Состав и принципы построения ЭВМ

Автор Паша_ШЭВМ – это комплекс программных средств, предназначенных для автоматической обработки информации.




Структура, архитектура ЭВМ, систем и сетей.

Лекции: к.т.н., доц. Шарнов Александр Иванович.

Практика: Ивакин Константин Николаевич.





ВВЕДЕНИЕ



	Россия стоит на пути исторической необходимости перехода на новый уровень общественного и экономического развития, определяемыми жестокими требованиями рыночной экономики. Речь идет о пути формирования информационного общества. Материальная база информационного общества является информационная экономика. Основы информационной экономики составляет создание и потребление информационных ресурсов или информационных ценностей.

	Основные особенности информационной экономики:

1).Главной формой накопления является накопление знаний и другой полезной информации.

2).Это изменение характера производства процессов в основных областях.

3).Экономически оправданным является мелкосерийное и индивидуальное производство.

4).Резкое возрастание скорости экономических процессов.

5).Усиление интеграционных процессов.

	Развитые страны мира стали на путь информационной экономики в 70 годах.

Такой путь имели следующие моменты:

1).Превышение суммарных затрат, чисто информационной базы над другими отраслями.

2).Возрастание доли не вещественных затрат.

3).Формирование глобальных коммуникаций сети общества.

4).Увеличение в производстве до 50% населения занятые информационной обработкой.





ПРИНЦИПЫ ПОСТОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ.



ЭВМ, компьютер – это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

	Требования пользователей к выполнению вычислительных работ определяется подбором и настройкой технических и программных средств объединенных в одну структуру. 



Автор Паша_Ш	Структура ЭВМ – это совокупность ее элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.

Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых состоит ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

	Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники:

Инженеры (схема техники) – проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы сопряжения друг с другом.

Системные программисты – создают программы управления техническими средствами, информационного распределения между уровнями, организацию вычислительного процесса.

Прикладные программисты – разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователя с ЭВМ и необходимый для этого сервис.

Специалисты по эксплуатации ЭВМ – занимаются общими вопросами взаимодействия пользователя с ЭВМ.



Содержание знаний и умений специалистов по ПО и его эксплуатации составляют:

1) Технические и эксплуатационные характеристики.

2) Производительность ЭВМ – объем работ осуществляющих ЭВМ в единицу времени.

3) Емкость запоминающих устройств: ОЗУ и ДЗУ.

4) Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени.

5) Точность – это возможность различать почти равные значения.

6) Достоверность – это свойство информации быть правильно воспринятой.





Классификация ЭВМ



	Величина и разнообразие современного парка ЭВМ потребовали системы квалификации ЭВМ. Предложено много принципов классификации:

Классификация ЭВМ по форме представления величин вычислительной машины делят на:

аналоговые (непрерывного действия) АВМ

цифровые (дискретного действия) ЦВМ

аналого-цифровые (гибридные) ГВМ

В АВМ обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых вычислений: ток, напряжение угол поворота.



Автор Паша_Ш	В ЦВМ (ЭВМ) информация кодируется двоичным кодом. Широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные ЦВМ.

Классификация ЭВМ по поколениям (по элементарной базе):

Первое поколение (50г.): ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

Второе поколение (60г.): ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).

Третье поколение (70г.): ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой степенью интеграции.

Четвертое поколение (80г.): ЭВМ на больших интегральных схемах.

Пятое поколение (90): ЭВМ на сверхбольших интегральных схемах.

Шестое и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной степенью большого числа несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Интегральная схема – электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.

Классификация ЭВМ по мощности (быстродействию):

1).Супер-ЭВМ – машины для крупно-маштабных задач (фирма IBM).

2).Большие ЭВМ – машины для территориальных, региональных задач.

3).Средние ЭВМ – машины очень широкого распространения.

4).Малые ЭВМ.

5).ПЭВМ (персональные ЭВМ).

6).Микро ЭВМ и микропроцессоры.

7).Сети ЭВМ.





Общие принципы построения современных ЭВМ.



	Основным принципом построения ЭВМ является программное управление, в основе которого лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

	Алгоритм – это конечный набор предписаний, определяющий решения задачи посредством конечного количества операций (ISO 2382/1-84 международный стандарт).

	Программа – это упорядоченное последовательность команд подлежащих обработки.

	Принцип программного управления может быть осуществлен разными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ был представлен в 1945 году Нейманом. Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления отражает характер действия человека по алгоритму.



