3345 Архитектура ЭВМ и систем

Лабораторная работа №1

Организация  и  функционирование  ЭВМ

Цель работы: изучение принципов построения и функционирования ЭВМ, знакомство со структурой, режимами работ, органами управления и контроля учебной микроЭВМ.

1. Общие сведения и основные определения

Электронно-вычислительная машина (ЭВМ) является системой, функционально предназначенной для автоматизации вычислений на основе алгоритмов.  Под системой понимается совокупность элементов, объединенных в единое целое для достижения определенных целей.

Структура ЭВМ - это совокупность элементов ЭВМ и связей между ними. Функции ЭВМ не являются простой суммой функций, реализуемых отдельными элементами. Объединение нескольких элементов образует логический узел. На основе логических узлов строятся операционные схемы, обрабатывающие потоки цифровых данных (чисел). Принцип, по которому объединение элементов приводит к появлению нового качества, отличного от свойств элементов, называется принципом организации. Архитектура ЭВМ является примером реализации этого принципа.

Функции ЭВМ могут быть описаны в математической и словесной формах или в виде алгоритмов. Различают уровни описания, порожденные видом организации ЭВМ, проявляющиеся в подчинении элементов низшего ранга элементам высшего ранга. При детализации описания элементы, являющиеся простыми на высоком уровне, могут быть разложены на элементарные составляющие нижнего уровня.

2. Архитектура ЭВМ

Совокупность аппаратных средств образует архитектуру ЭВМ. В состав ЭВМ (рис.1) обычно входят: процессор, оперативная память, устройства ввода-вывода и внешние устройства.

Для любого устройства обработки цифровой информации справедлив принцип декомпозиции, сформулированный академиком В. А. Глушковым. Суть его состоит в следующем. Устройство в функциональном отношении всегда можно разделить на две части: операционный и управляющий блоки.

Операционный блок (рис. 2) принимает из внешней среды и хранит информационные слова (ИС) - операнды, выполняет над ним заданный набор микроопераций (МО) и выдает во внешнюю среду результат преобразования и в управляющий блок и внешнюю среду осведомительные сигналы (ОС). ОС оповещают о результатах вычисления, логических условиях, знаках операндов и   особых   значениях   промежуточных   и    конечных   результатов   операции  (равенство нулю, переполнение разрядной сетки и т. д.). Управляющий блок в  соответствии с кодом операции (КО) и значениями ОС вырабатывает распределенную во времени последовательность управляющих сигналов (УС), формирующих в операционном блоке нужную последовательность МО.

 

Рис. 2. Декомпозиция  цифрового вычислительного устройства

В соответствии с принципом декомпозиции структурную схему процессора (П) можно разбить на четыре блока (рис. 3):

-    арифметико-логическое устройство (АЛУ) - операционный блок;

-    управляющее устройство (УУ) - управляющий блок;

-    интерфейс процессора (ИФП);

-    регистровую память (РП) - сверхоперативное запоминающее устройство.

Основными блоками являются первые два устройства. АЛУ производит арифметические и логические операции над поступающими в него машинными словами в соответствии с КО команды. Необходимые команды и операции передаются в АЛУ из ИФП  и РП. После выполнения операции на выходе АЛУ формируются ОС, которые необходимы УУ для выбора адреса следующей микрокоманды (МК). УУ формирует УС, используемые при выполнении функций: выбора из оперативной памяти (ОП) очередной МК, дешифрирования КО, формирования адресов операндов, выбора операндов из ОП и передачи их в АЛУ, выполнения АЛУ необходимой операции, передачи полученного результата в ОП, инициирования операций ввода-вывода в ЭВМ, организации обслуживания прерываний и т. д.

 


Рис. 3. Структурная схема процессора

ИФП организует обмен информацией между процессором и ОП, защиту участков ОП от несанкционированного доступа, связь процессора с внешними устройствами и пультом.


РП процессора может быть отнесена как к самому процессору, так и к одному из уровней памяти ЭВМ (рис. 4). В последнем случае по отношению к процессору память имеет двухуровневую структуру (РП считается элементом ОП). К первому уровню относятся основная память [оперативное запоминающее устройство (ЗУ)]. В оперативной памяти хранится информация, записанная в виде слов и доступная для процессорной обработки. Слово выделяется из множества других слов с помощью адреса.

 

Рис. 4. Память ЭВМ

Внешняя память (ВП) относится ко второму уровню. Она включает в себя накопители на гибких (Н1), жестких магнитных (Н2) и лазерных (Н3) дисках. Перечисленные носители являются ЗУ с параллельным (прямым, произвольным) доступом. Информация, размещенная в ВП, напрямую недоступна для процессорной обработки.

Обмен информацией между процессором и оперативной памятью осуществляется машинными словами, формат которых задается ОП.

Регистровая память содержит 16…32 регистров общего назначения (РОН). Назначение РП состоит в уменьшении числа обращений к ОП при запоминании промежуточных результатов вычислений. Это позволяет повысить оперативность (быстродействие) ЭВМ.

Устройства ЭВМ соединяются между собой с помощью интерфейса, предназначенного для передачи электрических сигналов.