20. Физические основы эвм. Электронный ключ. Электронный вентиль. Сумматор. Элемент памяти (триггер). Процессор. Шина адреса и шина данных.

Электронный ключ

Основным элементом ЭВМ является транзистор,

работающий в ключевом режиме

Транзистор проводит ток между истоком и стоком,

только, если на затвор подано положительное (от-

носительно подложки) напряжение

Транзистор — это электронный ключ, включение и

выключение которого производится с помощью

электричества

Вентиль "НЕ"

В качестве "строительных" кубиков в ЭВМ исполь-

зуются более крупные элементы - вентили, состо-

ящие из транзисторов

Самым простым вентилем является вентиль "НЕ":

выход = не вход

Сумматор

Сумматор – это логическая схема, способная складывать

два одноразрядных двоичных числа с

переносом из предыдущего разряда

Процессор

Обработку информации в ЭВМ производит процессор, который может выполнять простой набор команд:

- арифметические операции (+,-,*,/);

- операции отношения (>, <, =, <>);

- логические операции (не, и, или);

- считать/записать данные в память/из памяти;

- перейти к заданной команде.

Эти команды выполняются специальными электронными схемами, состоящим из десятков и сотен тысяч вентилей

Характеристики процессора

Разрядность процессора — количество бит одновременно, обрабатываемых командой процессора: 8, 16, 32 или 64 бита

Быстродействие процессора — число выполняемых команд в секунду: 109-1010 команд/сек

Быстродействие и разрядность определяют объем информации, перерабатываемой ЭВМ в единицу

времени

Элемент памяти - триггер

Для хранения одного бита используется электронная схема, называемая триггером

Память

Память состоит из большого количества триггеров

Для хранения 8 бит информации нужно 8 триггеров. Для хранения 1Гбайт информации требуется примерно 1010 триггеров

В памяти ЭВМ запоминающие элементы объединяют в группы из нескольких (8, 16, 32, 64) бит - ячейки памяти

Операции чтение-запись выполняются с целой ячейкой, а не с отдельными запоминающими элементами

Память можно рассматривать как непрерывную ленту ячеек памяти, где каждая ячейка имеет свой номер (адрес)

Выводы

Основные элементы ЭВМ — процессор и память — состоят из миллионов электронных ключей

Электрические схемы процессора позволяют выполнять арифметические и логические операции над последовательностями нулей и единиц

Электрические схемы памяти позволяют запоминать последовательности нулей и единиц, а затем их извлекать

В процессе выполнения программы процессор постоянно извлекает последовательности нулей и единиц из памяти, выполняет их обработку и снова записывает в память

21. Структура и принципы функционирования машины фон Неймана

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

Принципы фон Неймана

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Архитектура машины фон Неймана

Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) - ЗУ, арифметико-логического устройства - АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода.

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.

Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.