Блок-схема ЭВМ по фон-Нейману и ее реализация в ПК

Блок схема любого компьютера состоит из пяти частей (рисунок 1.1):

┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─┐
ЦПУ┌───────┐
│ │ УУ │ │
└───┬───┘
┌──────┐ │ ┌────┴────┐ │ ┌────────┐
│ Увв ├───>│ АЛУ │ ────>│ Увыв │
└──────┘ │ └────┬────┘ │ └────────┘
└─ ─ ─ ─│─ ─ ─ ┘
┌────┴────┐
│ ЗУ │
└─────────┘

Рисунок 1.1. Обобщенная блок-схема ЭВМ.

Две части: АЛУ и УУ составляют центральное процессорное устройство (в РС – CPU – микропроцессор).

АЛУ (арифметико=дигическое устройствр) предназначено для выполнения арифметических и логических процедур программы вычислений.

УУ (устройство управления) выполняет функции управления устройством АЛУ, оперативной памятью и синхронизирует работу всех составных частей вычислительной системы (в РС УУ встраивается в CPU). Устройство управления вычислительной системой может быть выполнено на жесткой логике, или использовать микропрограммный способ управления.

Как известно, управление вычислительным устройством осуществляется аппаратно с помощью фиксированных для каждой вычислительной системы специальных сигналов, называемых элементарными операциями.

При выполнении УУ с жесткой логикой, выработка нужных последовательностей элементарных операций производится с помощью дешифратора кода операций и распределителя синхронизирующих импульсов (РСИ). При этом аппаратная реализация такого УУ получается очень сложной и громоздкой. Это связано с тем, что дешифратор кода операций должен иметь столько выходов, сколько разных команд имеется в системе машинных (ассемблерных) команд данной вычислительной системы, и каждый из выходов такого дешифратора должен иметь свой собственный РСИ. Кроме того, такое УУ совершенно негибко в части внесения каких-либо изменений в систему команд (потому-то она и называется жесткой), т. к. в этом случае потребуются аппаратные изменения, как в дешифраторе команд, так и в системе РСИ. Но, тем не менее, реализованное на жесткой логике управление является весьма быстродействующим и находит применение в специализированных вычислительных системах.

Для упрощения аппаратной структуры устройства управления был разработан метод микропрограммного управления. Суть его состоит в том, что для каждой машинной операции разработана своя микропрограмма, состоящая из последовательности отдельных микрокоманд. Каждая из микрокоманд, в свою очередь, содержит либо непосредственно набор элементарных операций (микроопераций), которые необходимы для выполнения данного шага микропрограммы и могут быть выполнены одновременно, либо только коды элементарных операций, которые должны быть одновременно выполнены в данной микрокоманде. В последнем случае, коды элементарных операций тоже расшифровываются, но очень простыми дешифраторами, так что структура микрокоманды упрощается и становится похожей на структуру обычной машинной команды. Обобщенно структуру микрокоманды можно представить так:

|КМкОп| – |Адр|

где

КМкОп – код микрооперации (принять, выдать данные, сбросить регистр и т. п.)

Адр – адрес компоненты (регистра, формирователя, сумматора и т. д.), для которой должна быть выполнена данная микрооперация.

Последовательность микрокоманд (с учетом условий их выполнения, переходов в микропрограмме, подобно машинным, ассемблерным командам) и составляет конкретную микропрограмму. Вся система микропрограмм обычно хранится в ПЗУ микропроцессора, но иногда и в ОЗУ микропроцессора. Последнее требует перед началом работы загрузить ОЗУ микропрограмм, но такой прием позволяет, загрузив другую систему микропрограмм, работать в другой ассемблерной системе команд.

Каждая из микропрограмм вызывается на исполнение по коду операции исполняемой ассемблерной команды, так что последовательность выполняемых микропрограмм однозначно определяется последовательностью ассемблерных команд выполняемой в данный момент программы.

Увв (устройство ввода) и Увыв (устройство вывода) в ПК составляют подсистему ввода-вывода. Увв – для ввода исполняемых программ, оперативных настроек операционной системы, прикладных программ, исходных данных для вычислений и команд оперативного управления вычислительным процессом. Увыв – для вывода оперативной информации, результатов вычислений (на дисплей, печатающие устройства, удаленные терминалы, абонентам сетей и т. д.), различных программных файлов, данных для резервного хранения и т. п.

ЗУ (запоминающее устройство) включает в себя ОЗУ и ПЗУ (RAM и ROM BIOS). ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) предназначается для хранения рабочей программы в процессе вычислений, а также для оперативного хранения исходных данных, промежуточных и конечных результатов вычислений до завершения выполняемой программы. Если в качестве автоматического вычислительного устройства иметь в виду конкретно компьютер, то в ОЗУ компьютера хранятся, при его работе, еще и операционная система, программы-драйверы управления периферийными устройствами и ряд других служебных программ и оперативных настроек системы. В ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) ROM BIOS персонального компьютера хранятся, в основном, служебные программы-драйверы, необходимые, по крайней мере, для загрузки операционной системы. ПЗУ нужно потому, что ОЗУ, выполняемое обычно на динамических полупроводниковых элементах памяти, при выключении питании компьютера теряет всю информацию.

Система ввода-вывода в компьютерах, в свою очередь, распадается на подсистемы: консоли (KBD и видеоподсистема), дисковую подсистему, коммуникационные COM- и LPT-порты и т. д.

