Структура и принципы функционирования ЭВМ

АЛУ предназначено для выполнения арифметических, логических операций, операций сдвига и переноса. Оно является ядром процессора.

Помимо АЛУ в выполнении операций принимают участие регистры.

В состав процессора входят следующие регистры:

1) регистры общего назначения РОН, которые являются временным запоминающим устройством и служат для хранения адресов и данных. В зависимости от типа процессора изменяется количество РОН (6 – 64) и их разрядность.

2) регистр команд РК служит для приема и хранения команды. Здесь она хранится в течение всего времени исполнения. В связи с тем, что команда может состоять из нескольких полей (частей), для загрузки каждой части команды потребуется отдельный цикл выполнения команды.

3) счетчик команды содержит адрес следующей команды. Этот адрес указывает место расположения команды в программе пользователя. Он является относительным, потому что указывает смещение данной команды относительно начальной команды. Во время выполнения программы операционной средой выполняется пересчет относительного адреса в адресе физической ячейки оперативной памяти (ОП), в которой должна храниться эта команда, с тем, чтобы в следующий цикл обработки команд ее можно было по этому адресу найти и загрузить в ПК.

Если в программе для команды указан непосредственно адрес ячейки ОП, то такой адрес называется абсолютным.

4) регистр-аккумулятор – содержит данные, которые входят в состав команды и должны быть выполнены АЛУ.

5) буферные регистры данных и адреса предназначены для временного хранения.

6) регистры признаков (регистр флажков). Признак (флаг) вырабатывается при выполнении операции и показывает переполнение регистра, знак результата, наличие или отсутствие переноса из младшего разряда в старший.

Работой АЛУ и регистров при выполнении команд управляет УУ.

По сигналам УУ выбирается команда из ОП, в самом УУ выполняется расшифровка кода операции, формируются сигналы для передачи данных, выполнения над ними действий, анализа признаков, появляющихся в результате выполнения действий и т. д.

ЗУ разделяется на

1. внешнюю память;

2. внутреннюю память.

К внешней памяти относятся НГМД, компакт-диски, магнитооптические диски, жесткие диски.

К внутренней памяти относятся ПЗУ–постоянные ЗУ– и ОЗУ – оперативные ЗУ.

ПЗУ предназначены для хранения базовой системы ввода–вывода BIOS (программы тестирования устройств компьютера, программы управления отдельными устройствами, внутренние драйверы, стартовый загрузчик –Bootstrap).

Классификация ПЗУ

В ОЗУ информация хранится только при включенном напряжении питания.

Классификация ОЗУ по технологии изготовления

С течением времени конденсаторы в динамических ОЗУ разряжаются, необходимо выполнять регенерацию, т. е. восстановление информации, поэтому в состав динамических ОЗУ входят цепи регенерации.

Классификация ОЗУ по конструктивному исполнению

Общая емкость оперативной памяти, которая может быть установлена в компьютере, определяется разрядностью шины адреса, поскольку необходимо иметь возможность задавать адрес каждой ячейки памяти.

В компьютерах 8086 и 8088 (PC/XT) – 16-разрядная шина адреса.

2¹⁶=640 К.

В компьютерах класса PC/AT на процессорах 8086 20-разрядная адресная шина, емкость памяти 2²⁰.

В ПК 80386 и далее, Pentium используется 32-разрядная шина адреса, что позволяет процессору обращаться к оперативной памяти объемом 4 Гб.

В ОП хранятся: ОС, внешние драйверы, резидентные (постоянные) программы, исполняемые программы, обрабатываемые данные.

Исполняемая программа вместе с обрабатываемыми ею данными (под ее управлением) составляет процесс.

Устройства внешней памяти делятся на 2 класса: последовательного доступа – накопитель на магнитной ленте (доступ к информации, пройдя предыдущую); прямого (произвольного) доступа непосредственно к информации.

Устройства ввода-вывода – это устройства ввода и вывода.

Устройства ввода: клавиатура, сканер, дигитайзер (для ввода графической информации).

Устройства вывода: монитор (экран), принтер, плоттер (графопостроитель), звуковые колонки.

Модемы и сетевые карты (платы) – устройства связи.

Устройства вывода делятся также на:

- устройства, с которых информация воспринимается человеком без дополнительных преобразований: монитор, принтер, плоттер;

- машиночитаемые устройства: дисководы, модем, сетевая плата.

Системный интерфейс – конструктивная часть ЭВМ для взаимодействия устройств и обмена информацией между ними. В больших и средних ЭВМ в качестве системного интерфейса используются сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода – каналы.

В ПК устройства связаны шинами, которые позволяют передавать информацию в одном направлении – однонаправленные, и в обоих – двунаправленные. Конструктивно шина – плоский многожильный кабель. Количество жил определяется разрядностью передаваемой информации. От помех жилы защищены заземленными жилами, выполняющими функцию экрана.

