Лекционный материал по дисциплине "Архитектура аппаратных средств"

К У Р С   Л Е К Ц И Й по дисциплине: «Архитектура аппаратных средств»                                              Преподаватель: А.А. Забавина 2 СОДЕРЖАНИЕ 3 ВВЕДЕНИЕ С   развитием   вычислительной   техники   расширяется   и   сфера   ее   использования,   изменяется   и терминология.   Термин  «вычислительная   машина»,  «вычислительная   система»,  «вычислительная сеть» выросли из своего дословного толкования в части прилагательного «вычислительная». Вычислительная   система  –   совокупность   одного   и   более   компьютеров   или   процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно­вычислительных процессов. То же самое касается термина «вычислительная сеть» – более правильным термином является «информационно­вычислительная   сеть»,  ибо вычислительные   процессы   превалируют   над   информационными   лишь  в  локальных вычислительных сетях, да и то довольно редко.  а   в   ряде   случаев   и  «информационная   сеть», Система (от греческого systema – целое, составленное из частей соединение) – это совокупность элементов,   взаимодействующих   друг   с   другом,   образующих   определенную   целостность,   единство, обеспечивающие целенаправленное поведение. Системы весьма разнообразны. В самом общем плане все системы можно разделить:  на материальные системы;  абстрактные системы. Материальные системы представляют собой совокупность материальных объектов. Абстрактные   системы  являются   продуктом   человеческого   мышления   –   знания,   теории, гипотезы. Элемент  (компонент)   системы  –   часть   системы,   имеющая   определенное   функциональное назначение. Архитектура ЭВМ (системы) – это совокупность свойств компьютера (системы), существенных для программиста и пользователя. Организация   системы  –   внутренняя   упорядоченность,   согласованность   взаимодействия элементов системы, проявляющаяся, в частности, в ограничении разнообразия состояний элементов в рамках системы. Структура   системы  –   состав,   порядок   и   принципы   взаимодействия   элементов   системы, определяющие   основные   свойства   системы.   Если   отдельные   элементы   системы   разнесены   по  разным уровням и внутренние связи между элементами организованы только от вышестоящих к нижестоящим уровням и наоборот, то говорят об иерархической структуре системы. Чисто иерархические структуры практически   встречаются   редко,   поэтому,   несколько   расширяя   это   понятие,   под   иерархической структурой понимают и такие структуры, в которых среди прочих связей иерархические связи имеют главенствующее значение. 4 ЧАСТЬ 1   СОЗДАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЭВМ ГЛАВА 1   Научные предпосылки создания ЭВМ 1.1 Управление и информация Важнейшую и решающую роль в создании и эволюции ЭВМ сыграла наука «Кибернетика».  Кибернетика  –   наука   об   общих   закономерностях   процессов   управления   в   системах   любой  Предметом   изучения  кибернетики   являются   информационные   процессы,   описывающие природы. поведение этих систем. Цель изучения – создание принципов, методов и технических средств для наиболее эффективных в том или ином смысле результатов управления в таких системах. Основные особенности кибернетики как самостоятельной научной области состоят в следующем: Кибернетика способствовала тому, что классическое представление о мире, состоящем из 1. материи и энергии, уступило место представлению о мире, состоящем из трех составляющих: материи, энергии и информации, ибо без информации немыслимы организованные системы. 2. Кибернетика рассматривает управляемые системы не в статике, а в динамике, то есть в их движении, развитии, при этом в тесной связи с другими (внешними) системами. Это позволяет вскрывать закономерности и устанавливать факты, которые иначе оказались бы не выявленными. 3. Как бы детально и строго ни старались изучать поведение сложной системы, никогда нельзя учесть полное множество всех факторов, прямо или косвенно влияющих на ее поведение. Поэтому всегда   следует   вводить   различные   ограничения,   считаться   с   неизбежностью   наличия   некоторых случайных факторов, являющихся результатом действия этих неучтенных процессов, явлений и связей. 4. ящика». В кибернетике часто применяется метод исследования систем с использованием «черного Под «черным ящиком» понимается система, в которой исследователю доступна лишь входная и выходная информация этой системы, а внутреннее устройство неизвестно. Оказывается, что ряд важных выводов   о   поведении   системы   можно   делать,   наблюдая   лишь   реакции   выходной   информации   при изменении   входной   информации.   Классический   пример   «черного   ящика»   –   телевизор.   Большинство людей, которые им пользуются, не имеют ни малейшего представления о том, как он устроен внутри. Но, нажимая кнопку включения телевизора (входная информация), они ожидают выходной информации – изображения и звука. 5. Очень важным методом кибернетики является метод моделирования. Модель   –   это   другой   объект,   процесс   или   формализованное   описание,   более   удобное   для рассмотрения,   исследования,   управления,   интересующие   нас   характеристики   которого   подобны характеристикам реального объекта. После такой замены исследуется не первичный объект, а его модель. Результаты   этих   исследований   распространяются   на   первичный   объект   (конечно,   с   известными оговорками). 1.2 Информация и ее особенности Информация – важнейший ресурс управления. С позиций кибернетики  управление  –  процесс целенаправленной   переработки   информации.  Информация   является   как   предметом   труда,   так   и продуктом труда в управлении. Для правильного понимания архитектуры и эффективного использования ЭВМ необходимо познакомиться с основными свойствами информации. Слово  «информация»   означает   «разъяснение»,   «осведомление», «изложение».   Под   информацией   понимаются   все   те   сведения,   которые   уменьшают   степень неопределенности нашего знания о конкретном объекте. (латинское  informatio) С   позиции   материалистической   философии   информация   есть   отражение   реального   мира;   это сведения, которые один реальный объект содержит о другом реальном объекте. Информация – это сведения, изменяющие наши знания и понимание окружающего мира. При   отображении   на   носителе   информация   кодируется,   то   есть   ей   ставятся   в   соответствие форма, цвет, структура и другие параметры элементов носителя. От   выбора   носителя   и   способа   кодирования   информации   при   выполнении   конкретных информационных процедур во многом зависит эффективность функционирования системы управления. В системе управления информация, как правило, неоднократно изменяет не только свой код, но и тип носителя. Весьма распространенным способом кодирования информации является ее представление в виде последовательности символов определенного алфавита.  5 ГЛАВА 2   Технические предпосылки и практические потребности создания ЭВМ Основными техническими предпосылками создания ЭВМ являются развитие электроники и опыт, накопленный в процессе разработки счетных и счетно­аналитических машин на перфокартах. 2.1 Механические счетные машины Первые попытки облегчить процесс вычислений человечество предприняло уже в самом начале своей   сознательной   деятельности.   Сначала   выполнялся   «счет   на   пальцах»,   затем   на   смену   пальцам пришли   палочки,   косточки   на   проволоке   (счеты),   а   позже   более   удобные   для   вычислений   счетные механизмы, механические счетные машинки и т. д. Можно назвать десятки имен конструкторов таких механических приспособлений для облегчения счета и десятки наименований самих устройств. Счет на пальцах сыграл громадную роль не только для облегчения вычислений, но и в развитии математики.  Эта несколько видоизмененная система дошла до нас в виде «римских» цифр. На смену пальцам, и   в   первую   очередь   с   целью   обеспечения   возможности   запоминать   числа,   пришел   счет   на   бирках, зарубках, палочках, узелках и др. Широкое   распространение   у   древних   народов   получил  абак  –   счетный   прибор,   на   котором отмечены   места   (колонки   или   строчки)   для   разных   разрядов   чисел.   Косточки,   жетоны,   камешки, размещенные   на   этих   местах,   имеют   различное   числовое   значение,   то   есть   в   абаке   используется позиционная система счисления. Самым распространенным абаком, широко используемым и в настоящее время, являются счеты. 2.2 Электромеханические счетные машины В конце XIX века в связи с развитием науки и техники потребность в счетных машинах настолько возросла, что ее перестали удовлетворять и арифмометры и другие типы механических счетных машин. Последним и решающим толчком к созданию более производительных машин послужили потребности по обработке переписей населения, которые стали проводиться регулярно во многих странах. Поскольку к этому времени достаточно хорошее развитие получила теория электричества, и в частности   теория   слабых   токов,   перспективным   направлением   развития   счетных   машин   стало использование в них электрических и электромеханических компонентов. Наступила эра электромеханических машин, развитие которых пошло по двум направлениям: 1. Использование   электричества   как   движущей   силы   внутри   счетных   машин.   Это направление привело к созданию класса электрических, а затем электронных клавишных машин, информация в которые вводилась вручную с помощью клавиатуры (повысилась скорость   и   точность   вычислений,   но   недостаточной   оставалась   степень   автоматизации вычислений). 2. Использование   электричества   в   устройствах   ввода   и   вывода   информации   при использовании   перфокарт   (повысилась   скорость   ввода   и   вывода   информации   и автоматизация вычислений, поскольку на перфокарты наносилась не только числовая, но и программная информация). 2.3 Электронные вычислительные машины Первая электронная вычислительная машина на основе электронных вакуумных ламп с нитью накаливания была создана по заказу артиллеристов в Пенсильванском университете в 1946 году – машина ENIAC (Electronic Numeral Integrator and Computer). Основные принципы организации ЭВМ по Дж. фон Нейману: 1. Принцип   двоичного   кодирования.  Электронные   машины   должны   работать   не   в десятичной, а в двоичной системе счисления. 2. Принцип   программного   управления.   Машина   выполняет   вычисления   по   программе. Программа   состоит   из   набора   команд,   которые   исполняются   автоматически   друг   за другом в определенной последовательности. 3. Принцип хранимой программы. В процессе решения задачи программа ее исполнения должна   размещаться   в   запоминающем   устройстве   машины,   обладающем   высокой скоростью выборки и записи. 4. Принцип однотипности представления чисел и команд. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде. Таким образом, по форме 6 представления команды и числа однотипны, а это дает возможность машине исполнять операции над командами программы. 5. Принцип   иерархичности   памяти.  Трудности   реализации   единого   емкого быстродействующего   запоминающего   устройства   требуют   иерархического   построения памяти. Должно быть по меньшей мере два уровня иерархии: основная память и внешняя память. 6. Принцип   адресности   основной   памяти.  Основная   память   должна   состоять   из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна программе в любой момент времени по ее двоичному адресу или по присвоенному ей имени (имя ячейке присваивается в программе, и соответствующий этому имени адрес должен храниться в основной памяти на протяжении всего времени выполнения программы). Структура ЭВМ, предложенная Дж. фон Нейманом, должна содержать следующие устройства: управляющее   устройство,   арифметическое   устройство,   основную   (оперативную)   и   внешнюю   память, устройство   ввода   программ   и   данных,   устройство   вывода   результатов   расчетов,   пульт   ручного управления. Структура фон­неймановской ЭВМ показана на рис. 1. Память Блок  управления Арифметическое  устройство Ввод Вывод Рисунок 1 – Структура фон­неймановской ЭВМ В   начале   50­х   по   заказу   атомщиков   в   1951   году   в   Киеве   под   руководством   академика С.