ЭВМ — программно-управляемый цифровой автомат

Глава 2. Общие принципы организации и работы компьютеров

2.1 Принцип построения компьютера, структура компьютера

При рассмотрении вычислительных устройств(компьютеров) принято различать их архитектуру и структуру.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы сформулированные в 1945г. Американским учёным Джоном фон Нейманом.

Принципы фон Неймана

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В дальнейшем на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

Принцип программного управления: программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором определённой последовательности.

Принцип однородности памяти:программы и данные хранятся в одной и той же памяти .

Принцип адресности:структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Компьютеры, построенные на перечисленных принципах, относятся к типу фон – неймановских.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров, установка программ не требует значительных временных затрат.

Помимо перечисленных трёх принципов фон Нейман предложил принцип двоичного кодирования -для представления данных и команд используется двоичная система счисления (первые машины использовали десятичную систему счисления). Но последующие разработки показали, возможность использования нетрадиционных систем счисления.

В начале 1956 г . по инициативе академика С.Л. Соболева, заведующего кафедрой вычислительной математики на механико-математическом факультете Московского университета, в вычислительном центре МГУ был учрежден отдел электроники и стал работать семинар с целью создать практичный образец цифровой вычислительной машины, предназначенной для использования в вузах, а также в лабораториях и конструкторских бюро промышленных предприятий. Требовалось разработать малую ЭВМ, простую в освоении и применениях, надежную, недорогую и вместе с тем эффективную в широком спектре задач. Обстоятельное изучение в течение года имевшихся в то время вычислительных машин и технических возможностей их реализации привело к нестандартному решению употребить в создаваемой машине не двоичный, а троичный симметричный код, реализовав уравновешенную систему счисления, которую Д. Кнут двадцать лет спустя назовет быть может, самой изящной и как затем стало известно, достоинства которой были выявлены К. Шенноном в 1950г. В отличие от общепринятого в современных компьютерах двоичного кода с цифрами 0, 1, арифметически неполноценного вследствие невозможности непосредственного представления в нем отрицательных чисел, троичный код с цифрами -1, 0, 1 обеспечивает оптимальное построение арифметики чисел со знаком. Троичная система счисления основана на том же позиционном принципе кодирования чисел, что и принятая в современных компьютерах двоичная система, однако вес i -й позиции (разряда) в ней равен не 2 ⁱ , а 3 ⁱ . При этом сами разряды не двухзначны (не биты), а трехзначны (триты) — помимо 0 и 1 допускают третье значение, которым в симметричной системе служит -1, благодаря чему единообразно представимы как положительные, так и отрицательные числа. Значение n -тритного целого числа N определяется аналогично значению n -битного:

где а i ∈ {1, 0, -1} — значение цифры i -го разряда.

В апреле 1960 г. были проведены междуведомственные испытания опытного образца вычислительной машины, названной «Сетунь».По результатам этих испытаний “Сетунь” была признана первым действующим образцом универсальной вычислительной машины на безламповых элементах, которому свойственны “высокая производительность, достаточная надежность, малые габариты и простота технического обслуживания”.“Сетунь”, благодаря естественности троичного симметричного кода, оказалась поистине универсальным, несложно программируемым и весьма эффективным вычислительным инструментом, положительно зарекомендовавшим себя, в частности, как техническое средство обучения вычислительной математике более чем в тридцати вузах. А в Военно-воздушной инженерной академии им. Жуковского именно на “Сетуни” была впервые реализована автоматизированная система компьютерного обучения.

В соответствии с принципами фон Неймана компьютер состоит из:

· арифметико-логического устройства — АЛУ (англ. ALU, Arithmetic and Logic Unit), выполняющего арифметические и логические операции; устройства управления —УУ, предназначенного для организации выполнения программ;

· запоминающих устройств (ЗУ), в т.ч. оперативного запоминающего устройства (ОЗУ – первичная память) и внешнего запоминающего устройства (ВЗУ); в основной памятихранятся данные и программы; модуль памяти состоит из множества пронумерованных ячеек, в каждую ячейку может быть записано двоичное число, которое интерпретируется либо как команда, либо как данные;

· устройств ввода-вывода, которые служат для передачи данных между компьюте­ром и внешним окружением, состоящим из различных периферийных уст­ройств, в число которых входят вторичная память, коммуникационное обо­рудование и терминалы.

