Принципы работы ЭВМ - Лекция, раздел Электроника, Курс лекций по дисциплине ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ Любая Форма Человеческой Деятельности, Любой Процесс Функционирования Техниче...
Любая форма человеческой деятельности, любой процесс функционирования технического объекта связаны с передачей и преобразованием информации. Информацией называются сведения о тех или иных явлениях природы, событиях в общественной жизни и процессах в технических устройствах. Информация, воплощенная и зафиксированная в материальной форме, называется сообщением. Сообщения могут быть непрерывными и дискретными (цифровыми). Непрерывное (аналоговое) сообщение представляется физической величиной (электрическим напряжением, током и т. д.), изменения которой во времени отображают протекание рассматриваемого процесса.
Для дискретного сообщения характерно наличие фиксированного набора элементов, из которых в определенные моменты времени формируются различные последовательности. ЭВМ или компьютеры являются преобразователями информации. В них исходные данные задачи преобразуются в результат ее решения. В соответствии с используемой формой представления информации машины делятся на 2 класса: непрерывного действия – аналоговые и дискретного действия – цифровые. Мы изучаем ЭВМ (цифровые).
Рис. 1.1. Классическая структурная схема ЭВМ
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – преобразует машинные слова
Память – основная или оперативная (внутренняя) память (ОП); внешняя память (ВП)
Ячейки памяти нумеруются, номер ячейки называется адресом.
В запоминающих устройствах (ЗУ), реализующих в ЭВМ функцию памяти, выполняются операции считывания хранимой информации для передачи в другие устройства и записи информации, поступающей из других устройств.
Алгоритмом решения задачи численным методом называют последовательность арифметических и логических операций, которые надо произвести над исходными данными и промежуточными результатами для получения решения задачи.Алгоритм можно задать указанием, какие следует произвести операции, в каком порядке и над какими словами. Описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ, называется программой.
Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа программного управления, который составляет главную особенность ЭВМ.
Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы, согласно которому программа, закодированная в цифровом виде, хранится в памяти наравне с числами. В команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а адреса ячеек ОП, в которых они находятся и адрес ячейки, куда помещается результат операции.
Команды выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти, кроме команд безусловного и условного перехода, изменяющих этот порядок соответственно безусловно или только при выполнении некоторого условия, обычно задаваемого в виде равенства нулю, положительного или отрицательного результата предыдущей команды или отношения типа <, =, > для указываемых командой чисел. Благодаря наличию команд условного перехода ЭВМ может автоматически изменять ход выполняемого процесса, решать сложные логические задачи.
При помощи устройства ввода программа и исходные данные считываются и переносятся в ОП.
Информация от одного устройства ЭВМ к другому передается по шинам. В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.
Магистраль включает в себя три многоразрядные
· шины: шину данных,
· шину адреса
· и шину управления.
Шины представляют собой многопроводные линии.
Шина данных(Data Bus);. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.
Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивалась по мере развития компьютерной техники.
|
|
| Магистрально-модульное устройство компьютера
|
Шина адреса(Address Bus);. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).
Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:
Шина управления(Control Bus);. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют какую операцию считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.
Все темы данного раздела:
Этапы развития ЭВМ.
Идея использования программного управления для построения устройства, автоматически выполняющего арифметические вычисления, была впервые высказана английским математиком Ч.Бэббиджем еще в 1833г. Од
Система счисления.
Способ представления изображения произвольных чисел с помощью некоторого конечного множества символов назовем системой счисления.
В повседневной практике мы пользуе
Позиционные системы счисления.
Само название этих систем указывает на связь значимости числа и его изображения от позиции.
Позиция - некоторое место, в котором может быть представлен лишь один символ.
Пр
Выбор системы счисления.
Возникает естественный вопрос, является ли общепринятая система счисления с основанием 10 оптимальной? Если да, то с каких позиций? Вопрос заслуживает внимания, т.к. одна из первых ВМ
Перевод чисел из одной системы счисления в другую.
Всякий раз, когда используется для вычислений система счисления, отличная от фактической, необходимо выполнить перевод 10 => p, p => 10.
Этот перевод может быть
Перевод чисел из одной системы счисления в другую, когда одно основание является целой степенью другого.
