Назначение и основные параметры ЭВМ и вычислительных систем. Принцип действия ЭВМ. Общие принципы организации. ЭВМ с магистральной архитектурой. Структурная схема ПК

Электронная вычислительная машина - комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

Под пользователем понимают человека, в интере­сах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операто­ры.

Назначение ЭВМ.

По назначению ЭВМ делят на универсальные и специализированные.

Спе­циализированные ЭВМ делят на вычислительные, управляющие и информационно-логические.

Основные параметры ЭВМ и вычислительных систем.

Быстродействие, которое характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Реальное или эффективное быстродействие, обеспечиваемое ЭВМ, зна­чительно ниже, и оно может сильно отличаться в зависимости от класса ре­шаемых задач.

Производительность - объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени, определяется быстродействием отдельных устройств, организацией ее структуры и особенностями решаемых задач.

Емкость запо­минающих устройств измеряется количеством структур­ных единиц информации, которое может одновременно находиться в памя­ти.

Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выпол­нять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) 2382/14-78).

Адресность команд ЭВМ определяется количеством ад­ресов в адресной части кода команды.

Точность - возможность различать почти равные значения (стандарт ISO - 2382/2-76). Точность получения результатов обработки в основном оп­ределяется разрядностью ЭВМ.

Достоверность - свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных ре­зультатов.

Габариты, масса и потребляемая мощность ЭВМ наиболее важны для специализированных ЭВМ. К основным характеристикам ЭВМ относят программ­ное управление, универсальность, точность вычислений и быстродействие.

Принцип действия ЭВМ

Вычислительные машины (ВМ) представляют собой комплекс технических средств, имеющих общее управле­ние, предназначенный для автоматической обработки ин­формации по заданной программе.

Цифровые ЭВМ оперируют с информацией, представ­ленной в дискретной форме в виде общепринятой для записи и чтения символике набором цифр, букв и знаков какого-то заранее установленного алфавита, имеющего конечное число символов.

Информация, представленная в формализованном виде, удобном для пересылки, интерпретации и обработки человеком или автоматически, называется данными. На ЭВМ может быть автоматически решена любая зада­ча, если она представлена в виде определенных действий над операндами, описываемыми системой формальных пра­вил и условий, называемых алгоритмом решения задачи. Элемент данных, участвующий в операциях в качестве некоторой величины, называют операндом.

Язык, для обращения к ЭВМ, обычно называют машинным языком. Запись на машинном языке последовательности операций (команд) для решения зада­чи называют программой. Алфавит машинных языков современных ЭВМ состоит из двух символов: 0 и 1. В связи с этим и с учетом требований человека для записи алгоритмов были разработаны языки програм­мирования. Для написания программ используют языки низкого и высокого уровней (процедурно-ориентированные языки и проблемно-ориентированные языки). ЭВМ может выполнять программы, записанные только на языке машины, и алгоритмы, заданные на другом язы­ке, должны быть перед их выполнением переведены на ма­шинный язык. С этой целью используются системы автомати­зации программирования (САП). САП состоит из языка программирования и транслятора, обеспечивающего пере­вод программ с языка программирования на машинный язык. Транслятор представляет собой программу, на ос­нове которой ЭВМ преобразует вводимые в нее программы на машинный язык.

Общие принципы построения современных ЭВМ.

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помо­щью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто исполь­зуемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается через соответ­ствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры - специальные устройства управления периферийной ап­паратурой. Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ: модульность построения, магистральность, иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств, что делает ЭВМ открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления главного, или центрального, процессора. Подключаемые к цент­ральному процессору модули (контроллеры и КВВ) могут, в свою очередь, использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющи­ми сигналами, адресами и данными.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Согласованная работа всех уровней обеспечива­ется под управлением программ операционной системы. Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользова­телей.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них «встроенного искус­ственного интеллекта», предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользова­телей с ЭВМ, обеспечения доступа к базам данных и базам знаний, организации параллельных вычислений.

Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой

ЭВМ представляет собой совокупность устройств, выполненных на боль­ших интегральных схемах, каждая из которых имеет свое функциональное назначение. Комплект интегральных схем, из которых состоит ЭВМ, называ­ется микропроцессорным комплектом. В состав микропроцессорных комп­лектов входят: системный таймер, микропроцессор (МП), сопроцессоры, контроллер прерываний, контроллер прямого доступа к памяти, контроллеры устройств ввода-вывода и др.

Все устройства ЭВМ делятся на центральные и периферийные.

В центральных устройствах основным узлом, связывающим микропроцессорный комплект в единое целое, является системная магистраль. Она состоит из трех узлов, называемых шинами: шина данных (ШД), шина адреса (ША), шина управления (ШУ). Логика работы системной магистрали, количество разрядов (линий) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении различных устройств ЭВМ к системной магистрали, образуют интерфейс системной шины.

Управляющая работой ЭВМ программа перед началом выполнения загружается в основную память. Адрес первой выполняемой команды передается микропроцессору и запоминается в счетчике команд.

Начало работы процессора заключается в том, что адрес из счетчика команд (в котором всегда хранится адрес очередной команды) выставляется на шину адреса системной магистрали. Одновременно на шину управления выдается команда: выборка из ОП, которая воспринимается основной па­мятью. Получив с шины управления системной магистрали команду, основ­ная память считывает адрес с шины адреса, находит ячейку с этим номером и ее содержимое выставляет на шину данных, а на шину управления выстав­ляет сигнал о выполнении команды. Процессор, получив по шине управле­ния сигнал об окончании работы ОП, вводит число с шины данных на внут­реннюю магистраль МП и через нее пересылает введенную информацию в регистр команд.

В регистре команд полученная команда разделяется на кодовую и адрес­ную части. Код команды поступает в блок управления для выработки сигна­лов, настраивающих МП на выполнение заданной операции, и для определе­ния адреса следующей команды (который сразу заносится в счетчик команд). Адресная часть команды выставляется на шину адреса системной магистра­ли (СМ) и сопровождается сигналом выборка из ОП на шине управления. Выбранная из ОП информация через шину данных поступает на внутрен­нюю магистраль МП (По шинам управления передается сигнал поиск устройства), с которой вводится в арифметическое устройство (АУ). На этом заканчивается подготовка МП к выполнению операции, и начинает­ся ее выполнение в АЛУ.

Результат выполнения операции выставляется микропроцессором на шину данных, на шину адреса выставляется адрес ОП, по которому этот ре­зультат необходимо записать, а на шину управления выставляется команда запись в ОП. Получив с шины управления команду, ОП считывает адрес и данные с системной магистрали, организует запись данных по указанному адресу и после выполнения команды выставляет на шину управления сиг­нал, обозначающий, что число записано. Процессор, получив этот сигнал, начинает выборку очередной команды: выставляет адрес из счетчика команд на шину адреса, формирует команду выборка из ОП на шине управления и т.д.

В более сложных случаях, получив сигнал, что устройство откликнулось, прежде чем передавать команду, ЦП запрашивает устройство о его состоя­нии. Логическая последовательность действий вместе с устрой­ствами, реализующими ее, получила название интерфейс ввода-вывода. Интерфейсы постоянно совершенствуются. Так, в программном обеспече­нии используется новый интерфейс Plug and Play (обеспечение автоматически определяет состав подключенных устройств).

Интерфейс системной шины и внешних запоминающих устройств. Параллельный и последовательный интерфейсы ввода-вывода. Внешние устройства ЭВМ и их устройства управления (контроллеры).

Интерфейс системной шины и внешних запоминающих устройств

Вычислительные машины, помимо процессоров и основной памяти, содержат многочисленные периферийные устройства (ГГУ): ВЗУ и УВВ.

Весь комплекс линий и шин, сигналов, электронных схем, алгорит­мов и программ, предназначенный для осуществления обмена информацией, называется интерфейсом.

В зависимости от типа соединяемых устройств различаются:

• внутренний интерфейс ЭВМ (интерфейс системной шины, НМД), предназначенный для сопряжения элементов внутри системно­го блока ПЭВМ;

• интерфейс ввода-вывода - для сопряжения различных устройств с системным блоком (клавиатурой, принтером, сканером, мышью, диспле­ем и др.);

• интерфейсы межмашинного обмена (для обмена между разными ма­шинами) предназначены для сопряжения различных ЭВМ (например, при образовании вычислительных сетей);

• интерфейсы "человек - машина" - для обмена информацией между человеком и ЭВМ.