Обеспечивает взаимодействие между процессором (АЛУ и УУ), основной памятью и устройствами ввода – вывода системная шина.

Фон-неймановская архитектура компьютера считается классической, на ней построено большинство компьютеров. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. Идея хранения компьютерных программ в общей памяти позволяла превратить вычислительные машины в универсальные устройства, которые способны выполнять широкий круг задач. Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.

Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-Неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины). По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

 

2.2 Команда, форматы команд

Команда – это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

 

Структура команды.

Количество разрядов, которые отводятся для записи команды, зависит от аппаратных средств конкретной модели компьютера. В связи с этим, структуру конкретной команды будем рассматривать для общего случая.

В общем случае команда содержит следующую информацию:

Ø код выполняемой операции;

Ø указания по определению операндов или их адресов;

Ø указания по размещению получаемого результата.

Для любой конкретной машины должно быть задано число двоичных разрядов, отводимых в команде для каждого из её адресов и для кода операций, так же как и сами фактические коды операций. Число двоичных разрядов в команде, отведенное при конструировании машины для каждого из её адресов, определяет верхнюю границу числа ячеек памяти машины, имеющих отдельные адреса: если адрес в команде изображается с помощью n двоичных разрядов, то в памяти с быстрой выборкой не может содержаться больше чем 2ⁿ ячеек.

Команды выполняются последовательно, начиная с начального адреса (точки входа) исполняемой программы, адрес каждой следующей команды на единицу больше адреса предыдущей команды, если она не являлась командой перехода.

В современных машинах длина команд переменная (как правило, от двух до четырёх байт), а способы указания адресов переменных весьма разнообразны.

В адресной части команды может быть указан, например:

- операнд;

- адрес операнда;

- адрес адреса операнда (номер байта, начиная с которого расположен адрес операнда) и т.д.

Рассмотрим структуру возможных вариантов нескольких типов команд.

 

Трёхадресные команды.

Код операции

Адрес первого операнда

Адрес второго операнда

Адрес результата

 

 

Двухадресные команды.

Код операции

Адрес первого операнда

Адрес второго операнда

 

Одноадресные команды.

Код операции

Адрес первого операнда

 

Безадресные команды.

Код Операции

Рассмотрим бинарную операцию сложения: с = a + b.

Для каждой переменной в памяти определим условные адреса:

 

 

переменные	Адреса	Значение
A	A1
B	A2	-7
C	A3	-2

 

Пусть 53 – код операции сложения.

В этом случае структура трёхадресной команды выглядит следующим образом:

· Трёхадресные команды.

Код Операции (КОП)	Адрес первого операнда	Адрес второго операнда	Адрес результата
	A1	A2	A3

Процесс выполнения команды разбивается на следующие этапы:

- из ячейки памяти, адрес которой хранится в счётчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счётчика изменяется и теперь содержит адрес следующей по порядку команды;

- выбранная команда передаётся в устройство управления на регистр команд;

- устройство управления расшифровывает адресное поле команды;

- по сигналам УУ значения операндов считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;

- УУ расшифровывает код операции и выдаёт в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;

- результат операции в данном случае отправляется в память( в одноадресных и двухадресных ЭВМ остаётся в процессоре);

- все предыдущие действия выполняются до достижения команды ОСТАНОВ.

2.3 ЭВМ как автомат

«Электрон­ные цифровые машины с программным управлением представляют собой пример одного из наиболее распространенных в настоящее время типов преобразователей дискретной информации, называемых дискретными или цифровыми автоматами»(Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов)

Любая вычислительная машина работает автоматически (будь то большая или малая ЭВМ, персональный компь­ютер или Супер-ЭВМ). В этом смысле вычислительная машина как автомат может быть описана структурной схемой, представленной на рис. 2.1.

В предыдущих параграфах была рассмотрена структурная схема вычислительной машины. Исходя из структурной схемы вычислительной машины и схемы автомата, мы можем сопоставить блоки схемы автомата и элементы структурной схемы ЭВМ.

