Общие принципы построения современных ЭВМ

Общие принципы построения современных

ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является прин- цип программного управления (ППУ). Все вычисления, предписанные алго- ритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, со- стоящей из последовательности команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию и место нахождения (адреса) операндов. Операнды – переменные, значения которых участвуют в операциях преобразо- вания данных.

ППУ реализуется за счет наличия в компьютере устройства управления (УУ) и развитого запоминающего устройства. В ЗУ хранятся данные и про- граммы.

Большинство современных ЭВМ базируется на принципах, предложенных Джоном фон Нейманом (американский математик, в 1946 году обосновавший состав устройств ЭВМ и принципы ее работы) и имеет структуру, ставшую к настоящему времени классической.

Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений, отвечающая про- граммному принципу управления, представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователь вводит в ЭВМ программы и данные. Введенная инфор- мация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоми- нающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее уст- ройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации в виде файла.

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое пе- реносится в ОЗУ. Затем программа команда за командой считывается в устрой- ство управления (УУ).

Устройство управления предназначается для автоматического выполнения программ путем синхронизации всех остальных устройств ЭВМ. Управляющие сигналы показаны на рис. 4.1 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ ко- манды дешифрируются устройством управления: определяется код операции,

которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимаю- щих участие в данной операции.

Все команды программы выполняются последовательно, команда за ко- мандой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный порядок следования команд). Этот порядок характерен для линейных программ, т. е. программ, не содержащих разветвлений.

АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Ре- зультаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего ис- пользования в одном из регистров АЛУ или записываются в память. Результа- ты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв). В качестве УВыв могут использоваться экран дис- плея, принтер, графопостроитель и др.

Связь между устройствами ЭВМ осуществляется с помощью сопряжений, которые в ВТ называются интерфейсом. Интерфейс представляет собой сово- купность стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечи- вающих обмен информацией между устройствами. В основе построения интер- фейсов лежит унификация и стандартизация.

В персональных компьютерах, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, используется структура с шинным интерфейсом: все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через шину. Шина представляет собой систему функционально объединенных проводов, обеспе- чивающих передачу трех потоков: данных, адресов и управляющих сигналов (рис. 4.2).

Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи данных, называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет число битов информации, которые могут передаваться по шине одновременно. Коли- чество проводов для передачи адресов, или адресных линий, определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован.

Единая система аппаратурных соединений значительно упростила струк- туру, сделав ее более децентрализованной. Все передачи данных по шине осу- ществляются под управлением сервисных программ.

. . .

. . .

Рис. 4.2. Структурная схема ПЭВМ

Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП) (поскольку на их основе реализуется ППУ), состоящая из оперативной памяти и постоянного за- поминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянно- го хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается через соответствующие контроллеры – специальные устройства управления периферийной аппаратурой.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элемен- ты, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ: модуль- ность построения, магистральность, иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ доста- точно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком диске и другие).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность увеличения вычислительной мощности, улучшения структуры пу- тем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управле- ния конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям при- менения в соответствии с требованиями пользователей.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессо- ры). Появились вычислительные системы, содержащие несколько вычислите- лей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллельно.

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых раз- личают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более мощную. Это обеспечивается информационной, аппа- ратурной и программной совместимостью. Программная совместимость в се- мействах устанавливается по принципу снизу-вверх, т. е. программы, разрабо- танные для ранних и младших моделей, могут обрабатываться и на старших, но не обязательно наоборот.