СА 109 ОП.02 Архитектура аппаратных средств 04.10.2021

ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ

ЭВМ – совокупность технических устройств, предназначенных для автоматизированной обработки дискретных сообщений по требуемому алгоритму.

Рис 1. Структурная схема ЭВМ

Любая ЭВМ содержит следующие основные устройства:

• арифметико-логическое (АЛУ) Выполняет арифметические и логические операции над поступающими в него двоичными кодами команд и данных. ;
• управления (УУ) под воздействием поступающих данных автоматически координирует работу всех устройств ЭВМ посредством своевременной выдачи на них управляющих сигналов: предписывает АЛУ выполнение конкретной операции, управляет обменом между ЗУ и процессором, работой УВВ;
• ввода данных в ЭВМ и вывода из нее результатов обработки (УВВ);
• память (ЗУ) состоит из запоминающих устройств (ЗУ) и предназначена для хранения алгоритма обработки данных и самих данных. Они включают некоторое число ячеек памяти, каждая из которых используется для запоминания одного 1-разрядного двоичного числа. Запись и чтение данных осуществляется только при указании места их хранения.

АЛУ и УУ образуют процессор

Алгоритм – последовательность операций (действий), выполнение которой над исходными данными и промежуточными результатами приводит к конечному результату – решению.

В памяти ЭВМ он хранится в виде двоичных многоразрядных чисел – машинных кодов команд

Программа – описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими данными (операндами) это действие производится.

Принцип работы ЭВМ

Перед началом решения задачи в ЗУ через УВВ записываются в кодированном виде программа и подлежащие обработке данные.

В ходе вычислительного процесса при выполнении очередной команды из ЗУ считывается эта команда.

По адресной части команды определяется местонахождение обрабатываемых данных, они извлекаются из ЗУ,

Процессор выполняет над ними указанную в коде операцию и записывает результат на хранение в ЗУ.

Затем определяется местонахождение следующей команды программы и снова повторяется аналогичный цикл.

Основные принципы построения ЭВМ( фон Неймана)

Принципы, лежащие в основе архитектуры ЭВМ, были сформулированы в 1945 году Джоном фон Нейманом, который развил идеи Чарльза Беббиджа, представлявшего работу компьютера как работу совокупности устройств: обработки, управления, памяти, ввода-вывода

Принципы фон Неймана .

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах .

Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

Принципы фон Неймана .

2. Программное управление ЭВМ

Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

Принципы фон Неймана .

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ .

• При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

Принципы фон Неймана .

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы

• В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

Принципы фон Неймана .

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы .

• Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Архитектура ЭВМ

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик

Архитектура ЭВМ

Вычислительные и логические возможности

Аппаратные средства

Программное обеспечение

Операционная система

• Структура ЭВМ
• Организация памяти
• Организация ввода-вывода
• Принципы управления

Языки программирования

Прикладное ПО

Система команд

Форматы данных

Быстродействие

Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Общие принципы построения современных ЭВМ.

К общим принципам построения современных ЭВМ относятся:

• Возможность мультипрограммной работы;
• Иерархическая организация структуры ЭВМ, программного обеспечения и управления вычислительным процессом;
• Обеспечение максимальных удобств в работе пользователей и эффективной эксплуатации оборудования;
• Возможность адаптации, развития и модернизации ЭВМ.

Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ

Процессор Обработка данных

Оперативная память Хранение данных и программ

Шина данных

Магистраль

Шина адреса

Шина управления

Долговременная память Хранение данных и программ

Сетевые устройства

Устройства вывода Вывод данных

Устройства ввода Ввод данных

Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами должна быть предусмотрена какая-то магистраль для перемещения потоков информации.

Упрощенно системную шину можно представить как группу кабелей и электрических (токопроводящих) линий на системной плате.

К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации,

Магистраль (системная шина) включает в себя:

• Шину данных. По этой шине передаются данные между различными устройствами.
• Шину адреса .Каждое устройство или ячейка памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине от процессора к памяти или устройствам. ;
• Шину управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие, какую операцию – считывание или запись информации нужно производить, синхронизируют обмен данными и т.д.

В основе работы современного компьютера лежат следующие принципы:

• Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.
• Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
• Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
• Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Виды архитектуры ЭВМ

Архитектура закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

14

Вычислительные системы с открытой архитектурой

Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины.

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора.

14