Автор Паша_Ш















УВС

ВЗУ

УВ

ОЗУ

ДЗУ

УУ

АЛУ

ЗУ

УПД



	    программы 	     потоки 

    и исходные										информации

      данные



















Обобщенная структура ЭВМ Джен Фон Неймана первого и второго поколений



УПД – устройство подготовки данных.

УВС – устройство ввода.

АЛУ – арифметико-логическое устройство.

УУ – устройство управления.

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.

ДЗУ – длительно запоминающее устройство

ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.

УВ – устройство вывода.

ЗУ+АЛУ+УУ – процессор.



	Любая ЭВМ имеет устройство ввода информации, с помощью которого в ЭВМ вводят программы решения задач и данные к ним.

	ОЗУ – предназначено для оперативного запоминания программы хранящейся в исполнении.

	ВЗУ – предназначено для долговременного хранения информации.

	Кэш-память – промежуточная память между ОЗУ и ВЗУ.

	УУ – предназначено для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ.



Автор Паша_Ш	АЛУ – выполняет арифметические и логические операции над данными. Основой АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят: сумматоры, счетчики, логические операции.



	Классическая структура ЭВМ с переходом на БИС (большие интегральные схемы) перешла в понятие архитектура ЭВМ.









ВЗУ

ВЗУ

УВыв

УВв

КВв

КВв





ОЗУ

процессор

АЛУ

СОЗУ

УУ







МК



СК







		Устройства

		сопряжения







Обобщенная архитектура третьего и четвертого поколений



	В ЭВМ третьего поколения усложнение структуры произошло за счет разделения процессов ввода/вывода информации, и ее обработки. Появляется понятие процессор, где неразрывно связаны СОЗУ (сверх оперативное устройство), АЛУ и УУ. Появляется понятие каналы ввода/вывода, которые делят на мультиплексные (МК) и селекторные (СК) каналы.

	МК – предназначены обслуживать большое количество медленно-скоростных устройств.

	СК – обслуживают высокоскоростные, отдельные устройства.

	Применительно к ПЭВМ архитектура приняла упрощенный вид архитектуры малых машин (принцип открытой архитектуры, где главным элементом является системная магистраль). Ядро ПЭВМ образует процессор и основная память. Подключение всех остальных устройств осуществляется через адаптеры (устройства сопряжения).



















ВУ

ВУ





ОП



СИСТЕМНАЯ ШИНА

таймер

КПД

контроллер

ОП

контроллер

процессор



















	

	Обобщенная архитектура ПЭВМ

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	



Автор Паша_Ш



Математический процессор





Канал связи

Клавиатура

Генератор тактовых импульсов

Интерфейс клавиатуры

Сетевой адаптер

Принтер

Дисплей

Источник питания

Адаптер принтера

Видео-адаптер

Внешняя память

НГМД

НЖМД

Адаптер НГМД

Адаптер НЖМД

ДЗУ

ОЗУ

Основная память

СИСТЕМНАЯ ШИНА

Арифметико-логическое устройство

Микропроцессорная память

Устройство управления

Интегральная

схема

Микропроцессор

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	Структурная схема ПК

	

	

	ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ.

	

	Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ

	

ЭВМ кроме аппаратурной части и ПО (Hard Ware и Soft Ware) имеет большое количество функциональных средств. К ним относятся коды, с помощью которых обрабатываемая информация представляется в цифровом виде:



Автор Паша_Ш1).Арифметические коды.

2).Помехозащищенные коды.

3).Цифровые коды аналоговых величин.

	Кроме кодов на функционирование ЭВМ оказывают влияние:

алгоритмы их формирования и обработки

технологии выполнения различных процедур

способы организации работы различных устройств

организация системы прерывания.

Функциональную организацию ЭВМ образуют: коды, системы команд, алгоритмы выполнения машинных операций, технология выполнения различных процедур и взаимодействие Hard и Soft, способы использования устройств при организации их совместной работе, составляющие идеологию функционирования ЭВМ.

Идеологию функционирования ЭВМ можно реализовать разными способами:

1).Аппаратурными

2).Программно-аппаратурными

3).Программными средствами.

	Таким образом, реализация функций ЭВМ дополняет ее структурную организацию. Сопоставление структур ЭВМ дополненных функциональной структурой приводит к понятию совместимых и не совместимых ЭВМ.





