Архитектура ЭВМ. Учебные машины
жүктеу/скачать 377.92 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- §1. Принципы фон-Неймана.
- П.2. Принципы фон-Неймана.
- §2. Структура ЭВМ.
- П.1. Процессор. Такт работы процессора.
- П.2. Оперативная память.
- П.3. Внешние устройства.
АРХИТЕКТУРА ЭВМ. УЧЕБНЫЕ МАШИНЫБордаченкова Е.А. Пособие предназначено для студентов первого курса факультета ВМиК в поддержку курса "Архитектура ЭВМ и язык ассемблера". В первом семестре Вы уже познакомились с понятием "алгоритм". Как Вы помните, алгоритм описывает действия, которые исполнитель произведёт над объектами для достижения некоторой цели. В этом пособии мы рассмотрим пример одного возможного исполнителя, а именно электронно-вычислительную машину (ЭВМ, или компьютер). Мы разберем, как устроен компьютер и как именно он выполняет алгоритм. §1. Принципы фон-Неймана.П.1. Свойства ЭВМ.Целью создания первых вычислительных машин было облегчить, упростить громоздкие арифметические вычисления, которые приходилось выполнять при решении физических и инженерных задач. Для того чтобы производство вычислительной машины экономически оправдало себя, нужно чтобы 1. машина была универсальной - пригодной для решения не одной конкретной задачи, а целого класса задач. 2. машина должна обладать достаточным быстродействием. (Быстродействие - скорость вычислений). Чем выше быстродействие, тем больше задач решает машина за фиксированный отрезок времени. Тем эффективнее работа машины. 3. стоимость производства машины не должна быть очень большой. П.2. Принципы фон-Неймана.В 1943 г. американский математик Джон фон-Нейман описал как, по его мнению, должна быть устроена машина для вычислений. Сформулированные им принципы получили название "принципов фон-Неймана", а машины, построенные в соответствии с ними, стали называть фон-Неймановскими. Большинство современных ЭВМ являются фон-Неймановскими. Основными частями ЭВМ являются процессор и память. Процессор управляет работой компьютера; обеспечивает выполнение программ. Память (оперативная память) служит для хранения данных и программы во время работы компьютера.
Принципы фон-Неймана. 1. Линейная организация памяти. Ячейки памяти располагаются последовательно по возрастанию номеров. 2. Прямой доступ к элементам памяти. Доступ к ячейке осуществляется по её адресу, в каждый момент работы компьютера можно обратиться к любой ячейке памяти. Этот принцип обеспечивает облегчение программирования, удобство и надежность использования ЭВМ. (Вспомните машину Тьюринга. Для доступа к ячейке, отстоящей, например, на три ячейки правее данной, требовалось вводить три дополнительных состояния.) 3. Использование двоичной системы для хранения и обработки информации. Этот принцип следует прежде всего из практических соображений: довольно легко с помощью электронных устройств реализовать два возможных состояния - 0 и 1. 4. Принцип хранимой программы. Программа, управляющая процессом вычислений, хранится в памяти машины. Этот принцип обеспечивает универсальность ЭВМ. (Сравним с машиной Тьюринга: каждая машина Тьюринга имела одну программу и могла решать только одну задачу! ) 5. Машинные операции. Существует набор действий по обработке данных, выполняемых аппаратно (реализованных в виде электронных схем). Эти действия называются машинными операциями. Чем больше машинных операций, тем легче программировать для ЭВМ и тем выше ее быстродействие. ( Вспомните, чтобы прибавить 1 к числу с помощью МТ, требовалось написать достаточно объемную программу.) Каждой машинной операции соответствует машинная команда - последовательность нулей и единиц, которую может понять и выполнить процессор. Таким образом, содержащиеся в ячейке памяти нули и единицы могут изображать данное, а могут являться командой. Что же именно записано в ячейке - данное или команда - определяется во время работы ЭВМ. В дальнейшем мы обсудим подробнее этот вопрос. Итак, команда - это приказ процессору выполнить машинную операцию. Последовательность команд называется программой. 6. Последовательное исполнение команд. Команды, записанные в памяти компьютера, выполняются последовательно, друг за другом.
