Иформационно-логические основы вычислительных машин их функциональная и структурная организация

Любая вычислительная система включает следующие узлы:

· Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции.

· Устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ.

· Запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных.

· Внешние устройства для ввода–вывода информации (ВУ).

В общих чертах работу вычислительной системы можно описать следующим образом: устройство управления инициирует процесс чтения из памяти очередной команды программы, расшифровывает ее и подключает необходимые для ее выполнения цепи и устройства (АЛУ или ВУ), после чего цикл повторяется для выполнения следующей команды. Таким образом, все действия в ЭВМ выполняются под управлением программы, хранящейся в памяти. В связи с этим основным принципом работы ЭВМ является принцип программного управления.

Описанный принцип работы и структура ЭВМ – это классическая организация вычислительной системы, известная под названием неймановской архитектуры. Характерным ее отличием является то, что для хранения программ и данных используется одно и то же пространство памяти, т.е. содержимое ячейки памяти интерпретируется оператором обработки информации, в качестве которого в простейшем случае выступает процессор. Другим типом архитектуры является т.н. гарвардская архитектура, в которой память программ и память данных разделены и имеют собственные адресные пространства и способы доступа к ним.

Подсистема ввода-вывода в простейшем случае представлена набором адресуемых буферных схем и регистров (портов), через которые осуществляется связь с внешними и внутренними аппаратными средствами системы. Подсистема ввода-вывода обычно использует единый механизм адресации портов, размещаемых в специальном пространстве ввода-вывода. В некоторых системах для размещения пространства ввода-вывода выделяется область в пространстве памяти данных – т.н. отраженный на память ввод-вывод. Организация доступа к портам в таких системах ничем не отличается от процесса записи-считывания данных в ячейки памяти. В других системах пространство ввода-вывода размещается в специальном логически изолированном от других пространств данных пространстве - т.н. изолированный ввод-вывод. В этом случае для доступа к портам необходимы специальные команды ввода-вывода.

Современные ЭВМ могут иметь различную архитектуру, но обязательно содержат в своей структуре рассмотренные элементы и используют основной принцип функционирования ЭВМ, дополненный новыми принципами, к которым можно отнести принципы модульности, магистральности и микропрограммируемости.

Модульность – это способ построения компьютера на основе набора модулей. Модулем называется конструктивно и функционально законченный электронный блок в стандартном исполнении. Это означает, что с помощью модуля может быть реализована какая-то функция либо самостоятельно, либо совместно с другими модулями.

Магистральность – это способ соединения между различными модулями компьютера, когда входные и выходные устройства модулей соединяются одними и теми же проводами, совокупность которых называется шиной. Магистраль компьютера состоит из нескольких групп шин, разделяемых по функциональному признаку - шина адреса, шина данных, шина управления.

Микропрограммируемость – это способ реализации принципа программного управления. Суть его состоит в том, что принцип программного управления распространяется и на реализацию устройства управления. Другими словами, устройство управления строится точно так же, как и весь компьютер, только на микроуровне, т.е. в составе устройства управления имеется своя память, называемая управляющей памятью или памятью микрокоманд, свой "процессор", свое устройство управления и т. д.

Использование рассмотренных принципов и объединение в одном устройстве, названом центральный процессор (ЦП), АЛУ и УУ, привели к видоизмененной структуре современной ЭВМ, изображенной на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Модульная структура современной ЭВМ

Наиболее распространенной является структура вычислительной системы (ВС), имеющая две или три (в большинстве случаев) общих магистрали (шины), к которым под воздействием устройств управления могут поочередно подключаться, входящие в систему узлы (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3. Трехмагистральная организация ЭВМ

В приведенной на рис. 2.3 схеме, обработку информации осуществляет ЦП, синхронизируемый тактовыми импульсами устройства синхронизации. Обмен информацией между МП и остальными блоками ВС осуществляется по трем магистралям (шинам): адресной, данных и управляющей. Магистраль адреса (МА, ША) служит для передачи кода адреса, по которому производится обращение к устройствам памяти ввода-вывода и прочим внешним устройствам. Обрабатываемая информация и результаты вычислений передаются по магистрали данных (МД, ШД). Магистраль управления (МУ) передает управляющие сигналы на все блоки ВС, настраивая устройства, участвующие в выполняемой команде, на нужный режим работы.

Использование в ВС трех магистралей обеспечивает высокое быстродействие и упрощает процесс вычисления. Возможно построение ВС с одной или двумя магистралями, по которым последовательно передаются код адреса и обрабатываемая информация, но при этом значительно возрастает время выполнения команды и усложняется организация обмена информацией между узлами.