Функциональная структура цифровой ЭВМ фон-неймоновской архитектуры и обобщенный алгоритм работы.

Типовая ЭВМ имеет три функционально независимых блока:

ЦП Память Устройства ввода-вывода

Первоначально машина Неймана имела непосредственные связи между тремя этими блоками. В дальнейшем устройства стали объединять в систему используя «общую шину».

Устройства ввода-вывода предназначены для связи ЭВМ с внешним миром.

Обработанную информацию нужно представлять в удобном для пользователя виде, для этого используют устройства вывода.

Устройства В-В подключаются к ЭВМ через специальные устройства согласования, называемые телекоммуникационными портами (I/O). Каждый из портов имеет адрес.

Вводимая в ЭВМ информация размещается в памяти. Память – запоминающие ячейки, размер которых совпадает с размером обрабатываемых двоичных слов. Каждая ячейка имеет уникальный адрес. Соседние ячейки имеют соседние адреса. Такая память называется памятью с произвольным доступом, потому-то имеется возможность обращения к любой ячейке памяти.

Память состоит из:

ОЗУ

Работает в 2х режимах:

- хранение;

- считывание;

- запись.

Предназначена для хранения меняющееся в процессе работы информации. Время доступа в современных ОЗУ составляет десятки наносекунд. ОЗУ – энергозависимая память.

ПЗУ (BIOS)

Работает в 2х режимах:

- хранение;

- считывание.

Предназначена для хранения не меняющееся в процессе работы информации.

Является энергонезависимой.

ВЗУ

Предназначена для хранения больших объемов информации (FDD, HDD, CD, Flash).

ЦП – устройство, в котором происходит непосредственная обработка информации, состоит из последовательности арифметических и логических операций.

Координирует работу ЦП и всей ЭВМ. В состав процессора входит сверхоперативное ЗУ малой емкости – блок регистров. Основное преимущество: расположены рядом с процессором => сверх оперативность.

Программа представляет собой последовательность команд (инструкций) которые управляют работой ЭВМ. Процессор понимает язык двоичных кодов, поэтому все команды должны быть представлены в виде двоичных кодовых операций определенного формата (машинные команды). Программы, составленные на ЯВУ, должны быть преобразованы в машинные коды и в таком виде загружены в память. Такое преобразование осуществляется программами трансляторами или компиляторами.

После загрузки программы в память она занимает определенное кол-во ячеек

Взаимодействие узлов ЭВМ между собой происходит по внутрисистемной шине.

Рассмотрим на примере простой программы:

Вычислить значение З по формуле З=a+б*c;

Алгоритм решения:

Ввести а;

Ввести б;

Ввести c;

Перемножить б и с, результат сохранить в З;

Сложит а и З, результат сохранить в З;

Вывести результат З;

Прекратить вычисление.

Первые три команды ввода исходных данных помещаю переменные а, б и с в определенные ячейки памяти.

Команда умножения происходит:

-  Код четвертой команды извлекается из памяти и по шине помещается в процессор, где расшифровывается, как команда умножить.

-  Микропроцессор последовательно извлекает из памяти сомножители этой команды, т. е. содержимое ячеек б и с и помещает их в регистры микропроцессора.

-  Выполняется команда умножения, а результат ее так же записывается в регистр.

-  Результаты умножения из регистра переписываются в память в ячейку З.

В микропроцессор считывается код следующей команды.

Вычислительные машины и вычислительные системы

Цифровая ЭВМ – программно управляемая совокупность технических средств, предназначенная для обработки дискретных данных по заданному алгоритму.

Анализ развития вычислительной техники выявил ряд закономерностей:

Весь период развития доминирующе была классическая структура ЭВМ. Основана на методах последовательных вычислений. Основные направления совершенствования ЭВМ являлся неуклонный рост производительности. Параллельно с технической базой развивалось и ПО. В настоящее время наметился некоторый кризис классической архитектуры ЭВМ. Связано с исчерпанием всех идей последовательного счета, кроме этого разработчики элементной базы подошли к физическому пределу, когда повышении быстродействия работы ЦП становится затруднительным. Так называемый закон Мура все чаще требует коррекции.

Гордон Мур – один из основателей Интел в 1965 г. Открыл закономерность, получившую название зкона Мура: плотность транзисторов на кремниевой подложке удваивается каждые 18-24 месяца, соответственно растет производительность БИС и в два раза падает стоимость.

Вычислительная система – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и ПО, предназначенная для автоматизированной обработки данных по заданному алгоритму.

Отличительным признаком ВС является наличие нескольких вычислителей – микропроцессоры либо ЭВМ. Эти вычислители позволяют организовать параллельную обработку информации. Современные ЭВМ начиная с пентиума так же имеют несколько вычислителей, которые решают несколько задач параллельно. Поэтому их можно считать одной из реализации ВС. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показал, что стоимость ЭВМ и производительность связаны квадратичной зависимостью.

Сэвм=K1П2эвм, Cвс=K2SПi

Где Сэвм, Свс – стоимость ЭВМ и ВС, К1, К2 – коэффициенты пропорциональности, зависящие от технического уровня развития вычислительной техники, Пэвм, Пi – производительность ЭВМ и итого из n вычислителей.

Начиная с П критического повышение производительности ЭВМ становится экономически не выгодно.

Архитектура и организация ЭВМ

Под архитектурой ВМ в узком смысле обычно понимается логическое построение ЭВМ с точки зрении программиста. Описание тех средств, которыми может пользоваться программист, составляя программу на уровне машинных команд. Формат команд, форма представления данных, способы адресации и т. д.

Под организацией понимаю вопросы их физического построения: состав устройств, организация шин, тактовая чистота и т. д.

Будем считать, что архитектура ЭВМ это абстрактное представление ВМ, которая отражает ее структурную схемотехническую и логическую организацию.

Организацию ЭВМ можно разбить на уровни:

Цифровой логический Микропрограммный – аппаратное обеспечение Архитектуры программ – интерпретация (микропрограмма) или непосредственное выполнение Операционной системы – трансляция (ассемблер)

--

Языка ассемблера – трансляция (ассемблер) Языка высокого уровня – трансляция (компилятор)

4-5 Уровень программиста

0-3 Уровень системного программиста