Организация функционирования ЭВМ с могестральной структурой



	ЭВМ – это совокупность устройств выполненных на больших интегральных схемах имеющих функционированное назначение.

	Комплект интегральных схем называют микропроцессорным комплектом.

	В состав микропроцессорного комплекта входят:

системный таймер

микропроцессор

сопроцессоры (организация математических процессов)

контроллер прерываний

контроллер прямого доступа к памяти

контроллеры устройств ввода/вывода.

Все устройства ЭВМ делятся на:

1).Центральные (полностью электронные БИС).

2).Периферийные (частично-электронные, частично-электромеханические с электронным управлением).

	В центральных устройствах основным устройством является системная шина (системная магистраль).

	Системная магистраль состоит из трех узлов:

1).Шина данных (ШД)



Автор Паша_Ш2).Шина адреса (ША)

3).Шина управления (ШУ).

	В состав системной магистрали входят также: регистры защелки, шинные арбитры.

	Интерфейс системной шины – это логика работы системной магистрали, количество линий (разрядов) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций.

	В состав центральных устройств ЭВМ входят:

центральный процессор

основная память

ряд дополнительных узлов выполняющих служебные функции

контроллер прерываний

контроллер прямого доступа к памяти

таймер.

Периферийные устройства делятся на:

внешнее запоминающее устройство (НЖМД – носитель жесткий магнитный диск, НГМД – носитель гибкий магнитный диск)

УВв

???

?????

???













Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя



	Один из «прозрачных» процессов машины – это организация ввода, преобразование и отображение результатов работы системного программного обеспечения. Программа задания, написанная программистом на алгоритмическом языке называется исходным модулем.

	Перевод исходной программы на машинный язык осуществляет программа translator. Он делится на: компилятор и интерпретатор.

	Интерпретатор – после перевода на язык машины каждого оператора исходного модуля немедленно его исполняет.

	Компилятор – сначала полностью переводит всю программу исходного модуля на машинный язык, затем его исполняет.

	Объектный модуль – машинный язык.

	Полученный объектный модуль записывается в библиотеку объектных модулей или сразу исполняется.

	Для исполнения отлаженного объектного модуля к нему могут быть добавлены недостающие программы из библиотеки компиляторов. Такую связь выполняет программа редактор связи. В результате образуется загрузочный модуль.



Автор Паша_Ш	Исполнение загрузочного модуля осуществляется программой – загрузчиком.

	Операционная система (ОС) – выполняет функцию управления.





СТРУКТУРА АДРЕСНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРОГРАММЫ НА ОСНОВНУЮ ПАМЯТЬ



	Для выполнении программы при ее загрузки в оперативную память (ОП) ей выделяется часть машинных ресурсов. Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом, но может производиться и ОС. Выделение ресурсов перед выполнением программы называется статическим перемещением, в результате, которого программа привязывается к определенному месту памяти.

	Если ресурсы машины выделяются в процессе выполнения программы, то это называется динамическим перемещением, здесь программа не привязана к определенному месту.

	При статическом перемещении возможны два случая:

1).Реальная память больше требуемого адресного пространства программы. В этом случае загрузка программы в реальную память производится, начиная с нулевого адреса. Эта загружаемая программа называется абсолютной программой.

2).Реальная память меньше требуемого адресного пространства. В этом случае возникает проблема организации выполнения программ.

	Существует несколько методов решения этой проблемы:

метод оверлейной структуры, в котором программа разбивается на части вызываемые ОП по мере необходимости.

Метод рентабельных модулей, в котором программа разбивается на временные модули доступными к исполнению по нескольким обращениям.

В мультипрограммном режиме имеются программы. А, В, С. При работе в мультипрограммном режиме может сложиться в ситуации, когда между программами остаются промежутки свободной памяти. Для того чтобы этого не было, применяют программу дефрагментации диска.





Виртуальная память

Реальную память можно «увеличить» имитируя работу с максимальной памятью. Программист предполагает, что ему предоставлена «реальная» память максимально доступная для ЭВМ. Такой режим называют режим виртуальной памяти.



Автор Паша_Ш	Виртуальной памятью называется теоретически доступная ОП объем, которой определяется только адресной частью команды.

	Виртуальная память имеет сигментоно-страничную организацию и реализована в иерархической системе ЭВМ. Часть ее размещается в блоках основной памяти, а часть в ячейках внешней памяти. Записываемая область во внешней страничке памяти называется ячейкой или слотом. Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной памяти.

