Характеристика основных блоков ЭВМ

ЭВМ включает три основных устройства: системный блок, клавиатуру и дисплей (монитор). Однако для расширения функциональных возможностей ЭВМ можно подключить различные дополнительные периферийные устройства, в частности: печатающие устройства (принтеры), накопители на магнитной ленте (стримеры), различные манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, световое перо), устройства оптического считывания изображений (сканеры), графопостроители (плоттеры) и др.

ЭВМ, как правило, имеет модульную структуру (рис. 3.8). Все модули связаны с системной магистралью (шиной).

Системный блок. Главный блок ЭВМ включает в свой состав центральный микропроцессор, сопроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках и другие функциональные модули. Набор модулей определяется типом ЭВМ. Пользователи по своему желанию могут изменять конфигурацию ЭВМ, подключая дополнительные периферийные устройства.

В системный блок может быть встроено звуковое устройство, с помощью которого пользователю удобно следить за работой машины, вовремя обращать внимание на возникшие сбои в отдельных устройствах или на возникновение необычной ситуации при решении задачи на ЭВМ. Со звуковым устройством часто связан таймер, позволяющий вести отсчет времени работы машины, фиксировать календарное время, указывать на окончание заданного промежутка времени при выполнении той или иной задачи.

Микропроцессор (МП). Центральный микропроцессор является ядром любой ЭВМ. Он выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков ЭВМ. В состав МП входят:

• арифметико-логическое устройство,
• центральное устройство управления,
• внутренняя регистровая память,
• кэш-память,
• схема обращения к оперативной памяти,
• схемы управления системной шиной и др.

Рис 3.8. Структурная схема ЭВМ с периферийными устройствами. (АЛУ - арифметико-логическое устройство, УУ - устройство управления, ПП - постоянная память, ОП - оперативная память, ВУ- внешнее устройство, НГМД - накопитель на гибких магнитных дисках, НЖМД - накопитель на жестких магнитных дисках, НМЛ - накопитель на магнитной ленте, ПУ - печатающее устройство).

Рассмотрим структуру и функционирование микропроцессора на примере разработанной модели фирмы Intel.

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.

АЛУ выполняет логические операции, а также арифметические операции в двоичной системе счисления и в двоично-десятичном коде, причем арифметические операции над числами, представленными в форме с плавающей точкой, реализуются в специальном блоке. В некоторых конфигурациях с этой целью используется арифметический сопроцессор. Он имеет собственные регистры данных и управления, работает параллельно с центральным МП, обрабатывает данные с плавающей точкой.

Память микропроцессора состоит из функциональных регистров: регистры общего назначения, указатель команд, регистр флагов и регистры сегментов.

Регистр – внутренне запоминающее устройство процессора для временного хранения обрабатываемой или управляющей информации и быстрого доступа к ней.

Регистры общего назначения используются для хранения данных и адресов. Они обеспечивают работу с данными и адресами. Каждый из таких регистров имеет свое имя.

Указатель команд содержит смещение при определении адреса следующей команды.

Регистр флагов указывает признаки результата выполнения команды.

Регистры сегментов содержат значения селекторов сегментов, определяющих текущие адресуемые сегменты памяти.

Кроме того, регистровая память МП содержит регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой, системные и некоторые другие регистры.

Производительность микропроцессора значительно повышается за счет буферизации часто используемых команд и данных во внутренней кэш-памяти, при этом сокращается число обращений к внешней памяти. Кэш-память – сверхоперативная буферная память, предназначенная для промежуточного хранения наиболее часто используемых процессором данных. Внутренняя кэш-память имеет несколько режимов работы, что обеспечивает гибкость отладки и выполнения рабочих программ.

Устройство управления микропроцессорного типа обеспечивает конвейерную обработку данных с помощью блока предварительной выборки (очереди команд).

Устройство управления МП обеспечивает многозадачность. Многозадачность – способ организации работы ЭВМ, при котором в ее памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких задач. В составе современных МП имеются аппаратно-программные средства, позволяющие эффективно организовать многозадачный режим, в том числе системы прерывания и защиты памяти.