А.Лебедева была создана первая отечественная машина МЭСМ (малая электронная счетная машина); в 1952 году БЭСМ (большая ЭСМ, имевшая позже продолжения БЭСМ­2, БЭСМ­4, БЭСМ­6, рис. 2). 7 о в т с й о р т с у   е е щ ю а н и м о п а з   е о н в и т а р е п О о в т с й о р т с у   е е щ ю а н и м о п а з   е е н ш е н В Устройство управления Арифметическое  устройство Устройства ввода и вывода Рисунок 2 – Блок­схема БЭСМ 8 ГЛАВА 3   Эволюция ЭВМ Начиная с 1950 года каждые 7­10 лет кардинально обновлялись конструктивно­технологические и программно­алгоритмические принципы построения и использования ЭВМ. В связи с этим правомерно говорить о поколениях вычислительных машин. Условно каждому поколению можно отвести 10 лет. 3.1 Первое поколение ЭВМ: 1950­1960 годы Логические схемы создавались на дискретных радиодеталях и электронных вакуумных лампах с нитью накала. В оперативных  запоминающих устройствах использовались  магнитные барабаны, акустические ультразвуковые ртутные и электромагнитные линии задержки, электроннолучевые трубки (ЭЛТ); позже – магнитные ферритовые сердечники. В  качестве   внешних   запоминающих   устройств   применялись   накопители   на   магнитных   лентах, перфокартах, перфолентах и штекерные коммутаторы. Напряжения   питания   компьютерных   схем   составляли   десятки   –   сотни   вольт,   а   в   случае использования   ЭЛТ   и   киловольты.   Машины   потребляли   несколько   десятков   киловатт.   Они   имели центральное   устройство   управления   (УУ),   обеспечивающее   строго   последовательную   работу   всех основных устройств. Тактовая частота работы УУ была в пределах десятков – сотен килогерц. Ввод­ вывод информации осуществлялся с перфокарт, перфолент, магнитных лент или с клавиатуры. Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном   языке,   то   есть   программы   были   жестко   ориентированы   на   конкретную   модель   машины   и «умирали» вместе с этими моделями. Только   в   середине   50­х   годов   появились   машинно­ориентированные   языки   типа   языков символического   кодирования   (ЯСК),   позволявшие   вместо   двоичной   записи   команд   и   адресов использовать их сокращенную словесную (буквенную) запись и десятичные числа. В 1956 году был создан первый язык программирования высокого уровня для математических задач – язык ФОРТРАН, а в 1958 году – универсальный язык программирования АЛГОЛ. Надежность машин первого поколения была крайне низкой – несколько десятков часов наработки на   отказ.   Для   поддержания   приемлемого   уровня   надежности   машины   требовали   регулярного ежесуточного   профилактического   обслуживания,   во   время   которого   выявлялись   и   заменялись потенциально   ненадежные   элементы   (еженедельное   обслуживание   было   более   тщательным,   нежели ежесуточное, а ежемесячное еще более трудоемким). Организационно   ЭВМ   эксплуатировались   в   составе   вычислительных   центров,   причем   для эффективного  использования  каждой  ЭВМ необходим   был  штат  10­20 программистов  (программы   с одной машины на другую, как правило, не переносились). Названные   ранее   ЭВМ,   начиная  UNIVAC  и   заканчивая   БЭСМ­2   и   первыми   моделями   ЭВМ «Минск» и «Урал», относятся к первому поколению вычислительных машин. 3.2 Второе поколение ЭВМ: 1960­1970 годы Логические схемы строились на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микротрансформаторы). В качестве конструктивно­ технологической   основы   использовались   схемы   с   печатным   монтажом   (платы   из   фольгированного гетинакса). Широко стал использоваться блочный принцип конструирования машин, который позволяет подключать к основным устройствам большое число разнообразных внешних устройств, что обеспечивает большую гибкость использования компьютеров. Появились первые операционные системы и алгоритмические языки машинно­ориентированного низкоуровневого (ассемблеры) и высокоуровневого программирования (Кобол, Бейсик и др.). Программы стали переносимыми с одного типа компьютера на другой. В   машинах   второго   поколения   были   впервые   реализованы   режимы   пакетной   обработки   и телеобработки информации. Основные направления совершенствования ЭВМ второго поколения: 1. Переход на полупроводниковую элементную базу и печатный монтаж. 2. Блочный принцип конструирования и унификация ячеек и блоков ЭВМ. 3. Облегчение программирования для ЭВМ. 4. Ориентация   ЭВМ   не   только   на   вычислительную   работу,   но   и   на   работу   с   массивами информации. 9 5. Повышение   надежности   работы   машин,   использование   кодов   с   обнаружением   и исправлением ошибок и встроенных схем контроля. 6. Расширение областей применения ЭВМ. 3.3 Третье поколение ЭВМ: 1970­1980 годы Ввиду   существенного   усложнения   как   аппаратной,   так   и   логической   структуры   ЭВМ   3­го поколения часто стали называть системами. Первыми ЭВМ этого поколения стали модели систем IBM (ряд моделей IBM 360) и DEC (PDP 1). В вычислительных машинах третьего поколения значительное внимание уделяется уменьшению трудоемкости   программирования,   эффективности   исполнения   программ   в   машинах   и   улучшению общения   оператора   с   машиной.   Это   обеспечивается   мощными   операционными   системами,   развитой системой автоматизации программирования, эффективными системами прерывания программ, режимами работы с разделением машинного времени, режимами работы в реальном времени, мультипрограммными режимами   работы   и   новыми   интерактивными   режимами   общения.  Появилось   и   эффективное видеотерминальное устройство общения оператора с машиной – видеомонитор или дисплей. 3.4 Четвертое поколение ЭВМ: 1980­1990 годы Революционным событием в развитии компьютерных технологий четвертого поколения машин было создание больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем (Large Scale Integration – LSI и Very Large Scale Integration – VLSI), микропроцессора (1969 г.) и персонального компьютера. Начиная с 1980 года практически все ЭВМ стали создаваться на основе микропроцессоров. Самым востребованным компьютером стал персональный. Оперативная память стала строиться не на ферритовых сердечниках, а на интегральных CMOS­ транзисторных схемах, причем непосредственно запоминающим  элементом в них служила паразитная емкость между электродами (затвором и истоком) этих транзисторов. 3.5 Пятое поколение ЭВМ: 1990 год – настоящее время Особенности архитектуры современного поколения компьютеров подробно рассматриваются в данном учебнике. Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом. Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно­векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы. 1. 2. Компьютеры со многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы. 3.6 Шестое и последующие поколения ЭВМ Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. В табл. 1 показана эволюция технологий использования компьютерных систем.  Таблица 1 – Эволюция компьютерных информационных технологий Параметр Цель использования компьютера (преимущественно) Режим работы компьютера Интеграция данный Расположение пользователя Тип пользователя Этапы развития технологии 50­е годы 60­е годы 70­е годы 80­е годы Настоящее время Научно­технические  расчеты Технические и  экономические  расчеты Управление и  экономические  расчеты Управление,  предоставление  информации Однопрограммный Низкая Машинный зал Инженеры­ программисты Пакетная  обработка Средняя Отдельное  помещение Профес­ сиональные  Разделение  времени Высокая Терминальный  зал Программисты Персональная  работа Очень высокая Рабочий стол Пользователи с  общей  Телекоммуникации,  информационное  обслуживание и  управление Сетевая обработка Сверхвысокая Произвольное  мобильное Мало обученные  пользователи 10 Работа за пультом  компьютера Тип интерфейса пользователя программисты Обмен  перфоноси­ телями и  машиноргам­ мами Интерактивный  (через  клавиатуру и  экран) компьютерной  подготовкой Интерактивный с   жестким меню Интерактивный  экранный типа  «вопрос­ответ» ГЛАВА 4   Основные классы современных ЭВМ Электронная вычислительная машина (ЭВМ),  компьютер – комплекс технических средств, предназначенных   для  автоматической   обработки   информации   в   процессе   решения   вычислительных   и информационных задач. Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:  по принципу действия;  этапам создания и элементной базе;  назначению;  способу организации вычислительного процесса;  размеру и вычислительной мощности;  функциональным возможностям;  способности к параллельному выполнению программ и т. д. По   принципу   действия   вычислительные   машины   делятся   на   три   больших   класса   (рис.   3): аналоговые, цифровые и гибридные. Вычислительные машины АВМ АВМ АВМ Рисунок 3 – Классификация вычислительных машин по принципу действия Критерием деления вычислительных  машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис. 4): 1. ЦВМ  (цифровые   вычислительные   машины),   или   вычислительные   машины   дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме. 2. АВМ (аналоговые вычислительные машины), или вычислительные машины не прерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой­либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). 3. ГВМ  (гибридные   вычислительные   машины),   или   вычислительные   машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать   для   решения   задач   управления   сложными   быстро   действующими техническими комплексами. 11 Рисунок 4 – Две формы представления информации в вычислительных машинах В   экономике   (да   и   в   науке   и   технике)   наиболее   широкое   применение   получили   ЦВМ   с электрическим   представлением   дискретной   информации   –   электронные   цифровые   вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере. По этапам создания и элементной базе компьютеры условно делятся на поколения:  1­е поколение, 50­е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;  2­е   поколение,   60­е   годы:   ЭВМ   на   дискретных   полупроводниковых   приборах (транзисторах);  3­е   поколение,   70­е   годы:   компьютеры   на   полупроводниковых   интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе);  4­е   поколение,   80­90­е   годы:   компьютеры   на   больших   и   сверхбольших интегральных схемах, основная из которых – микропроцессор (десятки тысяч – миллионы активных элементов на одном кристалле).  5­е поколение, настоящее время: компьютеры со многими десятками параллельно работающих   микропроцессоров,   позволяющих   строить   эффективные   системы обработки   знаний;   компьютеры   на   сверхсложных   микропроцессорах   с параллельно­векторной   структурой,   одновременно   выполняющих   десятки последовательных инструкций программы.  