Для каждого интерфейса характерно наличие специального аппаратурного комплекса.

Системная магистраль является узким местом ЭВМ, так как все устрой­ства, подключенные к ней, конкурируют за возможность передавать свои дан­ные по ее шинам.

Системная магистраль - это среда передачи сигналов управления, адре­сов, данных, к которой параллельно и одновременно может подключаться несколько компонентов вычислительной системы. Физически системная ма­гистраль представляет собой параллельные проводники на материнской пла­те, которые называются линиями. Но это еще и алгоритмы, по которым пере­даются сигналы, правила интерпретации сигналов, дисциплины обслужива­ния запросов, специальные микросхемы, обеспечивающие эту работу. Весь этот комплекс образует понятие интерфейс системной магистрали или стан­дарт обмена.

Для подключения жестких магнитных дисков к микропроцессорному комплекту используется один из 5 типов интерфейсов: ST506/412; ESDI (Enhanced Small Device Interface); · SCSI (Small Computer System Interface); IDE (Integrated Drive Electronics) известныйтакже, как ATA (AT Attachement); EIDE (Enhanced-IDE).

Параллельный и последовательный интерфейсы ввода-вывода.

Если интерфейс обеспечивает обмен одновременно всеми разрядами передаваемой информационной единицы, он называется параллельным интерфейсом. Внутренний интерфейс ЭВМ всегда делается параллельным или после­довательно-параллельным.

Интерфейсы межмашинного обмена обычно последовательные, в кото­рых обмен информацией производится по одному биту последовательно.

Для параллельного и последовательно-параллельного интерфейса необ­ходимо, чтобы участники общения были связаны многожильным интерфей­сным кабелем (количество жил не меньше числа одновременно передавае­мых разрядов - битов). В последовательных интерфейсах участники обще­ния связываются друг с другом одно-двухпроводной линией связи, световодом, коаксиальным кабелем, радиоканалом.

В зависимости от используемых при обмене программно-технических средств интерфейсы ввода-вывода делятся на два уровня: физический и ло­гический (см. рис.).

Для внутреннего интерфейса ЭВМ режим сканирования предусматрива­ет опрос центральным процессором периферийного устройства (ПФУ): гото­во ли оно к обмену, и если нет - продолжение опроса периферийного устрой­ства (см. рис.).

Операция пересылки данных логически слишком проста, чтобы эффек­тивно загружать сложную быстродействующую аппаратуру процессора, в результате чего в режиме сканирования снижается производительность вы­числительной машины.

Внешние устройства ЭВМ и их устройства управления (контроллеры).

Для быстрого ввода-вывода блоков данных и разгрузки процессора от управления операциями ввода-вывода используют прямой доступ к памяти (DMA - Direct Memory Access).

Прямым доступом к памяти называется способ обмена данными, обеспе­чивающий автономно от процессора установление связи и передачу данных между основной памятью и внешним устройством.

В режиме прямого доступа к памяти используется специализированное устройство - контроллер прямого доступа к памяти, который перед началом обмена программируется с помощью центрального процессора: в него пере­даются адреса основной памяти и количество передаваемых данных. Затем центральный процессор от контроллера прямого доступа к памяти отключа­ется, разрешив ему работать, и до окончания обмена может выполнять дру­гую работу. Об окончании обмена контроллер прямого доступа к памяти со­общает процессору. В этом случае участие центрального процессора косвен­ное. Обмен ведет контроллер прямого доступа к памяти. Прямой доступ к памяти (ПДП):

• освобождает процессор от управления операциями ввода-вывода;

• позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение процес­сором программы с обменом данными между внешним устройством и основной памятью;

• производит обмен данными со скоростью, ограничиваемой только про­пускной способностью основной памяти и внешним устройством. ПДП разгружает процессор от обслуживания операций ввода-вывода, способствует увеличению общей производительности ЭВМ, дает возможность машине более приспособлено работать в системах реального времени.