	Загрузить программу в виртуальную память – это, значит, перезаписать несколько страниц из внешней страничной памяти в основную.





Система прерываний ЭВМ



	ЭВМ – это комплекс автономных устройств каждое, из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимого от других устройств.

	Включает в работу центральный процессор (ЦП), передавая устройству команды и необходимые параметры. Таким образом, ЦП переключает свое «внимание» поочередно с устройства на устройство. Для того чтобы ЦП работал, создана система прерываний.

	Принцип действия системы прерываний заключается в том, что при выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяется содержание регистра.

	Прерывания делят на три типа:

аппаратурные

логические

программные





ЦЕНТРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ



Основная память и состав устройства



	Запоминающими устройствами (ЗУ) называются комплекс программных средств, реализующих функции памяти.

	ЗУ делят на:

1).Основную память (ОП)

2).Сверх оперативная память (СОЗУ)

3).Внешняя память (ВЗУ)

	ОП включает в себя два типа устройств:

ОЗУ (RAM – random aces memory)

ПЗУ (ROM – read only memory)

ОЗУ – предназначено для хранения переменной информации.



Автор Паша_ШПЗУ – содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислений.

	Функциональные возможности ОЗУ шире ПЗУ, но ПЗУ – энергонезависимо и имеет большее быстродействие.

	В современных ЭВМ микросхемы памяти изготовляют из кремния по полупроводниковой технологии, с высокой интеграцией элементов на кристалле.

	Основной составной частью микропроцессора является массив элементов памяти объединенных в матрицу накопителя. Каждый элемент памяти может хранить 1 бит памяти. Каждый бит имеет свой адрес в ЗУ, позволяющий обращаться по адресу к любому элементу памяти – называется ЗУ с произвольным доступом.



		2 байта - полуслово



		4 байта – слово

	



		8 байт – двойное слово



		переменной длины





	При матричной ориентации памяти реализуется координатный принцип адресации элементов памяти, когда адрес делится на X и Y. На пересечении этих элементов находятся элементы памяти, которые должны быть прочитаны. 

Микросхемы памяти могут строиться на SRAM (статических) и DRAM (динамических).

	В качестве статического элемента памяти (ЭП) обычно выступает статический триггер, а в качестве динамического ЭП используется электрический конденсатор внутри кремневого кристалла.

	ОЗУ характеризуется объемом и быстродействием. ОЗУ в современных ЭВМ имеет модульную структуру. Сменные модули имеют различное конструктивное строение: SIM, ZIM, SIMM, DIMM. Увеличение объема ОЗУ связано с установкой дополнительных модулей, которые выпускаются в 30-контактном (30 pin) или 72-конктактном (72 pin) на 1,4,8,16,32,64 Мбайта. Время доступа к DRAM составляет 60-70 н.сек.

	На производительность ЭВМ влияет тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали (СМ). Если тактовая частота не достаточно высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения и наоборот.

	Харак4теристикой производительности ОЗУ является пропускная способность, измеряемая в Мбайт/сек.



Автор Паша_Ш	Микросхемы ПЗУ построены по принципу матричной структуры, но функции элементов памяти выполняют перемычки в виде полупроводниковых диодов. Процесс занесения информации в микросхемы ПЗУ называют программированием, а устройство – программатор.

	СОЗУ пользуются для хранения не больших объемов информации, в результате скорость считывания уменьшается в 10-20 раз. СОЗУ строят на регистрах, они бывают адресные и без адресные. Регисторные структуры делятся на память магазинного типа и память с выборкой по содержанию.









Шина адреса 

СМ

Шина управления СМ

Шина данных СМ

Регистр адреса

Регистр данных

Регистр управления

Блок элементов памяти

Дешифратор

Регистр Y

Дешифратор

Регистр X













































Структурная схема ОЗУ





ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР ЭВМ



Структура базового микропроцессора



	Микропроцессор (МП) составляет основу центрального процессора ПВМ. Это обрабатываемое устройство служит для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к основной памяти, внешним устройствам и для управления хода вычислительных процессов.



Автор Паша_Ш	Существует большое число МП различающихся: названием, функциональными возможностями, структурой, исполнением. Основное различие – количество разрядов обрабатываемой информации.