6­е   и   последующие   поколения:   оптоэлектронные   компьютеры   с   массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки   тысяч)   несложных   микропроцессоров,   моделирующих   архитектуру нейронных биологических систем. По назначению компьютеры можно разделить на три группы (рис. 5): 1) универсальные (общего назначения); 2) проблемно­ориентированные; 3) специализированные. Вычислительные машины Универсальные Проблемно­ориентированные Специализированные Рисунок 5 – Классификация компьютеров по назначению Универсальные   компьютеры  предназначены   для   решения   самых   различных   инженерно­ технических, экономических, математических, информационных и им подобных задач. Характерными чертами универсальных компьютеров являются:  высокая производительность;  разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичные, десятичные, символьные – 12 при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;  обширная   номенклатура   выполняемых   операций,   как   арифметических, логических, так и специальных;  большая емкость оперативной памяти;  развитая   организация   системы   ввода­вывода   информации,   обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств. Проблемно­ориентированные   компьютеры  предназначены   для   решения   более   узкого   круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами и процессами; регистрацией, накоплением   и   обработкой   относительно   небольших   объемов   данных;   выполнением   расчетов   по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными, по сравнению с универсальными компьютерами, аппаратными и программными ресурсами. Специализированные компьютеры предназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация компьютеров позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности работы. К специализированным компьютерам можно отнести, например,   программируемые   микропроцессоры   специального   назначения;   адаптеры   и   контроллеры, выполняющие  логические  функции   управления   отдельными  несложными  техническими   устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем. Но размерам и вычислительной мощности компьютеры можно разделить на следующие классы (рис. 6): 1) сверхбольшие (суперкомпьютеры, суперЭВМ); 2) большие; 3) малые; 4) сверхмалые (микрокомпьютеры или микроЭВМ). Вычислительные машины СуперЭВМ Большие ЭВМ Малые ЭВМ МикроЭВМ Рисунок 6 –Классификация компьютеров по размерам и вычислительной мощности Функциональные возможности  компьютеров обусловлены следующими важнейшими технико­ эксплуатационными характеристиками:  быстродействие (измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени);  разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует компьютер;  номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;  номенклатура   и   технико­экономические   характеристики   внешних   устройств хранения, обмена и ввода­вывода информации;  типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов компьютера между собой (типы используемых внутримашинных интерфейсов);  способность компьютера одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять параллельно несколько программ (многозадачность);  типы   и   технико­эксплуатационные   характеристики   операционных   систем, используемых в машине;  наличие и функциональные возможности программного обеспечения;  способность выполнять программы, написанные для других типов компьютеров (программная совместимость с другими типами компьютеров);  система и структура машинных команд;  возможность подключения к каналам связи и к вычислительным сетям;  эксплуатационная надежность компьютера;  коэффициент   полезного   использования   компьютера   во   времени,   определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики. 13 4.1 Большие компьютеры Большие компьютеры за рубежом часто называют мэйнфреймами (mainframe); к ним относят, как правило, компьютеры, имеющие:  производительность не менее 100 MIPS;  основную память емкостью от 512 до 10 000 Мбайт;  внешнюю память не менее 100 Гбайт;  многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей). Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – решение научно­технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление – использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей – часто отмечается специалистами как наиболее актуальное. Родоначальником   современных   больших   компьютеров,   по   стандартам   которых   в   последние несколько десятилетий развивались машины этого класса в большинстве стран мира, являются машины фирмы  IBM. Модели  IBM  360 и  IBM  370 с их архитектурой и программным обеспечением взяты за основу и при создании отечественной системы больших машин ЕС ЭВМ. 14 Зарубежными фирмами рейтинг мэйнфреймов определяется по многим показателям, среди них: 1) надежность; 2) производительность; 3) емкость основной и внешней памяти; 4) время обращения к основной памяти; 5) время доступа и трансфер внешних запоминающих устройств; 6) характеристики кэш­памяти; 7) количество каналов и эффективность системы ввода­вывода; 8) аппаратная и программная совместимость с другими компьютерами; 9) поддержка сети и т. д. 4.2 Малые компьютеры Малые  компьютеры   (мини­ЭВМ)  –   надежные,   недорогие   и   удобные   в   эксплуатации компьютеры,  обладающие  несколько  более  низкими,  по  сравнению   с  мэйнфреймами,  возможностями. Мини­компьютеры  (и   наиболее   мощные   из   них  суперминикомпьютеры)  обладают   следующими характеристиками: 1) производительность – до 1000 MIPS; 2) емкость основной памяти – до 8000 Мбайт; 3) емкость дисковой памяти – до 1000 Гбайт; 4) число поддерживаемых пользователей – 16­1024. Все   модели   мини­компьютеров   разрабатываются   на   основе   микропроцессорных   наборов интегральных микросхем, 32,64 и 128­разрядных микропроцессоров. Основные их особенности:  широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения;  аппаратная   реализация   большинства   системных   функций   ввода­вывода информации;  простая реализация многопроцессорных и многомашинных систем;  высокая скорость обработки прерываний;  возможность работы с форматами данных различной длины. К достоинствам мини­ компьютеров можно отнести:  специфичную архитектуру с большой модульностью;  лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность/цена;  повышенную точность вычислений. 4.3 Микрокомпьютеры Микрокомпьютеры весьма многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить несколько подклассов (рис. 7). 15 МИКРОЭВМ Универсальные Специализированные Много­ пользовательские Одно­ пользовательские (персональные) Много­ пользовательские (серверы) Одно­ пользовательские (рабочие станции) Сетевые  компьютеры Рисунок 7 – Классификация микрокомпьютеров 1) Многопользовательские  микрокомпьютеры  –   это   мощные   микрокомпьютеры, оборудованные   несколькими   видеотерминалами   и   функционирующие   в   режиме разделения   времени,   что   позволяет   эффективно   работать   на   них   сразу   нескольким пользователям. 2) Персональные –   однопользовательские   микрокомпьютеры,   компьютеры  удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения. 3) Рабочие   станции    представляют   собой   однопользовательские микрокомпьютеры для работы в вычислительных сетях, часто специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и т. д.). (workstation) 4) Серверы  (server) – многопользовательские мощные микрокомпьютеры в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех рабочих станций сети. 5) Сетевые   компьютеры  (network  computer)   –   упрощенные   микрокомпьютеры, обеспечивающие работу в сети и доступ к сетевым ресурсам, часто специализированные на выполнение определенного вида работ (защита сети от несанкционированного доступа, организация просмотра сетевых ресурсов, электронной почты и т. д.). Персональные компьютеры Персональные компьютеры  (ПК) относятся к классу микрокомпьютеров, но ввиду их массовой распространенности   заслуживают   особого   внимания.   ПК   для   удовлетворения   требованиям общедоступности и универсальности применения должны обладать следующими качествами:  малая стоимость ПК, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;  автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;  гибкость   архитектуры,   обеспечивающая   ее   адаптируемость   к   разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;  дружественность   операционной   системы   и   прочего   программного   обеспечения, обусловливающая   возможность   работы   с   ней   пользователя   без   специальной профессиональной подготовки;  высокая надежность работы (более 5000 часов наработки на отказ). Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются  персональные компьютеры фирмы IBM, первые модели которых появились в 1981 году, и их аналоги других фирм; существенно уступают по популярности ПК фирмы Apple (Macintosh), занимающие по распространенности 2­е место. Персональные компьютеры можно классифицировать по ряду признаков. По поколениям персональные компьютеры делятся следующим образом:  1­го поколения – используют 8­битовые микропроцессоры; 16  2­го поколения – используют 16­битовые микропроцессоры;  3­го поколения – используют 32­битовые микропроцессоры;  4­го поколения – используют 64­битовые микропроцессоры. Классификация ПК по конструктивным особенностям показана на рис. 8. ПЕРСОНАЛЬНЫЕ ЭВМ Стационарные (настольные) Переносные Портативные ПК ПК­блокноты Карманные ПК Электронные секретари Электронные  записные  книжки Рисунок 8 – Классификация ПК по конструктивные особенностям 4.4 Суперкомпьютеры К   суперкомпьютерам  относятся   мощные   многопроцессорные   вычислительные   машины   с быстродействием   сотни   миллионов   –   десятки   миллиардов   операций   с  плавающей   запятой   в   секунду (Mflops). Суперкомпьютеры применяются для решения таких сложных вычислительных задач, как задачи обеспечения государственной безопасности, задачи исследования космоса, метеопрогнозы (в том числе предсказание   мощности   и  траекторий   движения   ураганов,   прогнозирование   глобального   потепления), биохимические   исследования   животных  и  человека,   контроль   работоспособности   ядерного   оружия   и надежности АЭС и др. Типовая модель современного суперкомпьютера:  высокопараллельная   многопроцессорная   вычислительная   система   с быстродействием более 100 000 Mflops;  емкость: оперативной памяти 20­500 Гбайт, дисковой памяти  1­10 Тбайт (1Тбайт = 1024 Гбайт);  разрядность 64­256 бит. Суперкомпьютеры создаются в виде высокопараллельных  многопроцессорных вычислительных систем (МПВС). Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей: 1. Магистральные (конвейерные) МПВС, у которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД, или MISD – Multiple Instruction Single Data). 2. Векторные  МПВС,   у   которых   все   процессоры   одновременно   выполняют   одну   команду   над различными данными – однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД, или SIMD – Single Instruction Multiple Data). 3. Матричные МПВС, у которых микропроцессоры одновременно выполняют разные операции над последовательными   потоками   обрабатываемых   данных   –   многократный   поток   команд   с многократным потоком данных (МКМД, или MIMD – Multiple Instruction Multiple Data). 17 ЧАСТЬ 2   ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ Информация   в   компьютере   кодируется   в   двоичной   или   в   двоично­десятичной   системах счисления. Система счисления  – способ именования и изображения чисел с помощью символов, имеющих определенные   количественные   значения.   В   зависимости   от   способа   изображения   чисел,   системы счисления делятся:  на позиционные;  непозиционные. В  позиционной  системе счисления количественное значение каждой цифры зависит от ее места (позиции)   в   числе.   В  непозиционной  системе   счисления   цифры   не   меняют   своего   количественного значения при изменении их расположения в числе. Количество (Р) различных цифр, используемых для изображения числа в позиционной системе счисления, называется основанием системы счисления. Значения цифр лежат в пределах от 0 до Р ­ 1. Двоичная система счисления имеет основание Р = 2 и использует для представления информации всего две цифры: 0 и 1. Существуют правила перевода чисел из одной системы счисления в другую. Например, двоичное число 101110,101 равно десятичному числу 46,625. 101110  101,  2  321220121 240 231 221 251 211 0 20 ,46  10 625 Практически перевод из двоичной системы в десятичную можно легко выполнить, надписав над каждым разрядом соответствующий ему вес и сложив затем произведения значений соответствующих цифр на их веса. Двоичное число 010000012 равно 6510. Действительно, Вес Цифра 128 0 64 1 32 0 16 0 8 0 11164  65 4 0 . 2 0 1 1 При переводе смешанного числа следует переводить его целую и дробную части отдельно. 1. Для   перевода   целой   части   числа   ее,   а   затем   целые   части   получающихся   частных   от деления следует последовательно делить на основание Р до тех пор, пока очередная целая часть частного не окажется равной 0. Остатки от деления, записанные последовательно справа налево, образуют целую часть числа в системе счисления с основанием Р. 2. Для перевода дробной части числа ее, а затем дробные части получающихся произведений следует   последовательно   умножать   на   основание  Р  до   тех   пор,   пока   очередная   дробная   часть произведения   не   окажется   равной   0   или   не   будет   достигнута  нужная   точность   дроби.   