Структуры ЭВМ различных поколений

Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений, показанная на рис. 5.3, соответствует принципу программного управления и определяет последовательный характер преобразования данных по некоторой программе.

Рис. 5.3

 

Программы и исходные данные вводятся в ЭВМ с помощью устройства ввода информации. Введенная информация сначала запоминается (частично или полностью) в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) для длительного хранения в виде файлов. Когда некоторый файл потребуется в вычислительном процессе, его содержимое переносится в ОЗУ. Если это программа, то команды последовательно считываются и переносятся в устройство управления (УУ). Оно предназначено для управления работой всех устройств ЭВМ при выполнении программы. Каждая считанная команда дешифрируется и определяет код выполняемой операции, адреса операндов и результата.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Результат выполнения операции сохраняется в одном из регистров или записывается в ОЗУ. Признаки результата r (r = 0, r < 0, r > 0 и др.) всегда записываются в один из регистров (регистр признаков) и используются устройством управления для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты выполнения всей программы из памяти (ОЗУ или ВЗУ) передаются на устройства вывода, т.е. экран дисплея, принтер, графопостроитель и т.п.

Первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, где УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ОЗУ и ВЗУ и др. Это позволяло упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост производительности.

Для ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов обработки данных и ввода-вывода информации. Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили общее название - процессор. В ЭВМ появились дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода; устройства управления обменом информацией; каналы ввода-вывода и др.

Каналы ввода-выводы (КВВ) получили наибольшее распространение в больших ЭВМ (рис. 5.4).

 

Рис. 5.4

 

Среди каналов ввода-вывода выделяют мультиплексные каналы, способные обслуживать одновременно большое число медленно работающих устройств ввода-вывода, и селекторные каналы, обслуживающие поочередно в монопольном режиме высокоскоростные ВЗУ.

В целом в ЭВМ третьего поколения появилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств. Это позволило резко повысить быстродействие ЭВМ.

Дальнейшее изменение структуры произошло в ЭВМ четвертого поколения. Наиболее массовым представителем этого поколения ЭВМ являются персональные компьютеры (ПК), структура которых подобна структуре мини-ЭВМ (рис. 5.5).

 

 

Рис. 5.5

 

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, которая представляет собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Все передачи по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПК образуют процессор, основная память (ОП), включающая ОЗУ и ПЗУ, и видеопамять. В ПЗУ располагаются наиболее часто используемые программы управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), таких как дисплей, клавиатура, ВЗУ, обеспечивается через соответствующие адаптеры и контроллеры. Адаптеры служат для согласования скоростей работы сопрягаемых устройств, контроллеры - для управления периферийной аппаратурой.

Контроллеры в ПК играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств выделяют таймер (устройство измерения времени) и контроллер прямого доступа к памяти (ПДП) - устройство для обращения к памяти без использования процессора.

Единая система аппаратных соединений на основе общей шины значительно упростила структуру ЭВМ, сделав ее еще более децентрализованной. Однако по мере развития вычислительной техники единственная шина уже не могла обеспечить эффективной работы. Поэтому в современных ПК канал взаимодействия устройств компьютера представлен объединением большого числа шин, работающих в соответствии с различными (старыми и новыми) стандартами.