполняет функции управления дли обеспечения взаимодействия составных частей ЭВМ, Оно предназна­чено для приема и интерпретации кода команды, а также выработки последовательности всех функциональных управляющих сигналов для выполнения операций, задаваемых командой. Кроме того. УУ анализирует ход решения задачи, по мере необходимости модифици­рует команды и управляет последовательностью выполнения маши­ной команд программы в соответствии с заданным алгоритмом — конечной совокупностью точно сформулированных правил решения какой-то задачи.

Таким образом, У У в процессе работы обеспечивает автомати­ческую обработку цифровой информации в ЭВМ. Устройство управ­ления содержит задающий генератор, который вырабатывает им­пульсы тактовой частоты, синхронизирующие работу машины.

Устройство ввода данных предназначено для ручного или авто­матического ввода, хранения и автоматической записи в память машины исходных данных решаемой задачи, а также программы вы­числений. Информация вводится в ЭВМ с использованием устройствввода с перфокарт, перфолент, магнитных лент, магнитных ди­сков и др.

Накопитель на магнитной ленте (НМЛ) — запоминающее уст­ройство, в котором носителем данных является магнитная лента.

Накопитель на магнитных дисках (НМД) — запоминающее уст­ройство, в котором носителем данных является магнитный диск.

Устройство вывода данных предназначено для автоматического приема результатов вычислений, хранения и выдачи этих данных в виде, удобном для дальнейшего использования. Результаты вычис­лений обычно выводятся на печатающее устройство ЭВМ, записыва­ются на магнитную ленту, высвечиваются на экранах и табло пуль­тов и иногданабиваются на перфокарты или перфоленты. Таким образом, одно и то же устройство, например накопитель на магнит­ной ленте, может выполнить функции как устройства ввода, так и устройства вывода; часто все устройства ввода и вывода объединя­ются в одну общую группу уст­ройств ввода — вывода.