Целые   части произведений, записанные после запятой последовательно слева направо, образуют дробную часть числа в системе счисления с основанием Р. Рассмотрим перевод смешанного числа из десятичной в двоичную систему счисления на примере числа 46,625. Переводим целую часть числа: 46/2 = 23 (остаток 0). 23/2 = 11 (остаток 1). 11/2 = 5 (остаток 1). 5/2 = 2 (остаток 1). 2/2 = 1 (остаток 0). 1/2 = 0 (остаток 1). Записываем остатки последовательно справа налево – 101110, то есть 4610=1011102. Переводим дробную часть числа: 0,625 • 2 = 1,250. 0,250 • 2 =   0,500.   0,500   •   2   =   1,000.   Записываем   целые   части   получающихся   произведений   после   запятой последовательно слева направо – 0,101, то есть 0,62510 = 0,1012. Окончательно 46,62510= 101110,1012 . 18 ГЛАВА 5    Представление информации в вычислительных машинах 5.1 Представление чисел с фиксированной и плавающей запятой В вычислительных машинах применяются две формы представления двоичных чисел: 1. естественная форма, или форма с фиксированной запятой (точкой); 2. нормальная форма, или форма с плавающей запятой (точкой). В   форме   представления   с  фиксированной   запятой  все   числа   изображаются   в   виде последовательности цифр с постоянным для всех чисел положением запятой, отделяющей целую часть от дробной. Например: в десятичной системе счисления имеется 5 разрядов в целой части числа (до запятой) и 5 разрядов в дробной части числа (после запятой); числа, записанные в такую разрядную сетку, имеют вид: +00721,35500;  +00000,000328;  –10301,20260. Эта форма наиболее проста, естественна, но имеет небольшой диапазон представления чисел и поэтому чаще всего неприемлема при вычислениях. Диапазон значащих чисел N  в системе счисления с основанием Р при наличии т разрядов в целой части и s разрядов в дробной части числа (без учета знака числа) будет таким:  s P  PN m  s P . Например, при Р=2, m = 10 и s = 6 числа изменяются в диапазоне 0,015 < N< 1024. Если в результате операции получится число, выходящее за допустимые пределы, произойдет переполнение разрядной сетки, и дальнейшие вычисления теряют смысл. В современных компьютерах естественная форма представления используется как вспомогательная и только для целых чисел. В форме представления с  плавающей  запятой  каждое число изображается в виде двух групп цифр.   Первая   группа   цифр  называется  мантиссой,  вторая   –  порядком,  причем   абсолютная   величина мантиссы должна быть меньше 1, а порядок – целым числом. В общем виде число в форме с плавающей запятой может быть представлено так: N  rPM , где: М – мантисса числа (|М| < 1);  r – порядок числа (целое число); Р – основание системы счисления. Например, приведенные ранее числа в нормальной форме запишутся так:  10 103012026  328,0;10 721355 ,0;  10   ,0 3  3  5 . Следует  заметить,  что  все   числа  с  плавающей   запятой  хранятся   в  машине   в  так называемом нормализованном виде. Нормализованным называют такое число, в старшем разряде мантиссы которого стоит единица. У нормализованных двоичных чисел, следовательно, 0,5 < |M| < 1. 5.2 Двоично­десятичная система счисления Двоично­десятичная   система  счисления   получила   большое   распространение   в   современных компьютерах   ввиду   легкости   перевода   в   десятичную   систему   и   обратно.   Она   используется   там,   где основное   внимание   уделяется   не   простоте   технического   построения   машины,   а   удобству   работы пользователя.   В   этой   системе   счисления   все   десятичные   цифры   отдельно   кодируются   четырьмя двоичными цифрами и в таком виде записываются последовательно друг за другом. В   наиболее   часто   используемой   естественной   двоично­кодированной   десятичной   системе счисления веса двоичных разрядов внутри тетрады естественны, то есть 8, 4, 2, 1 (табл. 2). Таблица 2 – Таблица двоичных кодов десятичных и шестнадцатеричных цифр Цифра Цифра Код 0 1 2 3 4 5 6 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 8 9 А В С D E 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 Код 19 101110 + 001011 111001      101101          х101      101101    000000  101101 Результат Умножение Результат (произведение) Результат Деление 101110 – 001011 100011 101101                 /101        01        010        0101 7 0111 F 1111 Например, 1001011100000011.   десятичное   число   9703   в   двоично­десятичной   системе   выглядит   так: 5.3 Шестнадцатеричная система счисления При   программировании   иногда   используется  шестнадцатеричная   система   счисления,  перевод чисел из которой в двоичную систему счисления весьма прост – он выполняется поразрядно (аналогично переводу  из двоично­десятичной системы).  Для изображения цифр, больших 9, в шестнадцатеричной системе счисления применяются буквы: А = 10, В = 11, С = 12, D = 13, Е = 14, F = 15. Например, шестнадцатеричное число F17B в двоичной системе выглядит так: 1111000101111011. 5.4   Выполнение   арифметических   операций   в   компьютере.   Особенности   выполнения операций над числами с плавающей запятой Правила   выполнения   арифметических   операций   в   двоичной   системе   счисления   аналогичны правилам выполнения операций в десятичной системе счисления. Например: Сложение Вычитание  11100001 Результат (частное)                         1001 Следует   кратко   остановиться   на   выполнении   операций   над   числами   с   плавающей   запятой (точкой).   При  сложении   (вычитании)  чисел   с   одинаковыми   порядками   их   мантиссы   складываются (вычитаются), а результату присваивается порядок, общий для исходных чисел. Если порядки исходных чисел разные, то сначала эти порядки выравниваются (число с меньшим порядком приводится к числу с большим порядком), затем выполняется операция сложения (вычитания) мантисс. Если при выполнении операции   сложения   мантисс   возникает   переполнение,   то   сумма   мантисс   сдвигается   вправо   на   один разряд, а порядок суммы увеличивается на 1. При  умножении  чисел   с   плавающей   запятой   их   мантиссы   перемножаются,   а   порядки складываются.   При  делении  чисел   с   плавающей   запятой   мантисса   делимого   делится   на   мантиссу делителя, а для получения порядка частного из порядка делимого вычитается порядок делителя. При этом если мантисса делимого больше мантиссы делителя, то мантисса частного окажется больше   1   (происходит   переполнение)   и   ее   следует   сдвинуть   на   один   разряд   вправо,   одновременно увеличив на единицу порядок частного. 5.5 Особенности представления информации в ПК Числовая информация внутри ПК кодируется в двоичной или в двоично­десятичной системах счисления;   при   вводе   и   выводе   любой   информации   используются   специальные   коды   представления информации   –   коды  ASCII,   эти   же   коды   применяются   для   кодирования   буквенной   и   символьной информации и внутри ПК. Для  удобства  работы  введены   следующие  термины  для  обозначения  совокупностей   двоичных разрядов   (см.   табл.   3).   Эти   термины   обычно   используются   в   качестве   единиц   измерения   объемов информации, хранимой или обрабатываемой в компьютере. Таблица 3 – Двоичные совокупности Количество двоичных разрядов в группе Наименование единицы измерения 1 8 Бит Байт 20 16 81024 810242 810243 810244 810245 Параграф Кбайт (килобайт) Мбайт (мегабайт) Гбайт (гигабайт) Тбайт (терабайт) Пбайт (петабайт) 21 ГЛАВА 6   Логические основы построения вычислительной машины, элементы и узлы В вычислительных машинах коды нуля и единицы представляются электрическими сигналами, имеющими   два   различных   состояния.   Наиболее   распространенными   способами   физического представления информации являются импульсный и потенциальный:  импульс или его отсутствие;  высокий или низкий потенциал;  высокий потенциал или его отсутствие. При импульсном способе отображения код единицы идентифицируется наличием электрического импульса, код нуля – его отсутствием (впрочем, может быть и наоборот). Импульс характеризуется амплитудой и длительностью, причем длительность должна быть меньше временного такта машины. При потенциальном способе отображения код единицы – это высокий уровень напряжения, а код нуля – отсутствие сигнала или низкий его уровень. Уровень напряжения не меняется в течение всего такта работы машины. Форма и амплитуда сигнала при этом во внимание не принимаются, а фиксируется лишь сам факт наличия или отсутствия потенциала. 6.1 Электронные технологии и элементы, применяемые в ЭВМ Электронные   технологии   и   элементы,   на   основе   которых   создавались   ЭВМ,   многократно изменялись. Машины   первого   поколения   строились   на   электронных   лампах,   второго   –   на   дискретных полупроводниковых   приборах   (диодах   и   триодах   –   транзисторах),   третьего   и   последующих   –   на интегральных полупроводниковых схемах. Изменялись электронные полупроводниковые элементы по виду используемых элементов, типу связей между транзисторами. В частности, использовались следующие системы элементов:  резисторно­диодные;  резисторно­транзисторные;  феррито­транзисторные;  диодно­транзисторные;  транзисторно­транзисторные. Наибольшее   распространение   в   современных   интегральных   схемах   получили   транзисторно­ транзисторные   системы   элементов   (ТТЛ   –   транзисторно­транзисторная   логика),   в   которых   роль резисторов и диодов выполняют транзисторы с фиксированными напряжениями на своих электродах. В   этой   системе   обеспечивается   полная   однородность   структуры   микросхем   –   они   содержат только транзисторы, что облегчает технологию их изготовления. Полевые транзисторы Полевые транзисторы имеют три электрода:  затвор (аналог базы биполярных транзисторов);  исток (аналог эмиттера);  сток (аналог коллектора). Затвор   электрически   изолирован   от   прочих   электродов   пленкой   оксида   кремния,   управляет протеканием тока между истоком и стоком не путем диффузии электронов (как в npn­транзисторах) или дырок (как pnp­транзисторах), а создаваемым им электростатическим полем. Поэтому МОП­транзисторы и называются полевыми. Униполярные транзисторы имеют большее быстродействие, нежели биполярные, ибо механизм их работы   не   связан   с   медленными   диффузионными   процессами.   Элементы   транзистора   размещены   на плоской кремниевой подложке (см. рис. 9). 22 Рисунок 9 – Структура полевого транзистора Изменялась и архитектура систем логических элементов. Полевые транзисторы имеют несколько разновидностей: 1. nМОП; 2. pМОП; 3. МОП с дополнительной симметрией (КМОП­транзисторы – комплементарная структура металл­ оксид­полупроводник). В   настоящее   время   КМОП­транзисторы   применяются   и   в   системах   оперативной   памяти,   и   в системах   флэш­памяти.   В   модулях   оперативной   памяти   для   хранения   одного   бита   информации используется конденсатор с – «паразитная» емкость, имеющаяся между электродами транзистора (рис. 10.). Величина заряда этой емкости определяет хранимый бит: наличие заряда – «0», отсутствие заряда – «1» (иногда наоборот). Рисунок 10 – Элемент памяти на полевых транзисторах Управление схемой осуществляется:  при  записи  информации   –   подачей   потенциала   на   адресную   шину  1  и записываемого бита по информационной шине 2,  при считывании информации – подачей потенциала на адресную шину 3 и анализом изменения потенциала на выходной шине 4. Для сохранения заряда емкости необходима постоянная его регенерация  с периодом десятки миллисекунд. Поэтому такая память является энергозависимой и называется динамической. Планарные микросхемы Изготавливаются   интегральные   схемы   с   МОП­транзисторами   по  планарной   технологии:  на поверхность   пластины   из   полупроводника   (кремния)   наносится   защитный   слой   диэлектрика   (обычно путем   окисления   поверхности   для   образования   пленки   из   двуокиси   кремния),   в   котором   методами фотолитографии   вскрывают   микроокна.   