Тема: «Основные понятия архитектуры» «Информатика» (стр. 4 )

2.8  Организация машины: принципы фон Неймана

Основы учения об архитектуре ЭВМ заложил американский математик Джон фон Нейман. В 1946 году вместе с Г. Голдстайном и А. Беркосм изложил принципы построения вычислительных машин в статье "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства". Выдвинутые в ней положения сохраняют свою актуальность и сегодня. Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализации, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений (за исключением систем параллельной обработки информации).

В статье обосновывается использование двоичной системы счисления для представления чисел (ранее все вычислительные машины хранили числа в десятичном представлении). Авторы продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать нечисловую информацию, но двоичное кодирование данных по прежнему составляет информационную основу современного компьютера.

Другой революционной идеей является предложенный фон Нейманом принцип "хранимой программы". Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Нейман выдвинул предложение, что программа может хранится в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру. Любая ЭВМ неймановской архитектуры содержит следующие основные устройства:

– арифметико-логическое устройство (АЛУ);

– устройство управления (УУ);

– запоминающее устройство (ЗУ);

– устройство ввода-вывода (УВВ)

Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке 2.8.1.

Рисунок 2.8.1 – Архитектура Фон Неймана

Нужно отметить, что внешняя память отличается от устройства ввода и вывода тем, что данные в нее в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединено в один блок — процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств. Сюда относят выборку команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических операций, согласование работы узлов компьютера.

Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ЭВМ. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной степени определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессор использует собственную память небольшого объема, именуемую местной или сверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ.

Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы - последовательности инструкций (команд), записанных в порядке выполнения. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия т над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в УУ. Его наличие является одним из характерных признаков фон-неймановской архитектуры.

Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоминающем устройстве — памяти ЭВМ, куда они вводятся через устройства ввода. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу. Она включает в себя запоминающие устройства различных типов и функционально делится на внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя, или основная, память - запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти осуществляется с высоким быстродействием, но имеет ограниченный объем, определяемый системной шиной.

Внутренняя память делится на оперативную (ОЗУ), постоянную (ПЗУ) и сверхоперативную (СОЗУ). Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти теряется. Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого ОЗУ, содержимое ПЗУ заполняется при изготовлении ЭВМ и в большинстве случаев не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В ПЗУ хранятся часто используемые (универсальные) программы и данные, например, некоторые программы ОС, программы тестирования аппаратуры ЭВМ. При выключении питания содержимое ПЗУ сохраняется.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для хранения больших объемов информации и обмена ею с ОЗУ. Для построения ВЗУ используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые являются переносимыми. Емкость такой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется гораздо больше времени, чем к внутренней.

ВЗУ конструктивно отделены от центрального устройств ЭВМ (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и выполняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а также на магнитных лентах.

По принципу функционирования ВЗУ разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными ВЗУ, постоянно используемыми в процессе работы ЭВМ. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервного копирования информации.

Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода информации в ЭВМ и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с машиной. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти ЭВМ. Их еще называют периферийными или внешними устройствами ЭВМ. К ним относят мониторы, клавиатуру, манипуляторы "мышь", принтеры, графопостроители, сканеры. Для управления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устройствами - адаптеры и контроллеры.

Системный интерфейс - конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для взаимодействия ее устройств и обмена информацией между ними.

2.9 Системы команд и типы команд

Программа работы ЭВМ состоит из последовательности команд. Под командой понимается информация, обеспечивающая выработку управляющих сигналов, формируемых в устройстве управления процессора, для выполнения машиной определенных действий.

Система команд — это перечень команд, которые способен выполнить процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, сколько операндов требуется указать в команде, какой вид (формат) должна иметь команда для ее распознания. Количество основных разновидностей команд невелико. С их помощью ЭВМ способны выполнять операции сложения, вычитания, умножения, деления, сравнения, записи в память, передачи числа из регистра в регистр, преобразования из одной системы счисления в другую и т. д. При необходимости выполняется модификация команд, учитывающая специфику вычислений. Обычно в ЭВМ используется от десятков до сотен команд (с учетом их модификации).

Все машинные команды можно разделить на группы по видам выполняемых операций:

·  Операции пересылки данных;

·  Арифметические операции;

·  Логические операции;

·  Операции обращения к внешним устройствам ЭВМ;

·  Операции передачи управления;

·  Обслуживающие и вспомогательные операции

На современном этапе развития вычислительной техники используются два основных подхода при формировании системы команд процессора. С одной стороны, это традиционный подход, связанный с разработкой процессоров с полным набором команд, — архитектура CISC (Complete Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд). С другой стороны, это реализация в ЭВМ сокращенного набора простейших, но часто употребляемых команд, что позволяет упростить аппаратные средства процессора и повысить его быстродействие — архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным набором команд).

При проектировании новых процессоров разработчикам приходится решать сложную задачу выбора длины команды и определения списка необходимых команд (системы команд).

2.10 Ввод/вывод и прерывания

Вводом-выводом (ВВ) называют передачу данных между ядром ЭВМ, включающим в себя процессор и ОЗУ, и периферийными устройствами.

Система ВВ – это единственное средство общения ЭВМ с внешним миром. Ее возможности в серийных ЭВМ представляют собой один из важнейших параметров, определяющих выбор машины для конкретного применения.

Несмотря на разнообразие персональных устройств (ПУ), в настоящее время разработано несколько стандартных способов их подключения к ЭВМ.

Существует 3 режима ВВ:

1. Программный ВВ (нефорсированный)

2. ВВ по прерыванию (форсированный)

3. Прямой доступ к памяти (ПДП).

Программный ВВ. Инициирование и управление ВВ осуществляет процессор. ПУ играет пассивную роль и только сигнализирует о своем состоянии, в частности о готовности к операциям ВВ.

ВВ по прерыванию. Операции ВВ инициируются ПУ, генерирующим сигнал прерывания, при этом процессор переключается на подпрограмму обслуживания данного ПУ, вызывающего прерывание. В результате выполнение подпрограммы осуществляется обменом данными.