Как мы уже знаем, в ЭВМ наибольшее применение находит система с основаниями 2, 4, 8, 16, т.е. системы которые кратны степени 2. Поэтому целесообразно рассмотреть лишь правила перевода чисел в этих
Фиксированная запятая
Оговоримся, что разрядная сетка машины имеет постоянное число разрядов - n.
При представлении чисел с фиксированной запятой считают, что запятая всегда находится перед старшим разря
Плавающая запятая
В ЭВМ с плавающей запятой число представляется в виде:
X = ± Mx * q±p,
где: Mx - мантисса числа;
q - основание системы счисления;
p - порядок.
Разрядная
Дополнительный код
Дополнительным называется код, в котором для положительного числа в знаковом разряде пишется "0", в цифровых - модуль числа, а для отрицательного в знаковом разряде пишется "1",
Обратный код
Обратным называется код, для которого в знаковом разряде положительного числа пишется "0", в цифровых - модуль числа, а для отрицательного - в знаковом разряде пишется единица, в цифровых
Логические функции и их свойства
Существенная часть ЭВМ состоит из электронных элементов, реализующих функции алгебры логики – Булевой алгебры.
Студентам кафедры информационных технологий МГУТУ читают курс дискретной мате
Сложение по mod 2
1 х = x0 x = xx x = 1 x x x ... x = х – при нечетном числе членов, 0 - при четном числе членов
Правило де Моргана
x1 x2 ...
Базовые элементы цифровой электротехники
Изучение базовых элементов цифровой электроники мы начнем с наиболее простых, а затем будем рассматривать все более сложные. Примеры применения каждого следующего элемента будут опираться на все эл
Инверторы
Самый простой логический элемент — это инвертор (логический элемент НЕ, "inverter") выполняет простейшую логическую функцию — инвертирование, то есть изменение уровня входного сигнала на
Элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ
Следующий шаг на пути усложнения компонентов цифровой электроники — это элементы, выполняющие простейшие логические функции. Объединяет все эти элементы то, что у них есть несколько равноправных вх
Дешифраторы
Функции дешифраторов и шифраторов понятны из их названий. Дешифратор преобразует входной двоичный код в номер выходного сигнала (дешифрирует код), а шифратор преобразует номер входного сигнала в вы
Шифратор
Шифратор – схема, имеющая 2n входов и n выходов, функции которой во многом противоположны функции дешифратора (рис. 5.5). Эта комбинационная схема в соответствии с унитарным кодом
Сумматоры
Сумматор (английское Adder), является простейшим цифровым устройством. Это узел ЭВМ, выполняющий арифметическое суммирование кодов чисел, т.е. он предназначен для сложения двух чисел, заданных в дв
ЛЕКЦИЯ 6.ПОСЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ УЗЛЫ ЭВМ.
Последовательскими называются цифровые микросхемы, имеющие внутреннюю память. Простейшими из них являются триггеры, регистры и счетчики. Если выходные сигналы логических элементов и комбинационных
Триггеры
В основе любого триггера (англ. — "тrigger" или "flip-flop") лежит схема из двух логических элементов, которые охвачены положительными обратными связями (то есть сигналы
RS триггеры.
Основу одноступенчатого триггера составляет рассмотренная выше запоминающая ячейка. Комбинационная схема преобразует управляющие сигналы триггера,Таблица переходов RSтриггера приведена в таблице 6.
D-триггеры
D-триггер (D от англ. delay — задержка, либо от data- данные) — запоминает состояние входа и выдаёт его на выход. D-триггеры имеют, как минимум, два входа: информационный D
Т-триггеры
Его называют также триггером со счетным входом. Он имеет один управляющий вход Т и два выхода Q и -Q. Информация на выходе такого триггера меняет свой знак на противоположный при каждом положительн
Регистр сдвига
Регистр сдвига – регистр, обеспечивающий помимо хранения информации, сдвиг влево или вправо всех разрядов одновременно на одинаковое число позиций. При этом выдвигаемые за пределы
Счетчики
Счетчиком называется электронная схема, предназначенная для подсчета числа сигналов, поступающих на его счетный вход. Счетчики используются в устройстве управления ко
Описание АЛУ
Арифме́тико - логи́ческое устро́йство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок центрального процессора, который под управлением устройства управления (УУ) сл
Работа АЛУ.
Предполагается, что операнды хранятся в оперативной памяти.
1. По управляющему сигналу Y1 первое слагаемое (или уменьшаемое при вычитании)поступает из оперативной памяти по B
ЛЕКЦИЯ 8.УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ.