В качестве исполнительных элементов в автомат включаются:

· арифметико-логическое устройство:

· память;

· устройства ввода—вывода информации.

Управляющим элементом автомата является устройство управления, которое собственно обеспечивает автоматический режим работы. Как уже отмечалось, в современных вычислительных устройствах основным исполнительным элементом является процессор или микропроцессор, который содержит в себе АЛУ, память, устройство управления.

Вспомогательными устройствами автомата могут быть всевозможные дополнительные средства, улучшающие или расширяющие возможности автомата.

ЭВМ — программно-управляемый цифровой автомат.

· ЭВМ — автомат для переработки и преобразования цифровой или дискретной информации. Это означает, что вся подаваемая на вход ЭВМ информация (текстовая, графическая, числовая и т. п.) должна быть преобразована в набор цифр или чисел, представленных в выбранной системе счисления. Как уже отмечалось, выбор системы счисления является очень ответственной задачей для разработчика.

· ЭВМ управляется специальной программой, которая может либо вводиться в ЭВМ, либо храниться в её памяти. Следует подчеркнуть очень важные функции памяти ЭВМ.

Далее более подробно охарактеризуем каждый функциональный блок ЭВМ.

· Память (запоминающее устройство) — функциональная часть ЭВМ предназначенная для хранения входной информации, выходной информации, промежуточных результатов, вспомогательной информации В памяти машины находятся также программы решения задач, через команды которых осуществляется управление работой всей машины.

Основные параметры, характеризующие память, — емкость и время обращения к памяти.

Емкость памяти — количество байт информации, которое можно записать в памяти. .

Время обращения — интервал времени между началом и окончанием ввода (вывода) информации в память (из памяти). Оно характеризует затра­ты времени на поиск места и запись (чтение) слова в память (из памяти).

· Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — функциональная часть ЭВМ, которая выполняет логические и арифметические действия, необходи­мые для переработки информации, хранящейся в памяти. Оно характеризует­ся временем выполнения элементарных операций; средним быстродействи­ем, т. е. количеством арифметических или логических действий (операций), выполняемых в единицу времени (секунду); набором элементарных дейст­вий, которые оно выполняет. Важной характеристикой АЛУ является также система счисления, в которой осуществляются все действия.

В микропроцессорах важную роль играют шины данных и адресные ши­ны или адресные магистрали.

Вычислительные машины, построенные на основе микропроцессора, называются микроЭВМ и отличаются тем, что обычно имеют два вида памяти: RAM (Random-Access-Memory) — память с произвольной выбор­кой (ППВ) и ROM (Read-Only-Memory) — постоянная память (ПИ) на ин­тегральных схемах. В постоянную память можно вложить уже новый транслятор с алгоритмического языка или готовый пакет программ, выпол­няющий определенную функцию. Это позволяет расширить возможности микроЭВМ путем изготовления модулей расширения в виде ROM. На рисунке 2.2. представлена структурная схема микропроцессора. Струк­турная схема микроЭВМ представлена на рис. 2.3.

Наличие входного и выходного каналов, а также средств и методов взаимодействия (интерфейса) ЭВМ с внешними устройствами позволяет существенно повысить скорость работы всего комплекса от ввода инфор­мации в машину до вывода ее. Фактически для осуществления подобного принципа работы необходимо иметь несколько ЭВМ, выполняющих разные функции: управление работой всего комплекса устройств, выполнение ариф­метических и логических действий, ввод и вывод информации. Все это сви­детельствует о существенном усложнении структуры ЭВМ, и эта тенденция сохраняется для персональных ЭВМ, к которым уже в полной мере можно применять термин «вычислительные системы» .

	Рис. 2.2. Структурная схема микропроцессора

 

Рис.2.3. Структурная схема микроЭВМ

 

 

2.4 Архитектура ЭВМ

Архитектура компьютера определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных узлов компьютера.

Архитектура включает:

· Описание пользовательских возможностей программирования;

· Описание системы команд и системы адресации;

· Организацию памяти и т.д.

Классическая архитектура компьютера.

Классическая архитектура – это архитектура фон Неймана (рассмотрена выше). Данная архитектура предусматривает :

• одно АЛУ, через которое проходит поток данных ;
• одно УУ, через которое проходит поток команд.