Оперативная память

Оперативная память предназначена для хранения как команд программы, так и данных. По концепции фон Неймана принципиально важно, чтобы команды и данные в оперативной памяти были неразличимы. При этом, если код из оперативной памяти поступал на сумматор, то он интерпретировался как данные, а если на регистр команд, то он интерпретировался как команда. Это было важно для возможности переадресации команд в цикле изменением команд на сумматоре.

Но в современных ЭВМ коды программ и данных в оперативной памяти стараются различать, например, при помощи специальных битов в структурных объектах, называемых дескрипторами сегментов.

Блок устройства управления предназначен для формирования сигналов управления (микроопераций) для выполнения команд программы. Основными блоками устройства управления являются: регистр указателя адреса очередной команды (счетчик команд), регистр команд, блок дешифрации команды, блоки формирования микроопераций, регистр состояния (программы).

Команды поступают из оперативной памяти на регистр команд устройства управления по шинам передачи команд (на рис. 1.1. обозначены двойным пунктиром). Циклы выборки команд управляются не командами, а наборами микроопераций, реализованных аппаратно (прошитых в памяти микропрограмм).

Управление АЛУ и другими устройствами осуществляется передачей сигналов управления (серий микроопераций) согласно командам на все программно управляемые устройства (память, АЛУ, устройства ввода/вывода и т.д.). На рис. 1.1 линии передачи сигналов управления (микроопераций) обозначены одиночными пунктирными линиями.

После выполнения каждой команды признаки результатов посылаются от АЛУ на регистр состояния устройства управления. Коды условий используются для реализаций ветвлений, включая циклы. В современных ЭВМ из АЛУ на устройство управления могут посылаться и сигналы прерываний. На рис.1.1 линии передачи кодов условий и сигналов прерывания обозначены, как и микрооперации, одиночной пунктирной линией.

По концепции фон Неймана команды должны поступать из памяти в устройство управления и выполняться строго по их порядку в программе для обеспечения корректности выполнения программ.

В современных ЭВМ допускается не только одновременное, но и внеочередное выполнение множества команд, но при этом не нарушается корректность их выполнения.

Кроме этого, в современных ЭВМ используютсяне только арифметические, но и логические операции.

Для непосредственной связи с человеком устройство управления содержало пульт управления и панель сигнализации. Но в такой конфигурации это блок- схема скорее калькулятора, а не полноценной ЭВМ. В классической схеме ЭВМ предусмотрены устройства ввода и вывода. Это устройства ЭВМ, предназначенные для ввода и вывода массивов информации в формах, удобных для использования человеком, например в виде печатного текста. Кроме этого, к устройствам ввода/вывода относятся устройства хранения информации вне ЭВМ и переноса на другие ЭВМ. Это накопители на внешних носителях: перфокартах, магнитных лентах, дисках и т.д. Все эти устройства традиционно относят к внешним устройствам.

Внешними устройствами могут быть устройства:

· внешней памяти,

· ввода,

· вывода,

· связи с внешним объектом.

Устройства внешней памяти – это устройства энергонезависимой памяти, обычно на основе записи на магнитную поверхность или на электронных схемах с использованием МДП-транзисторов с плавающим затвором (флэш-память) для хранения и/или передачи данных на другие цифровые устройства.

Устройство ввода – это любое устройство ввода данных и программ в оперативную память ЭВМ (клавиатура, перфокарты, магнитные ленты, магнитные диски и т.д.).

Устройство вывода – это любое устройство вывода данных и программ из оперативной памяти (принтер, магнитная лента, магнитные диски и т.д.). В большинстве современных ЭВМ оперативная память энергозависимая. По этой причине операции ввода/выводы необходимы при включении и выключении ЭВМ.

Устройство связи с внешним объектом – это любое устройство, подключенное к ЭВМ, включая сетевые объекты.