Компьютер условно можно разделить на два основных блока: операционный и управляющий. Для реализации любой команды необходимо на соответствующие управляющие входы любого устройства компьютера подать
Схемное устройство управления
Устройство управления схемного типа (рис. 8.1) состоит из:
· датчика сигналов, вырабатывающего последовательность импульсов, равномерно распределенную во времени по своим шин
Датчик сигналов на сдвиговом регистре
Проектирование датчика сигналов на сдвиговом регистре требует лишь его "закольцовывания", то есть соединения выхода последнего разряда с входом, через который в регистр заносится и
ЛЕКЦИЯ 9. ПАМЯТЬ.
Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации.
Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающим
Оперативная память
Операти́вная па́мять(ОП), Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (англ. Random Access Memory, часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, не
Форматы команд
Запись любой команды определяется ее форматом.
Формат команды – это структура команды, позволяющая распознать назначение отдельных ее полей.
Исходя из определения
Способы адресации
Решить проблему сокращения разрядности команды только за счет сокращения количества указываемых в команде операндов и применения регистровой памяти невозможно. Этой же цели служит использование раз
Прямая адресация.
Физический адрес операнда совпадает с кодом в адресной части команды (рис. 10.4). Формальное обозначение:
Операндi = (Аi),
где Аi – код, со
Косвенная адресация
Адресная часть команды указывает адрес ячейки памяти (рис. 10.6,а) или номер регистра (рис. 10.6,б), в которых содержится адрес операнда:
Операндi = ((Аi
Относительная адресация.
Этот способ используется тогда, когда память логически разбивается на блоки, называемые сегментами. В этом случае адрес ячейки памяти содержит две составляющих: адрес начала сегмента (базовый адрес
ЛЕКЦИЯ 11. ВЫПОЛНЕНИЕ ОДНОЙ КОМАНДЫ ЭВМ.
Для улучшения понимания вопросов взаимодействия узлов и устройств ЭВМ рассмотрим автоматическое выполнение команды в трехадресной ЭВМ с классической архитектурой. Структурная схема такой ЭВМ показа
Назначение, область применения многопроцессорных вычислительных систем
Многопроцессорные вычислительные системы могут существовать в различных конфигурациях. Наиболее распространенными типами МВС являются:
· системы высокой надежности ;
SMP-архитектура
SMP (symmetric multiprocessing) – симметричная многопроцессорная архитектура. Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти,
MPP-архитектура
MPP (massive parallel processing) – массивно-параллельная архитектура. Главная особенность такой архитектуры состоит в том, что память физически разделена. В этом случае сис
Гибридная архитектура NUMA
Главная особенность гибридной архитектуры NUMA (nonuniform memory access) – неоднородный доступ к памяти .
Гибридная архитектура совмещает достоинства
Архитектура Многопоточных систем
используются для обеспечения единого интерфейса к ряду ресурсов, которые могут со временем произвольно наращиваться (или сокращаться). Типичным примером может служить группа web-серверов.
Конвейерные процессоры
Процессоры современных компьютеров используют особенную технологию – конвейеры, которые позволяют обрабатывать более одной команды одновременно.
Обработка команды м
Матричные процессоры
Наиболее распространенными из систем класса один поток команд – множество потоков данных (SIMD) являются матричные системы, которые лучше всего приспособлены для решения задач, характеризующихся
Прерывания
Весьма важной частью ВС, обеспечивающей многопрограммность ее работы, является система прерывания программы. Система прерываний реализуется программно и аппаратно. Ее программные блоки в основном в
ЛЕКЦИЯ 13. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ.
Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) — система связи компьютеров и/или компьютерного оборудования
Компьютерные сети делятся на
персональн
Топология локальных сетей
Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями
Топология шина
· Шина (bus) — все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи. Информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис. 13.1).
Топология звезда
· Звезда (star) — к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует отдельную линию связи (рис. 13.2.). Инфор
Топология кольцо
· Кольцо (ring) — компьютеры последовательно объединены в кольцо. Передача информации в кольце всегда производится только в одном направлении. Каждый из компьютеров передает информацию только одном
Другие топологии
Кроме трех рассмотренных базовых топологий нередко применяется также сетевая топология дерево (tree), которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд. Причем, как и в случае звезды, дер
Новости и инфо для студентов