Поверх   слоя   диэлектрика   наносится   металлическая   пленка, имеющая   в   окнах   контакт   с   поверхностью   полупроводника.   Через   окна   для   создания   электронно­ дырочных   переходов   нужной  (n­  или  p­)   полярности   проводится   диффузия   материалов­доноров   или материалов­акцепторов электронов. Так как кремний – четырехвалентный химический элемент, то для образования p­областей используются трехвалентные материалы (бор, галлий, алюминий), а для создания n­областей – пятивалентные материалы (сурьма, мышьяк, фосфор). Параметры   транзисторов   зависят   от   масштаба   технологического   процесса   их   изготовления (масштаба технологии), который непрерывно уменьшается. Уменьшение размеров транзисторов повышает плотность их размещения, уменьшает паразитные индуктивности и емкости электродов и позволяет повысить рабочую частоту микросхемы. Но при этом миниатюризация транзисторов (в ряде случаев толщина изолирующих слоев в транзисторе сопоставима с размерами   атомов)   приводит   к   росту   паразитных   токов   утечки,   что,   в   свою   очередь,   повышает энергопотребление   и   снижает   устойчивость   работы   схемы.   Снижение   напряжения   питания   схемы уменьшает разогрев схем только частично, а мощность токов утечки может достигать сотен ватт. Уменьшение токов утечки достигается следующими способами:  использование   медных   проводников   (вместо   имеющих   большее   удельное  электрическое сопротивление алюминиевых); применение   технологии   напряженного   (растянутого)   кремния   –  strained  Si (увеличение   расстояния   между   атомами   кристаллической   решетки   уменьшает удельное электрическое сопротивление). Электронные и логические схемы некоторых базовых компонентов компьютера Логические операции  AND,  OR  и  NOT  достаточно просто технически выполняются на любых системах элементов:  и на электронных лампах,  и на дискретных полупроводниковых  элементах,  и в 23 интегральных   схемах.   Существуют   многочисленные   справочники,   позволяющие   выбрать   подходящий вариант их технической реализации. Будем   считать,   что   «1»   представляется   наличием   положительного   импульса,   а   «0»   –   его отсутствием. Простейшие принципиальные электрические схемы OR и AND на резисторно­диодных элементах и схема NOT на биполярном транзисторе показаны на рис. 11.          а) б) в) Рисунок 11 – Схемы OR, AND, NOT на диодах и биполярном транзисторе Пояснения   к   схеме  OR:   положительный   импульс   на   выходе   возникает   при   появлении положительного импульса на любом  (а,  b, с)  входе, так как внутреннее сопротивление диода в прямом направлении мало (много меньше R). Пояснения   к   схеме  AND:   положительный   импульс   на   выходе   возникает   только   при одновременном наличии положительных импульсов на всех трех (а, b, с) входах. При отсутствии хотя бы одного входного импульса соответствующий ему диод будет открыт и замкнет питающее напряжение +Е через внутренние сопротивления диода и источника входного сигнала (они много меньше R) на «землю». Пояснение к схеме  NOT: при подаче на вход (базу)  npn­транзистора положительного импульса триод откроется и на выходе (коллекторе) напряжение с высокого снизится практически до нуля. Триггеры Среди многих элементарных схем в компьютере наибольшее распространение получила схема триггера   –   статического   запоминающего   и   логического   элемента.   На   триггерах   строятся   системы статической памяти, регистры, счетчики, делители частоты и еще множество других компьютерных схем. Триггер  – элемент, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний, условно именуемых состояниями «0» и «1». Триггер имеет также два выхода:  выход «0»;  выход «1». Если триггер находится в состоянии «0», то у него на выходе q «высокое» напряжение (порядка нескольких вольт или даже меньше), на выходе  q  низкое (обычно нулевое) напряжение; если триггер находится в состоянии «0», то напряжения распределены наоборот. Триггеры могут иметь раздельные входы: 1) R (Reset) – вход установки «0»; 2) S (Set) – вход установки «1». Каждый   вход   устанавливает   триггер   в   соответствующее   состояние,   такие   триггеры   часто называют R­S­триггерами. Триггер,   установленный   в   какое­либо   состояние,   сохраняет   его   до   тех   пор,   пока   импульс, поданный на один из входов, не изменит это состояние. Регистры Триггеры   используются   при   организации   запоминающих   регистров   и   счетчиков.   При   этом   в регистрах   обычно   используются   триггеры   с   раздельными   входами,   а   в   счетчиках   –   со   счетными. Считывание информации с триггеров обычно выполняется с помощью схем AND. Работа регистра: 1. Считывание   информации   из   регистра:   при   подаче   импульса   считывания, опрашивающего схемы  AND  всех триггеров, на разрядные выходы а, поступит «1» через те вентили, триггеры которых были в состоянии «1». 2. Запись информации в регистр может выполняться в однотактном или двухтактном режимах. В однотактном режиме на соответствующий вход каждого триггера подается 24 «1».   В   двухтактном   режиме   все   входы  R  всех   триггеров   подключаются   к  одному проводу установки «0», по которому сначала все триггеры обнуляются, а затем на входы S тех триггеров, которые нужно установить в «1», подается соответствующий импульс. 25 Счетчики На   счетный   вход   каждого   следующего   триггера   через   вентили   пройдет   импульс   со   входа счетчика, только если все предыдущие триггеры стояли в состоянии «1». Импульс обнуления счетчика формируется от каждого 10­го импульса, поступающего на вход счетчика (при наличии в счетчике кода 1001, то есть 9). Запись информации в счетчик не через счетный вход и считывание показаний счетчика выполняются так же, как в двоичном регистре. 6.2 Узлы ЭВМ Узлами  ЭВМ  являются  стандартизованные  наборы логических  элементов,   из  которых,   как  из «кирпичиков», набираются схемы, входящие в состав микропроцессоров, блоков памяти, контроллеров внешних устройств и пр. Узлы ЭВМ разделяются на: 1) комбинационные, или узлы, выходные сигналы которых определяются только сигналом на входе, действующим   в   настоящий   момент   времени   (например,   дешифратор).   Выходной   сигнал дешифратора зависит только от двоичного кода, поданного на вход в настоящий момент времени. Комбинационные узлы называют также автоматами без памяти; 2) последовательностные (автоматы с памятью) – это узлы, выходной сигнал которых зависит не только от комбинации входных сигналов, действующих в настоящий момент времени, но и от предыдущего состояния узла (счетчик); 3) программируемые узлы функционируют в зависимости от того, какая программа в них записана. Например, программируемая логическая матрица (ПЛМ), которая в зависимости от встроенной («прожженной») в ней программы может выполнять функции сумматора, дешифратора, ПЗУ. Сумматоры Многоразрядный   сумматор   процессора   состоит   из   полных   одноразрядных   сумматоров.   На каждый разряд ставится одноразрядный сумматор, причем выход (перенос) сумматора младшего разряда подключен ко входу сумматора старшего разряда. Сумматор может быть построен в двух вариантах:  комбинационная схема (последовательный сумматор);  последовательностная схема (накапливающий сумматор).  Последовательный   сумматор   осуществляет   суммирование   слагаемых   и   цифр   переноса поразрядно начиная с младшего разряда. Основой его схемы является одноразрядный сумматор. В  параллельном   сумматоре  все   разряды   операндов   суммируются   одновременно,   но быстродействие снижается за счет времени передачи цифры переноса из младшего разряда/ Накапливающий  сумматор  является автоматом с памятью, т. е. слагаемые могут приходить поочередно   в   произвольные   моменты   времени   и   запоминаться   в   линиях   задержки   или   триггерах. Накапливающий сумматор применяется в асинхронных устройствах, в которых слагаемые не привязаны к тактам тактового генератора. Дешифраторы Схемы предназначаются для преобразования двоичного кода на входе в управляющий сигнал на одном из выходов. Дешифраторы   могут   быть  линейными  и  многокаскадными.   У  линейных   дешифраторов  все переменные подаются на вход одновременно. Они обладают более высоким быстродействием, но более трех   переменных   одновременно   подать   нельзя,   поэтому   чаще   применяются  многокаскадные дешифраторы. Здесь количество элементов в каждом следующем разряде больше, чем в предыдущем. На вход первого каскада  подается  один слог, на вход следующего  каскада – второй слог и результаты конъюнкций, произведенных в первом каскаде. Простейший   линейный   дешифратор   можно   построить   на  диодной   матрице.  В   этой   схеме используется отрицательная логика. При подаче «1» на анод (коллектор) диода он закрывается. Если закрыты все три диода, подсоединенные к одной горизонтальной линии, то на этой линии появляется потенциал –Е, соответствующий уровню «1». Многокаскадный   дешифратор   можно   организовать     следующим   образом.   Два   линейных дешифратора   обрабатывают   по   два   слова.   В   последнем   каскаде   образуются   конъюнкции   выходного сигнала первого каскада. Многокаскадные дешифраторы обладают меньшим быстродействием. 26 6.3 Логические операции, выполняемые в компьютере В перечень машинных команд, которые используются при программировании, обязательно входят и некоторые логические операции. Чаще всего это операции  OR  (ИЛИ),  AND  (И),  NOT  (HE) и  XOR (сложение по модулю 2, иначе – исключающее ИЛИ). OR (ИЛИ) – логическое сложение Таблица истинности операции OR: 0 0 0 a b a OR b 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Команда выполняет поразрядную дизъюнкцию (логическое сложение – операцию OR) битов двух чисел;   устанавливает   1   в   тех   битах   результата,   в   которых   была   1   хотя   бы   у   одного   из   исходных операндов. AND (И) – логическое умножение Команда выполняет поразрядную конъюнкцию (логическое умножение – операцию  AND) битов двух чисел; устанавливает 1 в тех битах результата, в которых у обоих исходных операндов были 1. Таблица истинности операции AND: 0 0 0 a b a AND b 0 1 0 1 0 0 1 1 1 XOR (исключающее ИЛИ) Команда выполняет операцию сложения по модулю 2 (отрицание равнозначности), устанавливает 1 в тех битах результата, в которых исходные числа отличались друг от друга. Таблица истинности операции XOR 0 0 0 a b a XOR b 0 1 1 1 0 1 1 1 0 NOT (HE) – операция отрицания Команда   устанавливает   обратное   значение   битов   в   числе   (операция   инверсии).   Таблица истинности операции NOT: a NOT a 0 0 0 1 1 0 1 1 6.4 Алгоритмы и программы Алгоритм есть совокупность четко определенных правил, процедур или команд, обеспечивающих решение поставленной задачи за конечное число шагов. Способы записи алгоритмов Алгоритм   должен   быть   понятен   (доступен)   пользователю   и/или   машине.   Доступность пользователю   означает,   что   он   обязан   отображаться   посредством   конкретных   формализованных изобразительных   средств,   понятных   пользователю.   В   качестве   таких   изобразительных   средств используются следующие способы их записи:  словесный;  формульный;  табличный;  операторный;  графический;  макроязык программирования. При словесном способе записи содержание последовательных этапов алгоритма описывается в произвольной форме на естественном языке. 27 Формульный способ основан на строго формализованном аналитическом задании необходимых для исполнения действий. Табличный способ подразумевает отображение алгоритма в виде таблиц, использующих аппарат реляционного исчисления и алгебру логики для задания подлежащих исполнению взаимных связей между данными, содержащимися в таблице. Операторный способ базируется на использовании для отображения алгоритма условного набора специальных   операторов:   арифметических,   логических,   печати,   ввода   данных   и   т.   