Несколько слов о консоли. Видеомонитор и клавиатура по традиции, берущей начало от системы IBM-360 и ЕС ЭВМ, принято называть консолью ЭВМ или ПЭВМ. Это уже давно устоявшееся название используется и сейчас. Так, в ROM BIOS PCDOS есть драйвер CON (Console) – системный драйвер клавиатуры и дисплея.

Конструктивно подсистемы видео, дисковая, коммуникации, периферийных устройств и клавиатура, в большинстве случаев, располагаются не на системной плате и соединяются с ней посредством системной шины через разъемы – слоты расширения. Именно это и позволяет аппаратно реконфигурировать систему, подключая, при необходимости, к слотам расширения системной шины разные виды контроллеров, адаптеров, а к ним – и нужные устройства ввода-вывода. Впрочем, отдельные типы РС, такие как LapTop, Note-Book имеют встроенные видеосистему, клавиатуру, дисковую систему, а некоторые из моделей и DeskTop, выполняющиеся по принципу BabyBoard, имеют непосредственно на системной плате многие из контроллеров ВУ и ПУ и даже НЖМД. Это ухудшает способность РС к реконфигурированию, но снижает себестоимость и, соответственно, цену РС.

Контрольные вопросы.

1. Каково назначение АЛУ?

2. Каково назначение блока УУ?

3. Где, по фон-Нейману, должна находиться программа для автоматического выполнения вычислений?

4. Для чего предназначены блоки Увв и Увыв?

5. Как может быть реализован блок УУ?

6. Какие пять основных частей составляют компьютер?

7. Какие основные функции возложены на CPU?

8. Какое конструктивное решение позволяет легко реконфигурировать РС?

9. Что понимается под аппаратной конфигурацией и реконфигурацией компьютера?

10. Какие устройства входят в понятие консоли ЭВМ и ПЭВМ?

1.2 Структурная схема PC/AT

Типичная структурная схема РС/АТ в развернутом виде представлена на рисунке 1.2.

Центральным устройством, осуществляющим все вычислительные функции, функции управления и синхронизации работы всех подсистем РС, является CPU, содержащий АЛУ, регистровую память, дешифратор команд, микропрограммное устройство управления и, в последних версиях CPU “Pentium”, буферную (кэш) память.

┌──┬──────────┐
┌─────┐ ┌────┐ │ │controllers
│ PS │─> │GCLK│─> ┌ ─ ─ ─ ┐ │ │ ┌───┐ │ ┌──────┐
└─────┘ └────┘ FPU │ S│<─┤CGA│────>│ MON-C│
│ ┌───┴──┐ │ L│ └───┘ │ └──────┘
└ ─ │ CPU │ SB │ O│ ┌───┐ │ ┌──────┐
│ │<─┬────>│ T│<─┤MDA│────>│ MON-M│
┌────────┐ └─┬────┘ │ │ S│ └───┘ │ └──────┘
│ DRAM │───────│LB │ │ │ ┌───┐ │ ─────┐
└────────┘ ┌────┴────┐ │ │ │<─┤COM├────>/ Mouse│
│ROM BIOS │ │ │ │ └───┘ │ └──────┘
┌─────┐ └─────────┘ │ │ │ ┌───┐ │ ┌────
┌─────┐ │contr│ │ │ │<─┤LPT├────>│ PRN \
│ KBD │<──>│ KBD │<──────────────┘ │ │ └───┘ │ └─────┘
└─────┘ └─────┘ │ │ │ ┌────┐
│ │ ┌──>│ CD │
│ │ ││ └────┘
│ │ ││ ┌────┐
│ │ ├──>│ PU │
│ │ ┌───┐ ││ └────┘
│ │<-│APU│─>││ ┌────┐
│ │ └───┘ ├──>│FDD │
│ │ ││ └────┘
│ │ ││ ┌────┐
│ │ └──>│HDD │
└──┴──────────┘ └────┘

Рисунок 1.2. Блок-схема РС/АТ.

Здесь

PS (Power Supply) – блок питания.

GCLK – генератор тактовых импульсов. GCLK и PS изображены отдельно, так как их функции, сигналы и взаимосвязи с остальными блоками очевидны.

FPU (Floating Point Unit – устройство плавающей точки) – математический сопроцессор. FPU предназначается для выполнения операций с плавающей точкой и вычислений: тригонометрических функций, логарифмов и т. п.

DRAM и ROM BIOS – оперативная и постоянная память компьютера, соответственно.

contr KBD (Controller KeyBoard) – контроллер клавиатуры. Изображенный на блок-схеме контроллер клавиатуры в слот расширения не вставляется, а смонтирован непосредственно на системной плате, но связан все-таки непосредственно с системной шиной (SB), из которой и образованы щелевыми разъемами слоты расширения системной шины.

В слоты расширения (Slots) вставляются дочерние карты-контроллеры внешних устройств: мониторов (CGA, MDA), манипуляторов (COM), принтеров (LPT) или адаптеры других периферийных устройств (APU) – жестких дисков, дисководов и т. д. К этим картам и подключаются соответствующие внешние устройства. Например, мониторы цветной (MON-C), монохромный (MON-M), манипулятор (Mouse), принтер (PRN), дисковод компакт-дисков (CD), накопители на гибких (FDD) и жестких (HDD) дисках и другие периферийные устройства (PU), входящие в данную аппаратную конфигурацию рабочей (компьютера).