Функциональная и структурная организация ВМ

Лекция 1. Принципы построения ВМ и архитектура ЭВМ.

План

1. Функциональная и структурная организация ВМ

2. Аппаратные и программные средства ВМ

3. Архитектура ВМ

Классификация и назначение вычислительных систем

Функциональная и структурная организация ВМ

Упрощенная структура ЭВМ представлена на рис.1. ЭВМ содержит следующие основные устройства: арифметическо-логическое устройство, память, управляющее устройство, устройство ввода данных в машину, устройство вывода из нее результатов расчета и пульт ручного управления.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) производит арифметические и логические преобразования над поступающи­ми в него машинными словами, т. е. кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации. Количество разрядов в машинном слове обычно совпадает с ко­личеством разрядов в основных регистрах АЛУ.

Память хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую в машину извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информа­цию, необходимую для протекания вычислительного процесса. Память машины в большинстве случаев состоит из двух су­щественно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующей основной или оперативной (внутренней) памяти (ОП) и сравнительно медленно действующей, но способ­ной хранить значительно больший объем информации внешней памяти (ВнП).

Оперативная память содержит некоторое число ячеек, каж­дая из которых служит для хранения машинного слова или его части. Ячейки нумеруются, номер ячейки называется адресом.

Рис.1. Структура электронной цифровой вычислительной машины

В запоминающих устройствах, реализующих в ЭВМ функ­цию памяти, выполняются операции считывания хранимой ин­формации для передачи в другие устройства и записи информа­ции, поступающей из других устройств. При считывании слова из ячейки содержимое последней не меняется и при необходимо­сти слово может быть снова взято из той же ячейки. При записи хранившееся в ячейке слово стирается и его место занимает новое.

Непосредственно в вычислительном процессе участвует толь­ко ОП, и лишь после окончания отдельных этапов вычислений из ВнП в ОП передается информация, необходимая для следующе­го этапа решения задачи.

Управляющее устройство (УУ) автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посылая веем другим устройствам сигналы, предписывающие им те или иные действия, в частности включает АЛУ на выполнение нужной операции.

Алгоритмом решения задачи численным методом называют последовательность арифметических и логических операций, ко­торые надо произвести над исходными данными и промежуточны­ми результатами для получения решения задачи. Поэтому алго­ритм можно задать указанием, какие следует произвести опера­ции, в каком порядке и над какими словами. Описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ, называется программой.

Программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими словами (операндами) это действие производится. Программа представляет собой совокупность команд, записанных в опреде­ленной последовательности, обеспечивающей решение задачи на ЭВМ.

Пусть, например, нужно вычислить

F=(a-x)/(ax + c)

при заданных численных значениях а, с, х. Программу вычислений F можно представить следующей последовательностью команд:

1) вычесть из числа а число х;

2) умножить число а на число x;

3) прибавить к результату действия второй команды число с;

4) разделить результаты действия первой команды на результат действия третьей команды.

Чтобы устройство управления могло воспринять команды, они должны быть закодированы в цифровой форме.

Автоматическое управление процессом решения задачи до­стигается на основе принципа программного управления, являю­щегося основной особенностью ЭВМ.

Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу команды про­граммы, закодированные в цифровом виде, хранятся в памяти наравне с числами. В команде указываются не сами участвую­щие в операциях числа, а адреса ячеек ОП, в которых они на­ходятся, и адрес ячейки, куда помещается результат операции.

Поскольку программа хранится в памяти, одни и те же команды могут нужное число раз извлекаться из памяти и вы­полняться. Более того, так как команды представляются в маши­не в форме чисел, то над командами как над числами машина может производить операции модификации команд.

Использование электронных схем, принципов программного управления и хранимой в памяти программы позволило достиг­нуть высокого быстродействия и сократить во много раз число команд в программах решения задач, содержащих вычислитель­ные циклы, по сравнению с числом операций, которые произво­дит машина при выполнении этих программ.

Команды выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти, кроме команд безусловного и условного переходов, изменяющих этот порядок соответственно безусловно или только при выполнении некоторо­го условия, обычно задаваемого в виде равенства нулю, положи­тельного или отрицательного результата предыдущей команды или отношения типа >, =, < для указываемых командой чисел. Именно благодаря наличию команд условного перехода ЭВМ мо­жет автоматически изменять соответствующим образом ход вы­числительного процесса, решать сложные логические задачи.

Перед решением задачи на ЭВМ программа и исходные данные должны быть помещены в ее память. Затем программа и исходные данные переносятся в ОП. Информация, необхо­димая для решения задачи, может вводиться в ОП непосред­ственно с помощью устройств ввода (клавиатуры).

Устройство вывода служит для выдачи из машины резуль­татов расчета, например, путем печатания их на электрифици­рованных печатных устройствах или отображения на экране дисплея.

В старых поколениях ЭВМ оператор запускал и оста­навливал машину при помощи пульта управления.

ЭВМ обладают универсальностью, они пригодны для реше­ния разнообразных задач. Любая необходимая точность вы­числений может быть достигнута путем увеличения числа разря­дов в представлении чисел в ЭВМ и соответствующего увеличе­ния количества электронного оборудования без повышения требований к точности работы самих электронных схем.

Представленная на рис.1 структура (модель) вычисли­тельной машины, получившая название фоннеймановской, бла­годаря ее изящной простоте и большой гибкости при управлении вычислительным процессом с самых первых шагов электронной вычислительной техники и по сей день доминирует при построе­нии различных ЭВМ..

Однако в последние годы конструкторы ЭВМ, стремясь до­стигнуть существенного повышения их производительности, в ряде случаев отходят от модели фон Неймана.

Приведем один из примеров. В фоннеймановской машине с общей памятью для данных и команд имеется всего одна шина (магистраль) для передачи из памяти в другие устройства команд и данных, что ведет к снижению скорости работы ЭВМ.

Возможно построение машины с отдельными памятями и ши­нами для хранения и передачи команд и данных, допускающей параллельное во времени извлечение их из памяти и передачу по шинам. Такая структура (модель) получила название гарвард­ской, так как была реализована впервые в 1944 г. в Гарвардском университете (США) в ранней релейной вычислительной машине, предшествовавшей появлению электронных вычислительных ма­шин. Гарвардская модель реализована, в частности, в некоторых микропроцессорах.