д.;   операторы снабжаются   индексами   и  между  ними  указываются   необходимые  переходы,   а сами индексированные операторы описываются чаще всего в табличной форме. Классификация и свойства алгоритмов Алгоритмы, в соответствии с которыми решение поставленных задач сводится к арифметическим действиям, называются численными алгоритмами. Алгоритмы,   в   соответствии   с   которыми   решение   поставленных   задач   сводится   к   логическим действиям, называются  логическими алгоритмами.  Примерами логических алгоритмов могут служить алгоритмы поиска минимального числа, поиска пути на графе, в лабиринте и др. Алгоритмом   является   последовательность   четких   однозначных   указаний,   которые,   будучи применены   к   определенным   имеющимся   данным,   обеспечивают   получение   требуемого   результата. Данными называют все величины, участвующие в решении задачи. Данные, известные перед выполнением алгоритма,   являются   начальными,  исходными   данными.  Результат   решения   задачи   –   это   конечные, выходные данные. Каждое указание алгоритма предписывает исполнителю выполнить одно конкретное законченное действие. Исполнитель не может перейти к выполнению следующей операции, не закончив полностью выполнения предыдущей. Предписания алгоритма надо выполнять последовательно одно за другим, в соответствии с указанным порядком их записи. Выполнение всех предписаний гарантирует правильное решение задачи. Поочередное выполнение команд алгоритма за конечное число шагов приводит к решению задачи, к   достижению   цели.   Разделение   выполнения   решения   задачи   на   отдельные   операции   (выполняемые исполнителем по определенным командам) – важное свойство алгоритмов, называемое дискретностью. Анализ   примеров   различных   алгоритмов   показывает,   что   запись   алгоритма   распадается   на отдельные указания исполнителю выполнить некоторое законченное действие. Каждое такое указание называется командой. Команды алгоритма выполняются одна за другой. После каждого шага исполнения алгоритма точно известно, какая команда должна выполняться следующей. Алгоритм представляет собой последовательность   команд   (также   –   инструкций,   директив),   определяющих   действия   исполнителя (субъекта или управляемого объекта). Таким образом, выполняя алгоритм, исполнитель может не вникать в смысл того, что он делает, и вместе с тем получать нужный результат. В таком случае говорят, что исполнитель действует формально, т. е. отвлекается от содержания поставленной задачи и только строго выполняет некоторые правила, инструкции. Каждый алгоритм строится в расчете на некоторого исполнителя. Для того чтобы исполнитель мог решить задачу по заданному алгоритму, необходимо, чтобы он был в состоянии понять и выполнить каждое действие, предписываемое командами алгоритма. Каждая команда алгоритма должна определять однозначное   действие   исполнителя.   Такое   свойство   алгоритмов   называется  определенностью   (или точностью) алгоритма. Алгоритм,  составленный  для конкретного  исполнителя,  должен  включать  только те команды, которые входят в его систему команд. Это свойство алгоритма называется понятностью. Алгоритм не должен   быть   рассчитан   на   принятие   каких­либо   самостоятельных   решений   исполнителем,   не предусмотренных составлением алгоритма. Еще   одно   важное   требование,   предъявляемое   к   алгоритмам,   –  результативность   (или конечность) алгоритма. Оно означает, что исполнение алгоритма должно закончиться за конечное число шагов. Поскольку разработка алгоритмов – процесс творческий, требующий умственных усилий и затрат времени,   предпочтительно   разрабатывать   алгоритмы,   обеспечивающие   решения   всего   класса   задач данного типа. Например, если составляется алгоритм решения кубического уравнения ах3 + bх2 + сх + d = 0, то он должен быть  вариативен,  т. е. обеспечивать возможность решения для любых допустимых исходных   значений   коэффициентов  а,  b,   с,  d.  Про   такой   алгоритм   говорят,   что   он   удовлетворяет требованию  массовости.  Свойство  массовости   не   является   необходимым   свойством   алгоритма.   Оно 28 скорее   определяет   качество   алгоритма;   в   то  же  время   свойства   точности,   понятности   и  конечности являются необходимыми (иначе это не алгоритм). 29 ЧАСТЬ 3   ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ ГЛАВА 7   Архитектура и структура вычислительных машин и систем 7.1 Базовые представления об архитектуре ЭВМ Архитектурой  компьютера   считается   его   представление   на   некотором   общем   уровне, включающее   описание   пользовательских   возможностей   программирования,   системы   команд,   системы адресации, организации памяти и т. д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи   и   взаимное   соединение   основных   логических   узлов   компьютера:  процессора,   оперативного запоминающего   устройства   (ОЗУ,   ОП),   внешних   ЗУ   и   периферийных   устройств.  Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших   схем.   Структура   компьютера   графически   представляется   в   виде   структурных   схем,   с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Принципы (архитектура) фон Неймана В   основу   построения   большинства   компьютеров   положены   следующие   общие   принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом. 1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка   программы   из   памяти   осуществляется   с   помощью  счетчика   команд.  Этот   регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если   после   выполнения   команды   следует   перейти   не   к   следующей,   а   к   какой­то   другой, используются команды  условного или безусловного переходов (ветвления),  которые заносят в счетчик команд   номер   ячейки   памяти,   содержащей   следующую   команду.   Выборка   команд   из   памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека. 2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами   можно   выполнять   такие   же   действия,   как   и   над   данными.   Это   открывает   целый   ряд возможностей.   Например,   программа   в   процессе   своего   выполнения   также   может   подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции  –   перевода   текста   программы   с   языка   программирования   высокого   уровня   на   язык конкретной машины. 3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена   областям   памяти,   так,   чтобы   к   запомненным   в   них   значениям   можно   было   впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен. Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон­неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся  от фон­неймановских. Здесь, например, может   не   выполняться   принцип   программного   управления,   т.   е.   они   могут   работать   без  счетчика (регистра адреса) команд, указывающего на выполняемую команду программы. Логические узлы (агрегаты) ЭВМ, простейшие типы архитектур Центральное   устройство.   ЦУ   представляет   основную   компоненту   ЭВМ   и,   в   свою   очередь, включает ЦП – Центральный процессор (central  processing  unit  –  CPU) и ОП – оперативную  (главную) память (main storage, core storage, random access memory – RAM). Процессор   непосредственно   реализует   операции   обработки   информации   и   управления вычислительным процессом, осуществляя выборку машинных команд и данных из оперативной памяти и запись в ОП, включение и отключение ВУ. Основными блоками процессора являются:  устройство управления (УУ) с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины); 30  арифметико­логическое устройство (АЛУ);  процессорная память (внутренний кэш). Оперативная   память   предназначена   для   временного   хранения   данных   и   программ   в   процессе выполнения вычислительных и логических операций. ЦУ описывается следующими характеристиками:  длина машинного слова (разрядность, адресность);  система команд;  объем ОП;  быстродействие (тактовая частота процессора, цикл записи/считывания ОП). Внешние   устройства   (ВУ).   ВУ   обеспечивают   эффективное   взаимодействие   компьютера   с окружающей средой – пользователями, объектами управления, другими машинами. ВУ разделяются на следующие группы:  интерактивные устройства (ввода/вывода);  устройства хранения (массовые накопители);  устройства массового ввода информации;  устройства массового вывода информации. В  специализированных  управляющих   ЭВМ   (технологические   процессы,   связь,   ракеты   и   пр.) внешними устройствами ввода являются датчики (температуры, давления, расстояния и пр.), вывода – манипуляторы (гидро­, пневмо­, сервоприводы рулей, вентилей и др.). В  универсальных  ЭВМ (человеко­машинная обработка информации) в качестве ВУ выступают терминалы, принтеры и др. устройства. Каналы связи (внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения центральных узлов машины с ее внешними устройствами. Если   абстрагироваться   от   подробностей,   то   основные   классические   типы   архитектур   можно определить как следующие: «звезда», иерархическая, магистральная. Архитектура   «звезда».  Здесь   ЦУ  соединено   непосредственно   с   ВУ   и   управляет   их   работой (ранние модели машин). Классическая   архитектура   (фон   Неймана)   –   одно   арифметико­логическое   устройство   (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер. Вычислительная   машина   включает   пять   базовых   компонент   и   состоит   из   следующих   типов устройств:  центральный процессор (ЦП), включающий АЛУ и УУ;  запоминающие устройства – память, в том числе оперативная (ОП) и внешние ЗУ;  устройства ввода и устройства вывода информации – внешние (периферийные)  устройства (ВУ). Иерархическая   архитектура  –   ЦУ   соединено   с   периферийными   процессорами (вспомогательными  процессорами,  каналами  и пр.),  управляющими  в свою очередь контроллерами,  к которым подключены группы ВУ (системы IBM 360–375); Магистральная структура  – процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимодействуют между собой и с ВУ (контроллерами ВУ) через внутренний канал, общий для всех устройств. К   этому   типу   архитектуры   относится   также   архитектура   персонального   компьютера: функциональные   блоки   здесь   связаны   между   собой   общей   шиной,   называемой   также   системной магистралью. Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. Периферийные   устройства  (принтер   и   др.)   подключаются   к   аппаратуре   компьютера   через специальные контроллеры – устройства управления периферийными устройствами. Контроллер  – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования. Все перечисленные архитектурные элементы ЭВМ базируются на следующих схемных элементах и базовых узлах): 1) память обычно использует возможности и свойства триггера или его аналогов; 31 2) счетчик (регистр) адреса команд, очевидно, есть схемный узел «счетчик»; 3) сумматор – или полный сумматор, или полусумматор; 4) дешифратор (например, команд) тоже здесь присутствует. 7.2 Процессор, структура и функционирование В большинстве машин реализованы принципы фон Неймана в следующем виде: 1) оперативная   память   (ОП)  организована   как   совокупность  машинных   слов   (МС) фиксированной длины или разрядности  (имеется в виду количество двоичных единиц или бит, содержащихся в каждом МС). Например, ранние ПЭВМ имели разрядность 8, затем   появились   16­разрядные,   а   затем   –   32­   и   64­разрядные   машины.   В   свое   время существовали также 45­разрядные (М­20, М­220), 35­разрядные (Минск­22, Минск­32) и др. машины; 2) ОП   образует   единое   адресное   пространство,   адреса   МС   возрастают   от   младших   к старшим; 3) в ОП размещаются как данные, так и программы, причем в области данных одно слово, как   правило,   соответствует   одному   числу,   а   в   области   программы   –   одной   команде (машинной инструкции – минимальному и неделимому элементу программы); 4) команды выполняются в  естественной последовательности  (по возрастанию адресов в ОП),   пока   не   встретится  команда   управления  (условного/безусловного   перехода,   или ветвления – branch), в результате которой естественная последовательность нарушится; 5) ЦП может произвольно обращаться к любым адресам в ОП для выборки и/или записи в МС чисел или команд. Абстрактное центральное устройство АЛУ которого предназначено для обработки целых чисел и битовых строк (рис. 12). Устройство управления (УУ) Сумматор Регистр команды (РК)  Регистр команды (РК) Регистр адреса (РА1, РА2, …) Регистр адреса команды (РАК, СчАК) Регистр результата Индексные регистры (ИР1, ИР2, …) Базисные регистры (БР1, БР2, …) Команда КО П ИР Б Р Адресность А2 А3 … А1 Главная память Число­1 Число­2 Структура абстрактного ЭВМ  –   описание (instruction) необходимо   выполнить. начинается с кода операции необходимые  адреса, который   определяет организацию,   код,   длину, адресов.   