3. Структура и принципы функционирования эвм

Более чем за полвека развития вычислительных средств, прогресс в аппарат­ной реализации ЭВМ и совершенствовании их технических характеристик пре­взошел все мыслимые прогнозы и пока не заметно снижения его темпов. Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моде­лями, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алго­ритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений (за исключением систем параллельной обработки информации).

Любая ЭВМ фон-неймановской архитектуры содержит следующие основные устройства:

□ арифметико-логическое устройство (АЛУ);

□ устройство управления (УУ);

□ запоминающее устройство (ЗУ);

□ устройства ввода-вывода (УВВ);

□ пульт управления (ПУ).

В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором. Обобщенная логическая структура ЭВМ представле­на на рис. 1.3.

Процессор или микропроцессор является основным устройством ЭВМ. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем уст­ройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличе­ния процессор использует собственную память небольшого объема, именуемую местной или сверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходи­мость обращения к запоминающему устройству ЭВМ.

Рис. 1.3. Обобщенная логическая структура ЭВМ

Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы — последовательности инструкций.(команд), записанных в порядке выполнения. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает оче­редную команду, расшифровывает ее, определяет какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ.

Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ рабо­тает под управлением УУ.

Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в за­поминающем устройстве — памяти ЭВМ, куда они вводятся через устройство ввода. Емкость памяти измеряется в величинах, кратных байту. Память представ­ляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя, или основная память — это запоминающее устройство, напря­мую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых про­грамм и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внут­ренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины.

Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и посто­янную (ПЗУ) память. Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информа­ции. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимое постоянной за­полняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсаль­ные) программы и данные к примеру, некоторые программы операционной систе­мы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для размещения больших объемов ин­формации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации. Емкость этой памяти прак­тически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней.

Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных устройств ЭВМ (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управле­ние и выполняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на гибких и жестких магнитных дисках (дискеты и винчестеры), оптических и магнитооптических дисках(СБ, DVD, ZIP), Flash-память (флэш-драйвы), а также накопители на магнитных лентах (стримме­ры). Наиболее перспективным видом ВЗУ является Flash-память, конструктивно изготавливаемая в виде чипов и брелков, подключаемых с помощью порта USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина).

ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках, Flash-память) и устрой­ства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, потому они являются ос­новными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми

в процессе функционирования ЭВМ. Устройства последовательного доступа ис­пользуются в основном для резервирования информации.

Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода информации в ЭВМ и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с машиной. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти ЭВМ. Иногда устройства ввода-вывода называют периферийными или внешними уст­ройствами ЭВМ. К ним относятся, в частности, дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы типа «мышь», алфавитно-цифровые печатающие устройства (прин­теры), графопостроители, сканеры и др. Для управления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат группо­вые устройства управления внешними устройствами, адаптеры, или контроллеры.

Системный интерфейс — это конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для взаимодействия ее устройств и обмена информацией между ними.

В больших, средних и супер-ЭВМ в качестве системного интерфейса исполь­зуются сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода, именуемые каналами. Такие устройства обеспечивают высокую скорость обмена данными между компонентами ЭВМ.

Отличительной особенностью малых ЭВМ является использование в качестве системного интерфейса системных шин. Различают ЭВМ с многошинной струк­турой и с общей шиной. В первых, для обмена информацией между устройства­ми используются отдельные группы шин, во втором случае все устройства ЭВМ объединяются с помощью одной группы шин, в которую входят подмножества шин для передачи данных, адреса и управляющих сигналов. При такой организа­ции системы шин обмен информацией между процессором, памятью и перифе­рийными устройствами выполняется по единому правилу, что упрощает взаимо­действие устройств машины.

Пульт управления служит для выполнения оператором ЭВМ или системным программистом различных операций по управлению вычислительным процессом. Кроме того, при техническом обслуживании ЭВМ за пультом управления работа­ет инженерно-технический персонал. Пульт управления часто конструктивно вы­полняется вместе с центральным процессором.