Шина адреса ША – однонаправленная. Информация от процессора направляется в оперативную память для выбора ячейки или в порт ввода–вывода.

Шина управления ШУ – двунаправленная. Управляющие сигналы процессора передаются к устройствам ввода/вывода для их выбора. От устройств ввода/вывода сигналы передаются в процессор. Эти сигналы двух видов:

- сигналы готовности;

- сигналы прерывания.

Шина данных ШД – двунаправленная. Обеспечивает обмен данными между процессором, оперативной памятью и устройствами ввода/вывода.

Пульт управления ПУ. Используется в больших и средних ЭВМ для задания оператором или системным программистом системных операций в ходе управления вычислительным процессом. Как правило, пульт управления конструктивно выполнен вместе с ЦП. В ПК роль пульта управления играет клавиатура.

Основные параметры ВТ

ВТ характеризуют следующие параметры:

1) быстродействие;

2) емкость памяти;

3) точность вычислений;

4) система команд;

5) надежность;

6) стоимость.

Быстродействие рассматривают в двух аспектах. С одной стороны, быстродействие характеризуется количеством элементарных операций, выполняемым процессором в 1 с. Элементарная операция – любая простейшая операция типа сложения, сравнения, пересылки и др. С другой стороны, быстродействие ЭВМ существенно зависит от организации ее памяти. Это связано с тем, что время, затраченное на поиск необходимой информации в памяти, определяет время исполнения всей задачи и сказывается на быстродействии ЭВМ. В зависимости от области применения выпускаются ЭВМ с быстродействием от нескольких сотен тысяч до миллиардов операций в секунду.

Наряду с быстродействием часто используется понятие производительность ЭВМ. Производительность связана главным образом с архитектурой ЭВМ и разновидностями решаемых на ней задач.

Различают следующие оценки быстродействия:

- пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора (без учета обращения к ОП);

- номинальное быстродействие, зависящее от времени обращения к ОП;

- системное быстродействие, определяемое с учетом системных затрат на организацию вычислительного процесса;

- эксплуатационное быстродействие, определяемое с учетом решаемых задач.

Емкость памяти определяется максимальным количеством информации, которую можно разместить в памяти ЭВМ. Измеряется в байтах (1 байт = 8 бит) и производных от них (Кб, Мб, Гб). Память ЭВМ разделяется на внешнюю и внутреннюю (ОП). Емкость ОП определяется разрядностью ША. Емкость внешней памяти неограниченна.

Точность вычислений зависит от формы представления чисел в ЭВМ и от количества разрядов, используемых для представления числа. Современные ЭВМ используют 32- или 64-разрядный МП, что позволяет обеспечить высокую точность вычислений. Однако если получаемая точность не удовлетворяет пользователя, то для ее повышения используют удвоенную и утроенную разрядную сетку.

Система команд – это перечень команд, которые способен выполнять процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, сколько операндов следует указать команде, какой формат (вид) должна иметь команда, чтобы она была распознана процессором. Количество команд относительно не велико: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение, запись в память, передача числа из регистра в регистр, преобразование из одной системы счисления в другую и т. д. При необходимости может выполняться модификация команды, учитывающая специфику вычислений. Обычно в компьютере выполняется около ста команд.

Если ЭВМ использует полный набор команд (CISC-компьютер: Complex Instruction Set Computer), то это приводит к усложнению аппаратных средств компьютера и увеличению времени выполнения команд. На выполнение самой простой команды тратится 4 такта. Для упрощения аппаратных средств и сокращения времени выполнения программы за счет только выполнения основных команд используют RISC-архитектуру (Reduced Instruction Set Computer), т. е. компьютер с сокращенным набором команд. На выполнение простой команды тратится 1 такт. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых.

Надежность – это способность ЭВМ сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение заданного промежутка времени.

Количественной оценкой надежности являются:

- вероятность безотказной работы за определенное время при заданных условиях эксплуатации;

- наработка на отказ – время до первого отказа;

- среднее время восстановления ЭВМ – определяется временем на поиск и устранение неисправности.

Для повышения надежности вычислительной системы используют несколько ЭВМ для выполнения одних и тех же вычислений. Например, на самолетах используют три бортовых компьютера, на космическом корабле – 5. Для определения правильного результата используют правило мажорирования – голосования по признаку большинства.

Стоимость зависит от множества факторов, таких как: быстродействие, емкость памяти, система команд, условия производства.

Классификация ЭВМ

Номенклатура видов компьютеров сегодня огромная: машины различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т. д. Поэтому классифицируют ЭВМ по разным признакам. Следует заметить, что любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что, например, сегодняшняя микроЭВМ не уступает по мощности миниЭВМ пятилетней давности и даже суперкомпьютерам недавнего прошлого. Кроме того, зачисление компьютеров к определенному классу довольно условно из-за нечеткости разделения групп, а также вследствие внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуру узлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика.