Функциональная структура цифровой ЭВМ фон

Функциональная структура цифровой ЭВМ фон-неймоновской архитектуры и
обобщенный алгоритм работы.
Типовая ЭВМ имеет три функционально независимых блока:
1. ЦП
2. Память
3. Устройства ввода-вывода
Первоначально машина Неймана имела непосредственные связи между тремя этими
блоками. В дальнейшем устройства стали объединять в систему используя «общую
шину».
Устройства ввода-вывода предназначены для связи ЭВМ с внешним миром.
Обработанную информацию нужно представлять в удобном для пользователя виде, для
этого используют устройства вывода.
Устройства В-В подключаются к ЭВМ через специальные устройства согласования,
называемые телекоммуникационными портами (I/O). Каждый из портов имеет адрес.
Вводимая в ЭВМ информация размещается в памяти. Память – запоминающие ячейки,
размер которых совпадает с размером обрабатываемых двоичных слов. Каждая ячейка
имеет уникальный адрес. Соседние ячейки имеют соседние адреса. Такая память
называется памятью с произвольным доступом, потому-то имеется возможность
обращения к любой ячейке памяти.
Память состоит из:
1. ОЗУ
Работает в 2х режимах:
- хранение;
- считывание;
- запись.
Предназначена для хранения меняющееся в процессе работы информации. Время
доступа в современных ОЗУ составляет десятки наносекунд. ОЗУ – энергозависимая
память.
2. ПЗУ (BIOS)
Работает в 2х режимах:
- хранение;
- считывание.
Предназначена для хранения не меняющееся в процессе работы информации.
Является энергонезависимой.
3. ВЗУ
Предназначена для хранения больших объемов информации (FDD, HDD, CD, Flash).
ЦП – устройство, в котором происходит непосредственная обработка информации,
состоит из последовательности арифметических и логических операций.
Координирует работу ЦП и всей ЭВМ. В состав процессора входит сверхоперативное ЗУ
малой емкости – блок регистров. Основное преимущество: расположены рядом с
процессором => сверх оперативность.
Программа представляет собой последовательность команд (инструкций) которые
управляют работой ЭВМ. Процессор понимает язык двоичных кодов, поэтому все
команды должны быть представлены в виде двоичных кодовых операций определенного
формата (машинные команды). Программы, составленные на ЯВУ, должны быть
преобразованы в машинные коды и в таком виде загружены в память. Такое
преобразование осуществляется программами трансляторами или компиляторами.
После загрузки программы в память она занимает определенное кол-во ячеек
Взаимодействие узлов ЭВМ между собой происходит по внутрисистемной шине.
Рассмотрим на примере простой программы:
Вычислить значение З по формуле З=a+б*c;
Алгоритм решения:
Ввести а;
Ввести б;
Ввести c;
Перемножить б и с, результат сохранить в З;
Сложит а и З, результат сохранить в З;
Вывести результат З;
Прекратить вычисление.
Первые три команды ввода исходных данных помещаю переменные а, б и с в
определенные ячейки памяти.
Команда умножения происходит:
 Код четвертой команды извлекается из памяти и по шине помещается в процессор,
где расшифровывается, как команда умножить.
 Микропроцессор последовательно извлекает из памяти сомножители этой
команды, т.е. содержимое ячеек б и с и помещает их в регистры микропроцессора.
 Выполняется команда умножения, а результат ее так же записывается в регистр.
 Результаты умножения из регистра переписываются в память в ячейку З.
В микропроцессор считывается код следующей команды.
Вычислительные машины и вычислительные системы
Цифровая ЭВМ – программно управляемая совокупность технических средств,
предназначенная для обработки дискретных данных по заданному алгоритму.
Анализ развития вычислительной техники выявил ряд закономерностей:
1. Весь период развития доминирующе была классическая структура ЭВМ. Основана
на методах последовательных вычислений.
2. Основные направления совершенствования ЭВМ являлся неуклонный рост
производительности.
3. Параллельно с технической базой развивалось и ПО.
4. В настоящее время наметился некоторый кризис классической архитектуры ЭВМ.
Связано с исчерпанием всех идей последовательного счета, кроме этого
разработчики элементной базы подошли к физическому пределу, когда повышении
быстродействия работы ЦП становится затруднительным. Так называемый закон
Мура все чаще требует коррекции.
Гордон Мур – один из основателей Интел в 1965 г. Открыл закономерность, получившую
название зкона Мура: плотность транзисторов на кремниевой подложке удваивается
каждые 18-24 месяца, соответственно растет производительность БИС и в два раза падает
стоимость.
Вычислительная система – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих
процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и ПО, предназначенная для
автоматизированной обработки данных по заданному алгоритму.
Отличительным признаком ВС является наличие нескольких вычислителей –
микропроцессоры либо ЭВМ. Эти вычислители позволяют организовать параллельную
обработку информации. Современные ЭВМ начиная с пентиума так же имеют несколько
вычислителей, которые решают несколько задач параллельно. Поэтому их можно считать
одной из реализации ВС. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показал, что
стоимость ЭВМ и производительность связаны квадратичной зависимостью.
Сэвм=K1П2эвм, Cвс=K2Пi
Где Сэвм, Свс – стоимость ЭВМ и ВС, К1, К2 – коэффициенты пропорциональности,
зависящие от технического уровня развития вычислительной техники, Пэвм, Пi –
производительность ЭВМ и итого из n вычислителей.
Начиная с П критического повышение производительности ЭВМ становится
экономически не выгодно.
Архитектура и организация ЭВМ
Под архитектурой ВМ в узком смысле обычно понимается логическое построение ЭВМ с
точки зрении программиста. Описание тех средств, которыми может пользоваться
программист, составляя программу на уровне машинных команд. Формат команд, форма
представления данных, способы адресации и т.д.
Под организацией понимаю вопросы их физического построения: состав устройств,
организация шин, тактовая чистота и т.д.
Будем считать, что архитектура ЭВМ это абстрактное представление ВМ, которая
отражает ее структурную схемотехническую и логическую организацию.
Организацию ЭВМ можно разбить на уровни:
0. Цифровой логический
1. Микропрограммный – аппаратное обеспечение
2. Архитектуры программ – интерпретация (микропрограмма) или непосредственное
выполнение
3. Операционной системы – трансляция (ассемблер)
------------------------------------------------------------------------------4. Языка ассемблера – трансляция (ассемблер)
5. Языка высокого уровня – трансляция (компилятор)
4-5 Уровень программиста
0-3 Уровень системного программиста