Вычислительных сетей (ВСт).

Понятие ЭВМ

Дать определение такому явлению, как ЭВМ, представляется сложным. Достаточно сказать, что само по себе название ЭВМ, т.е. электронные вычислительные машины, не отражает полностью сущность концепции. Слово «электронные» подразумевает электронные лампы в качестве элементной базы, современные ЭВМ правильнее следовало бы называть микроэлектронными.

Слово «вычислительный» подразумевает, что устройство предназначено для проведения вычислений, однако анализ программ показывает, что современные ЭВМ не более 15% времени тратят на чисто вычислительную работу — сложение, вычитание, умножение и т.д. Основное время затрачивается на выполнение операций пересылки данных, сравнения, ввода-вывода и т.д. То же самое относится и к англоязычному термину «компьютер», т. е. «вычислитель».

Обобщенная структурная схема ЭВМ неймановской архитектуры

УПД — устройство подготовки данных; УВВ — устройство ввода информации; ОЗУ — оперативное запоминающее устройство; ВЗУ — внешнее запоминающее устройство; АЛУ — арифметико-логическое устройство; УУ — устройство управления; ПУ — пульт управления; УВыв — устройство вывода информации

Формулировка принципов фон Неймана

Основными блоками фон-неймановской машины являются устройство управления, арифметико-логическое устройство, память и устройства ввода-вывода информации.

Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами.

Алгоритм представляется в виде последовательности управляющих слов, которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова называются командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм, называется программой.

Архитектура ЭВМ — абстрактное определение машины в терминах основных функциональных модулей, языка, структур данных.

Термин архитектура возник с середины 60-х годов XX века, когда ЭВМ стала проектироваться как совокупность аппаратных и программных средств и на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия.

Архитектура отображает аспекты структуры ЭВМ, которые являются видимыми для пользователя: систему команд, режимы адресации, форматы данных, набор программно-доступных регистров. Одним словом, термин «архитектура» используется для описания возможностей, предоставляемых ЭВМ.

Конфигурация и организация ЭВМ

Весьма часто употребляется термин конфигурация ЭВМ, под которым понимается компоновка вычислительного устройства с четким определением характера, количества, взаимосвязей и основных характеристик его функциональных элементов.

Термин «организация ЭВМ» определяет, как реализованы возможности ЭВМ.

Понятие команды и режима адресации

Команда — совокупность сведений, необходимых центральному процессору для выполнения определенного действия при выполнении программы.

Команда состоит из кода операции, содержащего указание на операцию, которую необходимо выполнить, и нескольких адресных полей, содержащих указание на места расположения операндов команды.

Способ вычисления адреса по информации, содержащейся в адресном поле команды, называется режимом адресации. Множество команд, реализованных в данной ЭВМ, образует ее систему команд.

Упрощенная схема ЭВМ с шинной организацией

Шинная организация является простейшей формой организации ЭВМ. В соответствии с принципами фон-Неймана подобная ЭВМ имеет в своем составе 6 функциональных блоков.

Центральный процессор (ЦП) — функциональный блок, выполняющий основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Это наиболее сложный компонент ЭВМ как с точки зрения электроники, так и с точки зрения функциональных возможностей.

Центральный процессор состоит из следующих взаимосвязанных составных элементов: арифметико-логического устройства, устройства управления и регистров.

Арифметико-логическое устройство центрального процессора: состав и функции

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) состоит из блоков:

Выполняемая операция формирует по двум входным переменным одну — выходную, выполняя заданную операцию (сложение, вычитание, сдвиг и т.д.). Выполняемая операция определяется микрокомандой, получаемой от устройства управления. Характеристика результата выполнения операции над входными переменными передается в специальное устройство АЛУ, называемое Флаговым регистром. Операции выполняются с помощью электронных схем, каждая из которых состоит из нескольких тысяч элементов. Микросхемы АЛУ имеют высокую плотность и быстродействие.

Регистр флагов (флаговый регистр) предназначен для хранения характеристик результата выполнения операции АЛУ.

Отдельные разряды этого регистра указывают на равенство результата операции нулю, знак результата операции (+ или -), правильность выполнения операции (наличие переноса за пределы разрядной сетки или переполнения разрядной сетки: индикаторы переноса и переполнения).

Программный анализ флагов позволяет производить операции ветвления программы в зависимости от конкретных значений данных

Регистровая память (регистры процессора) В АЛУ имеется набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти различной длины, которые называются регистрами процессора. Регистры составляют основу архитектуры процессора. Количество регистров и связей между ними оказывает существенное влияние на сложность и стоимость процессора. Однако, с другой стороны, наличие большого количества регистров с богатым набором возможностей упрощает программирование и повышает гибкость программного обеспечения.

АЛУ выполняет основную работу по переработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции.

Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие автоматически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от получаемых результатов.

Функции устройства управления центрального процессора

Обязательный набор регистров АЛУ:

Регистр данных — служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операций.

Регистр аккумулятор — регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений (например, в нем формируется результат выполнения команды умножения).

Регистр указатель стека — используется при операциях со стеком. Стек используются для организации подпрограмм в программе.

Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти.

Регистры-счётчики используются организации циклических участков в программе.

Регистры общего назначения (РОН), имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться для любых целей. Точное назначение регистра определяет программист при написании программы. Они могут использоваться для временного хранения данных, в качестве аккумуляторов, а также в качестве
индексных, базовых, указательных регистров.

Кроме того, в состав АЛУ могут входить Внутренние системные регистры, не доступные программно, используемые во время внутренних пересылок данных при выполнении команд.

Состав устройства управления

Устройство управления (УУ) — часть центрального процессора, которая вырабатывает распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд программы.

На этапе выборки команды УУ интерпретирует команду, выбранную из оперативной памяти.

На этапе выполнения командыУУ формирует микропрограмму. Микропрограмма это последовательность микрокоманд, соответствующих одной команде.

Эти микрокоманды задают последовательность простейших низкоуровневых операций для АЛУ таких, как пересылка данных, сложение, сдвиг данных, установка и анализ признаков, запоминание результатов и др.

Устройство управления (УУ) имеет в своем составе три блока:

регистр команды, который содержит код команды во время ее выполнения

программный счетчик, в котором содержится адрес следующей, подлежащей выполнению команды

регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в оперативной памяти.

Назначение и свойства памяти ЭВМ

Память состоит из конечного числа ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер - адрес.

Доступ к ячейке осуществляется указанием ее адреса.

Память способна выполнять два вида операций над данными — чтение с сохранением содержимого и запись нового значения со стиранием предыдущего.

Каждая ячейка памяти может использоваться для хранения либо данных, либо команды.

Виды памяти ЭВМ (по быстродействию):