Состав и принципы построения ЭВМ Автор Паша_Ш ВМ – 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 УПД УВС ЗУ УВ АЛУ УУ ВЗУ ОЗУ ДЗУ 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. процессор УУ СОЗУ АЛУ ОЗУ КВв КВв УВв УВыв ВЗУ ВЗУ 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 процессор ОП контроллер контроллер КПД таймер СИСТЕМНАЯ ШИНА Обобщенная архитектура ПЭВМ Автор Паша_Ш Математический процессор Интегральная схема Микропроцессор Арифметико-логическое устройство Микропроцессорная память Устройство управления СИСТЕМНАЯ ШИНА Основная память ДЗУ ОЗУ Внешняя память НЖМД НГМД Адаптер НЖМД Адаптер НГМД Видео-адаптер Адаптер принтера Источник питания Дисплей Принтер Сетевой адаптер Канал связи Генератор тактовых импульсов Интерфейс клавиатуры Клавиатура 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: 1 Автор Паша_Ш ).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) 2 Автор Паша_Ш ).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. П Автор Паша_Ш ЗУ – 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