Длина   различных одинаковой, так и разной. подразделяются на логические,   ввода/вывода, команда   выполняется   в несколько тактов. взаимосвязанных   команд макрокомандой. макрокоманд   обеспечивает упрощает   механизм   Регистровая память Рисунок 12 – центрального устройства Команда     которую операции, Каждая команда (КОП),  содержит Программы характеризуется форматом, Ak   ее структуру   команды, Ak+1 метод расположения команд   может   быть   как Команды Данные арифметические, A1 передачи   данных.   Каждая компьютере   за   один   либо Старший адрес Последовательность A2   именуется Использование программирование вставки добавлений в программы (см. далее макроассемблер, MASM). Разрядность и   Цикл процессора – период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде; состоит из нескольких тактов. Такт  работы   процессора   –   промежуток   времени   между   соседними   импульсами  генератора тактовых импульсов, частота которых есть тактовая частота процессора. Эта частота является одной из основных характеристик компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется за определенное количество тактов. Выполнение короткой команды (арифметика с фиксированной точкой, логические операции), о 32 которых речь здесь и пойдет, обычно занимает пять тактов:  выборка команды;  расшифровка кода операции (декодирование);  генерация адреса и выборка данных из памяти;  выполнение операции;  запись результата в память. Процедура,   соответствующая   такту,   реализуется   определенной   логической   цепью   (схемой) процессора, обычно именуемой микропрограммой. Регистры   –  устройства,   предназначенные   для   временного   хранения   данных   ограниченного размера. Важной характеристикой регистра является высокая скорость приема и выдачи данных. Регистр состоит   из   разрядов,   в   которые   можно   быстро   записывать,   запоминать   и   считывать   слово,   команду, двоичное   число   и   т.   д.   Обычно   регистр   имеет   ту   же   разрядность,   что   и   машинное   слово.   Регистр, накапливающий данные, именуют аккумулятором. Регистр,   обладающий   способностью   перемещать   содержимое   своих   разрядов,   называют сдвиговым.  В этих регистрах за один такт хранимое слово поразрядно сдвигается на одну позицию. Сдвиговые регистры используются при обработке данных, кодировании и декодировании. Некоторые   регистры   служат  счетчиками.  Счетчик   является   устройством,   которое   на   своих выходах выдает (в двоичной форме) сумму числа импульсов, подаваемых на его единственный вход. Максимальное число импульсов, которое счетчик может подсчитать, называется его емкостью. Регистры   общего   назначения  (РОН)   –   (General  Purpose  Registers)   –   общее   название   для регистров, которые временно содержат данные, передаваемые или принимаемые из памяти. Регистр   команды  (РК),(Instruction  Register  –  IR)   служит   для   размещения   текущей   команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора. Регистр (РАК), счетчик (СчАК) адреса команды (Program Counter – PC) – регистр, содержащий адрес текущей команды. Регистр адреса (числа)  – РА(Ч) – содержит адрес одного из операндов выполняемой команды (регистров может быть несколько). Регистр числа (РЧ) – содержит операнд выполняемой команды, РЧ также несколько. Регистр результата (РР) – предназначается для хранения результата выполнения команды. Сумматор  –   регистр,   осуществляющий   операции   сложения   (логического   и   арифметического двоичного) чисел или битовых строк, представленных в  прямом или обратном коде  (иногда РЧ и РР включают в состав сумматора). Цикл выполнения команды может выглядеть следующим образом. 1. В соответствии с содержимым СчАК (адрес очередной команды) УУ извлекает из ОП очередную команду и помещает ее в РК. Некоторые   команды   УУ   обрабатывает   самостоятельно,   без   привлечения   АЛУ   (например,   по команде «перейти по адресу 2478», величина 2478 сразу заносится в СЧАК и процессор переходит к выполнению следующей команды. Типичная команда содержит:  код операции (КОП) – характеризующий тип выполняемого действия (сложение, вычитание и пр. чисел; сравнение строк; передача управления, обращение к ВУ и пр.);  номера   индексного   (ИР)   и   базисного   (БР)   регистров   (в   некоторых   машинах   – адреса слов, ячеек ОП, в которых размещена соответствующая информация);  адреса   операндов  Al,  A2   и   т.   д.,   участвующих   в   выполнении   команды   (чисел, строк, других команд программы). 2. 3. 4. Осуществляется расшифровка (декодирование) команды. Адреса Al, A2 и пр. помещаются в регистры адреса. Если в команде указаны ИР или БР, то их содержимое используется для модификации РА – фактически выбираются числа или команды, смещенные в ту или иную сторону по отношению к адресу, указанному в команде. 33 При этом ИР используются для текущего изменения адреса, связанного с работой программы (например, при обработке массива чисел). БР используется для глобального смещения программы или данных в ОП. По значениям РА осуществляется чтение чисел (строк) и помещение их в РЧ. Выполнение операции (арифметической, логической и пр.) и помещение результата в PP. Запись результата по одному из адресов (если необходимо). Увеличение содержимого СчАК на единицу (переход к следующей команде). 5. 6. 7. 8. Очевидно, что за счет увеличения числа регистров возможно  распараллеливание, перекрытие операций. Например, при считывании команды, СчАК можно автоматически увеличить на 1, подготовив выборку следующей команды. После расшифровки текущей команды РК освобождается и в него может быть   помещена   следующая   команда   программы.   При   выполнении   операции   возможна   расшифровка следующей команды и т. д. Все это является предпосылкой построения так называемых  конвейерных структур   (pipeline).  Однако   все   это   хорошо   только   при   последовательном   (естественном)   порядке выполнения команд. Появление переходов (особенно по не определенному заранее условию) нарушает эту картину. Поэтому современные процессоры пытаются предсказывать переходы в программе (branch prediction). 34 ГЛАВА 8   Основные блоки ЭВМ, их назначение и функциональные характеристики 8.1 Микропроцессор Микропроцессор  (МП) – центральное устройство ПК, предназначенное для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией. В состав микропроцессора входят несколько компонентов: 1. Устройство   управления   (УУ)   формирует   и   подает   во   все   блоки   машины   в   нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой   выполняемой  операции и  результатами   предыдущих   операций;  формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов. 2. Арифметико­логическое   устройство   (АЛУ)   предназначено   для   выполнения   всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях   ПК   для   ускорения   выполнения   операций   к   АЛУ   подключается   дополнительный математический сопроцессор). 3. Микропроцессорная   память   (МПП)   предназначена   для   кратковременного   хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в ближайшие такты работы машины; МПП строится на регистрах для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память   (ОП)   не   всегда   обеспечивает   скорость   записи,   поиска   и   считывания   информации, необходимую   для   эффективной   работы   быстродействующего   микропроцессора.   Регистры   – быстродействующие   ячейки   памяти   различной   длины   (в   отличие   от   ячеек   ОП,   имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие). 4. Интерфейсная   система   микропроцессора   предназначена   для   сопряжения   и   связи   с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода­вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс   (interface)   –   совокупность   средств   сопряжения   и   связи   устройств   компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порты   ввода­вывода   (I/O  ports)   –   элементы   системного   интерфейса   ПК,   через   которые   МП обменивается информацией с другими устройствами. 5. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, частота   которых   определяет   тактовую   частоту   системной   шины.   Тактовая   частота микропроцессора значительно больше: она равна тактовой частоте шины, увеличенной в N раз (N является множителем частоты). Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта, или, просто, такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость   его   работы,   поскольку   каждая   операция   в   вычислительной   машине   выполняется   за определенное количество тактов. 8.2 Системная шина Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя: 1. кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда; 2. кодовую шину адреса (КША), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода­вывода внешнего устройства; 3. кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины; 4. шину   питания,   содержащую   провода   и   схемы   сопряжения   для   подключения   блоков   ПК   к системе энергопитания. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:  между микропроцессором и основной памятью;  между микропроцессором и портами ввода­вывода внешних устройств;  между основной памятью и портами ввода­вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти). 35 8.3 Основная память Основная   память   (ОП)   предназначена   для   хранения   и   оперативного   обмена   информацией   с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).  ПЗУ (ROM  –  Read  Only  Memory) предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной   и   справочной   информации;   позволяет   оперативно   только   считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя);  ОЗУ (RAM  –  Random  Access  Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания   информации   (программ   и   данных),   непосредственно   участвующей   в информационно­вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными   достоинствами   оперативной   памяти   являются   ее   высокое   быстродействие   и возможность   обращения   к   каждой   ячейке   памяти   отдельно   (прямой   адресный   доступ   к   ячейке).   В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость). Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая  память  CMOS RAM (Complementary Metal­Oxide Semiconductor RAM), постоянно питающаяся от своего аккумулятора; в   ней   хранится   информация   об   аппаратной   конфигурации   ПК   (обо   всей   аппаратуре,   имеющейся   в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы. 8.4 Внешняя память Внешняя   память   относится   к  внешним   устройствам   ПК  и  используется   для   долговременного хранения любой информации, которая может когда­либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память представлена разнообразными видами запоминающих устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются показанные на структурной схеме накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. Назначение   этих   накопителей   –   хранение   больших   объемов   информации,   запись   и   выдача информации   по   запросу   в   оперативное   запоминающее   устройство.   Различаются   НЖМД   и   НГМД конструктивно, объемами хранимой информации и временем ее поиска, записи и считывания. В качестве устройств внешней памяти широко используются также накопители на оптических дисках (CD – Compact Disk, DVD – Digital Versatile Disk), накопители на флэш­дисках и реже – запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (НКМЛ, стримеры) и накопители на магнитооптических дисках (НМОД). 