Система прерываний обрабатывает запросы на прерывание как от внешних устройств, так и от внутренних блоков МП. Прерывание – временное прекращение выполнения команд программы с сохранением информации о ее текущем состоянии и передачей управления специальной программе – обработчику прерываний. Поступление запроса на прерывание от внутреннего блока МП свидетельствует о возникновении исключительной ситуации, например о переполнении разрядной сетки. Внешнее прерывание может быть связано с обслуживанием запросов от периферийных устройств. Требуя своевременного обслуживания, внешнее устройство посылает запрос прерывания МП. МП в ответ приостанавливает нормальное выполнение текущей программы и переходит на обработку этого запроса, чтобы в дальнейшем выполнить определенные действия по вводу-выводу данных. После совершения таких действий происходит возврат к прерванной программе.

Защита памяти от несанкционированного доступа в многозадачном режиме осуществляется с помощью системы привилегий, регулирующих доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности.

Обмен информацией между блоками МП происходит через магистраль микропроцессора, включающую шину адреса, двунаправленную шину данных и шину управления. Шина – устройство, служащее для передачи данных и управляющих сигналов между компонентами компьютера. Шина состоит из линий электрических соединений.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и регистров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина данных обеспечивает передачу информации между МП, памятью и периферийными устройствами. Шина двунаправленная, т.е. позволяет осуществлять пересылку данных как в прямом, так и в обратном направлении.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов – управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и т.д.

Системная магистраль выполняется в виде совокупности шин (кабелей), используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Количество линий в адресно-информационной шине определяется разрядностью кодов адреса и данных, а количество линий в шине управления – числом управляющих сигналов, используемых в ЭВМ.

Внутренняя память ЭВМ состоит из оперативной памяти и постоянной памяти.

Оперативная память (ОП) (или оперативное запоминающее устройство – ОЗУ) – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для хранения и (или) выдачи входной информации, промежуточных и окончательных результатов, вспомогательной информации. В памяти машины находятся также программы решения задач, через команды которых осуществляется управление работой всей машины. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. Оперативная память является энергозависимой: при отключении питания информация в ОП теряется.

С точки зрения физического принципа действия различают динамическую память и статическую память. Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Недостатком этого типа является то, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве. Для этого в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы. Ячейки статической памяти можно представить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

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

Емкость памяти – количество байт информации, которое можно записать в памяти. При этом словом является упорядоченная последовательность символов алфавита конечной длины. Ячейка памяти – часть памяти, содержащая слово.

Емкость памяти можно выразить количеством содержащихся в ней слов или ячеек. Длина ячейки памяти измеряется количеством битов (один бит равен одному двоичному разряду) или байтов (один байт содержит восемь битов). Ячейка памяти может вмещать информацию разной длины или разного формата. Формат измеряется словом, двойным словом или полусловом в зависимости от принятого для данной ЭВМ способа представления информации.

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).

Постоянная память (ПП). Эта память предназначена только для чтения. Она не является энергозависимой, используется для хранения системных программ, в частности так называемой базовой системы ввода-вывода (BIOS – Basic Input and Output System), вспомогательных программ и т.п. Программы, хранящиеся в ПП, предназначены для постоянного использования МП.

Контроллеры (К) служат для управления внешними устройствами (ВУ). Каждому ВУ соответствует свой контроллер. Электронные модули-контроллеры реализуются на отдельных печатных платах, вставляемых внутрь системного блока. Такие платы часто называют адаптерами ВУ (от адаптировать – приспосабливать). После получения команды от МП контроллер функционирует автономно, освобождая МП от выполнения специфических функций, требуемых для того или другого конкретного ВУ.

Контроллер содержит регистры двух типов – регистр состояния (управления) и регистр данных. Эти регистры часто называют портами ввода-вывода. За каждым портом закреплен определенный номер – адрес порта. Через порты пользователь может управлять ВУ, используя команды ввода-вывода. Программа, выполняющая по обращению из основной выполняемой программы операции ввода-вывода для конкретного устройства или группы устройств ЭВМ, входит в состав ядра операционной системы ЭВМ.

Для ускорения обмена информацией между МП и внешними устройствами в ЭВМ используется прямой доступ к памяти (ПДП). Контроллер ПДП, получив сигнал запроса от внешнего устройства, принимает управление обменом на себя и обеспечивает обмен данными с ОП, минуя центральный МП. В это время микропроцессор продолжает без прерывания выполнять текущую программу. Прямой доступ к памяти, с одной стороны, освобождает МП от непосредственного обмена между памятью и внешними устройствами, а с другой стороны, позволяет значительно быстрее по сравнению с режимом прерываний удовлетворять запросы на обмен.