Рассмотрим структуру и работу каждой из компонент. П.1. Процессор. Такт работы процессора.
ЦП
Регистры - специальные ячейки, которые находятся в ЦП.
Выполнение процессором одной машинной команды назовём тактом работы процессора. Рассмотрим, как процессор выполняет машинную команду на примере команды
Пусть 01 изображает код операции (КОП) "сложение"; А1, А2, А3 - адреса первого операнда, второго операнда и результата соответственно. 1. В РК считывается из ОП команда, адрес которой записан в СА. 2. Содержание СА увеличивается на 1, так что теперь в СА получился адрес следующей команды программы. 3.УУ анализирует содержимое РК и организует выполнение команды. Выделяется КОП. Определяется, что надо выполнить операцию "сложение". Определяются А1, А2, А3. Содержимое ячеек ОП с адресами А1, А2 пересылаются в АЛУ. Далее АЛУ выполняет действие сложение. Результат сложения из АЛУ пересылается в ячейку памяти с адресом А3. В регистр СС записывается информация об удачном (или неудачном) окончании выполнения сложения. Далее работа повторяется с первого шага. Ранее мы отмечали, что ячейка ОП может содержать данное или команду. Теперь понятно, как процессор отличает данное от команды: если адрес ячейки встретился в команде как адрес операнда, процессор обрабатывает содержимое ячейки как данное; если адрес ячейки получился в счетчике адреса, процессор обрабатывает содержимое ячейки как команду. Содержимое одной и той же ячейки в один момент работы процессора может трактоваться как данное, а в другой - как команда. Перед началом работы процессора в регистр СА записывается аппаратно всегда один и тот же адрес, и первая команда программы должна располагаться в ОП в ячейке именно с этим адресом.
Мы касались устройства оперативной памяти в §1. Напомним основные сведения.
Ячейки состоят из разрядов. Количество разрядов во всех ячейках одинаково и называется разрядностью машины. Каждый разряд содержит одну двоичную цифру. Иногда разряды называются битами. В программировании слово "бит" используют в двух смыслах: Бит - один двоичный разряд ячейки. - содержимое одного двоичного разряда. Содержимое ячейки называют словом или машинным словом.
Итак, есть две основные операции работы с ОП: 1. Запись данного в ячейку. ЦП сообщает ОП, чтó именно надо записать и по какому адресу. При записи в ячейку ее старое содержимое теряется, становится недоступным. 2. Чтение содержимого ячейки. ЦП передает ОП нужный адрес. Содержимое ячейки с этим адресом считывается и пересылается в ЦП. При чтении содержимое ячейки не изменяется. Чтение и запись в ОП производится специальными электронными схемами. При выключении вычислительной машины содержимое ОП теряется.
Внешние устройства служат для связи ЭВМ с окружающим миром. Обычно к ЭВМ подключаются клавиатура, монитор (экран, дисплей), внешние запоминающие устройства (жесткие диски, дисководы для гибких дисков) и мышь. В зависимости от того, для каких целей используют ЭВМ, набор подключенных к ЭВМ устройств может сильно изменяться. К внешним устройствам относятся:
и другие специальные приборы.
Для подключения внешних устройств в ЭВМ имеются каналы. Канал - аппаратура и программное обеспечение (программы), занимающиеся передачей сигналов между ЭВМ и внешним устройством. Во внешнем устройстве есть контроллер. Контроллер - аппаратура и программное обеспечение, которое обрабатывает сигналы ЭВМ и подготавливает данные для устройства. Контроллер учитывает особенности работы своего внешнего устройства. Внешние устройства работают намного медленнее процессора. Для того, чтобы процессор не простаивал во время работы внешнего устройства, организуется параллельная работа процессора и внешнего устройства. Пусть процесс решения некоторой задачи состоит из трех отрезков счета (работы ЦП), двух печатей и одной записи данных на диск:
По окончании этапа Счет 1, когда получены данные для первой печати, принтер может заняться печатью, а ЦП может продолжить решение задачи. После получения данных для диска, дисковод начинает записывать, а ЦП может продолжить работу. В итоге, общее время решения задачи сократится.
жүктеу/скачать 377.92 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