8.5 Источник питания Источник питания – блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК. 8.6 Таймер Таймер   –   внутримашинные   электронные   часы   реального   времени,   обеспечивающие,   при необходимости, автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли   секунд).   Таймер   подключается   к   автономному   источнику   питания   –   аккумулятору   и   при отключении машины от электросети продолжает работать. 8.7 Внешние устройства Внешние устройства (ВУ) ПК – важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса, достаточно сказать, что стоимость ВУ составляет до 80­85% стоимости всего ПК. ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами. К внешним устройствам относятся:  внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;  диалоговые средства пользователя; 36  устройства ввода информации;  устройства вывода информации;  средства связи и телекоммуникаций. 37 Диалоговые средства пользователя включают в свой состав:  видеомонитор (видеотерминал, дисплей) – устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации;  устройства   речевого   ввода­вывода   –   быстро   развивающиеся   средства мультимедиа.   Это   различные   микрофонные   акустические   системы,   «звуковые мыши»   со   сложным   программным   обеспечением,   позволяющим   распознавать произносимые   человеком   буквы   и   слова,   идентифицировать   их   и   кодировать; синтезаторы   звука,   выполняющие   преобразование   цифровых   кодов   в   буквы   и слова,   воспроизводимые   через   громкоговорители   (динамики)   или   звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру. К устройствам ввода информации относятся:  клавиатура – устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;  графические   планшеты   (дигитайзеры)   –   устройства   для   ручного   ввода графической   информации,   изображений   путем   перемещения   по   планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;  сканеры (читающие автоматы) – оборудование для автоматического считывания с бумажных и пленочных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;  устройства   целеуказания   (графические   манипуляторы),   предназначенные   для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК (джойстик – рычаг, мышь, трекбол – шар в оправе, световое перо и т. д.);  сенсорные экраны – для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с экрана дисплея в ПК. К устройствам вывода информации относятся:  принтеры – печатающие устройства для регистрации информации на бумажный или пленочный носитель;  графопостроители (плоттеры) – устройства для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель. Устройства   связи   и   телекоммуникации   используются   для   связи   с   приборами   и   другими средствами   автоматизации   (согласователи   интерфейсов,   адаптеры,   цифро­аналоговые   и   аналого­ цифровые преобразователи и т. п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим компьютерам и вычислительным   сетям   (сетевые   интерфейсные   платы   и   карты   –   сетевые   адаптеры,   «стыки», мультиплексоры передачи данных, модемы – модуляторы (демодуляторы)). 8.8 Дополнительные интегральные микросхемы К   системной   шине   и   к   МП   ПК   наряду   с   типовыми   внешними   устройствами   могут   быть подключены   и   некоторые   дополнительные   интегральные   микросхемы,   расширяющие   и   улучшающие функциональные возможности микропроцессора:  математический сопроцессор;  контроллер прямого доступа к памяти;  сопроцессор ввода­вывода;  контроллер прерываний и т. д. Математический   сопроцессор  используется   для   ускоренного   выполнения   операций   над двоичными числами с фиксированной и плавающей запятой, над двоично­кодированными десятичными числами,   для   вычисления   некоторых   трансцендентных,   в   том   числе   тригонометрических   функций. Математический   сопроцессор   имеет   свою   систему   команд   и   работает   параллельно   (одновременно)   с основным   МП,   под   его   управлением.   Ускорение   операций   происходит   в   десятки   раз.   Современные модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру. Контроллер прямого доступа к памяти  (DMA  –  Direct  Memory  Access) обеспечивает обмен данными   между   внешними   устройствами   и   оперативной   памятью   без   участия   микропроцессора,   что 38 существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Сопроцессор ввода­вывода за счет параллельной работы с МП существенно ускоряет выполнение процедур ввода­вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплея, принтера, НЖМД, НГМД и т. д.); освобождает МП от обработки процедур ввода­вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти. Контроллер   прерываний  обслуживает   процедуры   прерывания.   Прерывание   –   временная приостановка выполнения одной программы с целью оперативного выполнения другой, в данный момент более   важной   (приоритетной)   программы.   Контроллер   принимает   запрос   на   прерывание   от   внешних устройств,   определяет   уровень   приоритета   этого   запроса   и   выдает   сигнал   прерывания   в   МП. Микропроцессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению   специальной   программы   обслуживания   того   прерывания,   которое   запросило   внешнее устройство.   После   завершения   программы   обслуживания   восстанавливается   выполнение   прерванной программы.   Контроллер   прерываний   является   программируемым.   Прерывания   возникают   при   работе компьютера постоянно, достаточно сказать, что все процедуры ввода­вывода информации выполняются по прерываниям. Например, в компьютерах IBM PC прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (длятся эти прерывания тысячные доли секунды и поэтому пользователь их не замечает). 8.9 Элементы конструкции ПК Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы –   стыки   подключаются   внешние   устройства:   дополнительные   блоки   памяти,   клавиатура,   дисплей, принтер и т. д. Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами – адаптерами внешних устройств. На системной плате (часто ее называют материнской платой – motherboard), в свою очередь, размещаются:  микропроцессор;  системные микросхемы (чипсеты);  генератор тактовых импульсов;  модули (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;  микросхема CMOS­памяти;  адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД;  контроллер прерываний;  таймер и т. д. Многие из них подсоединяются к материнской плате с помощью разъемов. 8.10 Функциональные характеристики ЭВМ Основными функциональными характеристиками ЭВМ являются: 1. Производительность,   быстродействие,   тактовая   частота   системной   платы   и   тактовая частота микропрцессра. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса. Типы системного, локальных и внешних интерфейсов. Тип и емкость оперативной памяти. Наличие, виды и емкость кэш­памяти. Тип и емкость накопителей на жестких магнитных дисках. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках. Вид и емкость накопителей CD и DVD. Наличие и емкость накопителей на магнитной ленте. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера. Наличие и тип принтера. Наличие и тип модема. Наличие и виды мультимедийных аудио­ и видеосредств. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы. Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров. 39 Возможность работы в вычислительной сети. Возможность работы в многозадачном режиме. Надежность. Стоимость. Габариты и вес. 16. 17. 18. 19. 20. Производительность, быстродействие, тактовая частота Производительность   современных   компьютеров   измеряют   обычно   в   миллионах   операций   в секунду. Единицами измерения служат:  МИПС   (MIPS  –  Millions  Instruction  Per  Second)   –   для   операций   над   числами, представленными в форме с фиксированной запятой (точкой);  Мфлопс   (MFLOPS  –  Millions  of  FLoating  point  Operation  Per  Second)   –   для операций над числами, представленными в форме с плавающей запятой (точкой). Реже   производительность   компьютеров   определяют   с   использованием   следующих   единиц измерения:  Кфлопс   (KFLOPS  –  KILOFLOPS)   для   низкопроизводительных   компьютеров ­тысяча неких усредненных операций над числами;  Гфлопс (GFLOPS – GIGAFLOPS) – миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой. Для   универсальных   ЭВМ,   выполняющих   самые   разные   задания,   эти   оценки   будут   весьма неточными. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для   своего   выполнения   вполне   определенного   количества   тактов.   Зная   тактовую   частоту,   можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции. Например, при отсутствии конвейерного выполнения команд и увеличения внутренней частоты у микропроцессора, тактовый генератор с частотой 100 Мгц обеспечивает выполнение 20 млн коротких машинных   операций   (простые   сложение   и   вычитание,   пересылка   информации   и   т.   д.)   в   секунду;   с частотой 1000 Мгц – 200 млн коротких операций в секунду. Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса Разрядность   –   это   максимальное   количество   разрядов   двоичного   числа,   над   которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК. Типы системного, локальных и внешних интерфейсов Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды, используют беспроводные каналы связи. Емкость оперативной памяти Емкость оперативной памяти измеряется обычно в мегабайтах. Напоминаем, что 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 10242 байт. Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющей емкость меньше 16 Мбайт, просто не работают либо работают, но очень медленно. Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, увеличивает   эффективную   производительность   компьютера   при   решении   сложных   задач   (когда ощущается дефицит памяти) примерно в 1,41 раза (закон корня квадратного). Виды и емкость накопителей на жестких магнитных дисках Емкость НЖМД измеряется обычно в гигабайтах, 1 Гбайт = 1024 Мбайт. Винчестер   объемом   50   Гбайт   сегодня   еще   приемлем,   но,   по   прогнозам   специалистов,   новые программные продукты будут требовать многие гигабайты внешней памяти. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках Сейчас еще применяются накопители на гибких магнитных дисках с форм­фактором 3,5 дюйма, имеющие стандартную емкость 1,44 Мбайт (накопители для гибких дисков 5,25 дюйма, емкостью 1,2 Мбайт, в современные ЭВМ уже не устанавливаются). 40 Наличие, виды и емкость кэш­памяти Кэш­память   –   это   буферная,   недоступная   для   пользователя   быстродействующая   память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно   действующих   запоминающих   устройствах.   Например,   для   ускорения   операций   с   основной памятью   организуется   регистровая   кэш­память   в   ядре   микропроцессора   (L1   –   кэш­память   первого уровня), на плате микропроцессора (L2 – кэш­память второго уровня ), на материнской плате (L3 – кэш­ память третьего уровня ); для ускорения операций с дисковой памятью организуется кэш­память на ячейках оперативной памяти или на флэш­памяти внутри дисковода (L4 – кэш­память четвертого уровня). Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров означает возможность использования   на   компьютере,   соответственно,   тех   же   технических   элементов   и   программного обеспечения, что и на других типах машин. Возможность работы в многозадачном режиме Многозадачный   режим   позволяет   выполнять   вычисления   одновременно   по   нескольким программам   (многопрограммный   режим)   или   для   нескольких   пользователей   (многопользовательский режим).  Совмещение  во времени  работы нескольких  устройств  машины, возможное в таком  режиме, позволяет существенно увеличить эффективное быстродействие компьютера. Надежность Надежность   –   это   способность   системы   выполнять   полностью   и   правильно   все   заданные   ей функции. 41 42