	К группе 8-битовых процессоров относятся:

I 8080 (INTEL) – Integrated Electonus

I 8085

фирма Zelog (z)

Наибольшее распространение получили:

I 80386

I 80486

Каждая следующая модификация имеет более расширенную систему команд и архитектурное строение (Например, в I 80486 появился встроенный сопроцессор). Все усовершенствования ставят с целью сделать ПЭВМ многофункциональными.



Характеристика микропроцессора

Каждый МП имеет свое наименование, тактовую частоту, ICOMP – показывает стандарт, разрядность шины данных, адресуемая память, т.е. разрядность шины адреса, наличие сопроцессора, потребляемая энергия, различные примечания.

	Персональным ЭВМ фирмы INTEL аналогов МП (clone) являются фирмы:

1).Cyrix

2).AMD

	Условно МП можно разделить на две части:

1).EU – исполнительный блок

2).BIU – устройство сопряжения СМ

	В исполнительном блоке находятся арифметический блок и регистр общего назначения.

	Во втором составляет адресные регистры.

	Семейство МП фирмы INTEL имеет базовую систему команд, в которую входит:

Команды пересылки данных.

Арифметические данные.

Логические команды.

Команды обработки строковых данных.

Команды передачи управления.

Команды управления.

Работой МП управляет программа, записанная в ОП ЭВМ. Особое место занимает организация прерываний. Программа оболочки прерываний могут находиться в различных частях ОП, и имеет разное управление для разных DOS.







Автор Паша_ШУПРАВЛЕНИЕ ВНЕШНИМИ УСТРОЙСТВАМИ



Принципы управления



	Передача информации с периферийного устройства в ЭВМ называется операция ввода, а передача из ЭВМ – операция вывода.

	При разработке системы ввода/вывода решают проблемы:

1).Обеспечить возможность реализации машин с переменным составом оборудования.

2).Необходимо реализовать одновременную работу процессора над программой и выполнения процедур ввода/вывода.

3).Упростить для пользователя работу с устройствами ввода/вывода.



	Первый шаг в решении этих проблем был сделан при разработки ЭВМ второго поколения, когда впервые была обеспеченность автономной работе внешних устройств (интерфейс).

	Интерфейс – устройство соединения центральных и периферийных устройств (устр. сопряжения).

	Стандартизация интерфейса привела к возможности гибко изменять структуру ЭВМ. Затем появилась концепция виртуальных устройств позволяющая совмещать различных типов ЭВМ ОС. Дальнейшее развитие интерфейсов потребовало созданию новых устройств (сканер) и как следствие возникла необходимость распознавания, идентификации, преобразования из графического вида в символьный. Анализ снимков из космоса потребовал автоматической системы наблюдаемых объектов. Все это привело к тому, что во внешнее устройство встраивали память. В машинах 5-поколения заложено интеллектуализация и общение.

	Все это легло в основу совершенствования систем сопряжения. Для создания такого интерфейса требуется:

1).Специальные управляющие сигналы и их последовательность.

2).Устройство сопряжения

3).Линии связи.

4).Программа, реализующая обмен.

	Интерфейсом называется комплекс линий и шин, сигналов, электрических схем, алгоритмов и программ, предназначенных для осуществления обмена информации.

	В зависимости от типов соединительных устройств различают:

Внутренний интерфейс

Интерфейс ввода/вывода

Интерфейсы межмашинного обмена

Интерфейс человек-машина.

Для каждого интерфейса характерно наличие специального комплекса.







передатчик

устройство

устройство

приемник





интерфейс











	Внутренний интерфейс делается параллельным или последовательно-параллельным. 

	При использовании программно-технических средств интерфейсы ввода/вывода делятся на:

физические

логические.









АЯВУ – алгоритмические языки высших порядков

АЯВУ





Периферийные устройства

Физический уровень

Логический уровень

Обмен через порты IN/OUT

Программа BIOS

Программа DOS

Драйверы

 ввода/вывода





































	В зависимости от степени участия ЦП в управлении, различают:

1).Режим сканирования (асинхронный)

2).Синхронный режим

3).Прямой доступ к памяти.

	Режим сканирования предусматривает опрос ЦП периферийного устройства. Режим сканирования прост, но имеет недостатки:



Автор Паша_Шпроцессор постоянно занят и не может выполнять другую работу

при большом быстродействии периферийных устройств, процессор не успевает обработать информацию.

В синхронном режиме ЦП запрашивает периферийные устройства, но не ждет ответа, а выполняет другую работу.