Глава 1. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка

Большинство современных ЭВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления. Типичная фон-Неймановская ВМ содержит: память, устройство управления, АЛУ и устройство ввода-вывода.

Рисунок – Структура фон-Неймановской вычислительной машины

В любой ВМ имеются средства для ввода программ и данных к ним. Информация поступает из подсоединенных к ЭВМ периферийных устройств (ПУ) ввода. Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие ЭВМ и ПУ обеспечивают порты ввода-вывода. Порт – это аппаратура сопряжения периферийного устройства с ЭВМ и управления им.

Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем передается во внешнюю память для длительного хранения. Доступ к любым ячейкам основной памяти может производиться в произвольной последовательности. Такой вид памяти называется памятью с произвольным доступом. Основная память ЭВМ состоит из полупроводниковых оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), обеспечивающих как считывание, так и запись информации. Для таких ЗУ характерна энергозависимость – хранимая информация теряется при отключении электропитания.

Размер ячейки основной памяти обычно принимается равным 8 двоичным разрядам – байту. Для хранения больших чисел используются 2, 4 или 8 байтов, размещаемых в ячейках с последовательными адресами. В этом случае за адрес числа обычно принимается адрес его младшего байта. Так при хранении 32-разрядного числа в ячейках с адресами 200, 201, 202, 203 адресом числа будет 200. Адресация по младшему байту характерна для микропроцессоров фирмы Intel.

Для долговременного хранения программ и данных в ЭВМ используется внешняя память. Внешняя память энергонезависима. Информация в ней хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов – файлов.

Устройство управления – важнейшая часть ЭВМ, организующая автоматическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обеспечивающая функционирование ЭВМ как единой системы. Устройство управления ЭВМ следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми происходит пересылка информации, в ходе которой эта информация может подвергаться определенным видам обработки. Пересылка информации между любыми элементами ЭВМ инициируется своим сигналом управления. Т. е. управление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора сигналов управления в нужной временной последовательности. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом программой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует сигналы управления для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ЭВМ.

АЛУ обеспечивает обработку данных. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в процессе получения результата (равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение и т.д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью принятия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.

УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны и их обычно рассматривают как центральный процессор. Помимо УУ и АЛУ в процессор входит также набор регистров общего назначения (РОН), служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки.

Достоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин и систем зависят от способа соединения компонентов. Различают два основных типа структур вычислительных машин:

1. с непосредственными связями,
2. на основе шины.

Примером структуры с непосредственными связями является структура фон-Неймановской вычислительной машины. В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройства ввода-вывода) имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т.д.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена. Основной недостаток структуры с непосредственными связями – такие ЭВМ плохо поддаются реконфигурации.

В варианте с общей шиной все устройства ЭВМ подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления

Рисунок – Структура вычислительной машины на базе общей шины

Наличие общей шины упрощает реализацию вычислительной машины, позволяет легко менять ее состав и конфигурацию. Шинная архитектура получила широкое распространение в мини и микроЭВМ. Основной недостаток шинной архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода-вывода остается лишь часть пропускной способности шины.

Более распространена архитектура с иерархией шин, где помимо магистральной шины имеется еще несколько дополнительных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например, процессором и кэш-памятью. Другой вариант использования дополнительных шин – объединение однотипных устройств ввода-вывода с последующим выходом с дополнительной шины на магистральную. Все эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать ее пропускную способность.

Структура взаимосвязей вычислительной машины должна обеспечивать обмен информацией между:

• центральным процессором и памятью,
• центральным процессором и модулями ввода-вывода,
• памятью и модулями ввода-вывода.

Информационные потоки, характерные для основных устройств вычислительной машины:

Рисунок – Информационные потоки в вычислительной машине

Взаимосвязь блоков вычислительной машины обеспечивается системой шин. Операции по шине называются транзакциями. Основные виды транзакций – транзакции чтения и транзакции записи. Шинная транзакция включает в себя две части: передача адреса и прием (или передача) данных. В зависимости от назначения различают три типа шин:

• шины «процессор-память»,
• шины ввода-вывода,
• системные шины.

Шина «процессор-память» обеспечивает непосредственную связь между центральным процессором и основной памятью. Роль этой шины иногда выполняет системная шина.

Шина ввода/ вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода/ вывода.

Системная шина служит для физического и логического объединения всех устройств вычислительной машины. Функционирование системной шины можно описать следующим образом. Если один из модулей хочет передать данные в другой, он должен получить в свое распоряжение шину и передать по ней данные. Если какой-то модуль хочет получить данные от другого модуля, он должен получить доступ к шине и с помощью соответствующих линий управления и адреса передать в другой модуль запрос. Далее он должен ожидать, пока модуль, получивший запрос, передаст данные.