Операция ввода/вывода – это операция передачи информации между оперативной памятью и внешним устройством. Для её реализации требуется задать адрес источника, например адрес на магнитном диске, адрес приемника (начальный адрес в оперативной памяти) и количество передаваемых данных. Затем следует подать серию команд чтения каждой единицы информации из источника и записи в приемник, т.е. операция ввода/вывода требует программы управления (драйвера).

В дальнейшем, по мере развития ЭВМ устройства УУ и АЛУ стали рассматриваться как одно устройство программной обработки данных под названием процессор.

В первых ЭВМ использовали чисто программные методы организации процедуры ввода/вывода. По этой причине на рис.1 устройства ввода/вывода соединены с оперативной памятью не напрямую, а через процессор. Процессор осуществлял операции ввода/вывода, выбирая каждую единицу передаваемых данных на свои регистры по одной команде программы драйвера, а затем, по другой команде, пересылал ее по адресу приемника, подсчитывая количество передаваемых данных и модифицируя адреса источника и приемника.

В более поздних моделях для организации процедур ввода/вывода стали использовать дополнительные специализированные процессоры ввода/вывода. Примером могут служить модели семейства ЭВМ IBM/360.

Структура моделей семейства ЭВМ IBM/360

Это первое семейство программно-совместимых моделей с явно выделенными процессорами ввода/вывода (канальными процессорами или просто каналами). Блок схема моделей ЭВМ IBM/360 представлена на рис. 1.2.

Каждая модель семейства IBM/360 является системой с изменяемой конфигурацией. Она содержит ядро и систему ввода/вывода с изменяемой конфигурацией.

В свою очередь ядро системы предусматривает наращивание блоков оперативной памяти и процессоров.

Система ввода/вывода содержит ряд специализированных процессоров ввода/вывода (каналов) с возможностью адресации до 31 канала. К одному каналу может быть подключено до 256 устройств ввода/вывода (абонентов). Абоненты (или группа однотипных абонентов) подключаются к интерфейсу ввода/вывода через индивидуальные устройства управления для каждого типа абонента.

Операции ввода/вывода задаются программой канала. Команда программы канала определяет единичную операцию. Операция канала – это запись или чтение массива чисел или операция управления. Операции управления задают адреса данных в устройствах ввода/вывода, например номер дорожки диска и т.д.

Каждая процедура ввода/вывода задается набором команд канала (программой канала). Каждая команда определяет единичную операцию. Это может быть команда записи или чтения массива чисел, команда управления (например, задание адреса дорожки диска) и т.д.

Устройства ввода/вывода связаны с каналами ядра ЭВМ при помощи стандартных интерфейсов ввода/вывода.

Процессор и канал не различают тип конкретных устройств, подсоединенных к интерфейсу ввода/вывода через соответствующий контроллер.

Управление вводом/выводом производится со стороны канала на логическом уровне командами стандартного интерфейса, общими для всех типов подключаемых устройств. Но, в зависимости от физической основы конкретного устройства ввода/вывода, эти команды интерпретируются контроллерами индивидуально в зависимости от физики работы периферийного устройства.

Применение стандартного интерфейса позволило очень просто изменять конфигурацию периферийного окружения ядра ЭВМ с использованием общего для всех моделей семейства парка периферийных устройств.

Программа канала начинается по команде процессора SIO – (старт в/в).

Эта команда передает каналам через ячейку оперативной памяти адрес начала программы канала. Каналы проверяют возможность выполнения первой команды и сообщают процессору о начале выполнения программы или отказе кодом условия (КУ). По завершении выполнения программы ввода/вывода канал сохраняет в 64 ячейке памяти результаты выполнения программы в виде "слова состояния канала" и посылает в процессор сигнал прерывания. В процедуре прерывания определяется корректность выполнения операции ввода/вывода.

В качестве сервисной подсистемы в современных моделях системы IBM/370 применяется ЭВМ класса PC, которая используется как средство управления системным инженером (например, для управления операциями тестирования) и системным оператором (например, для управления последовательностью включения питания, настройки операционной системы).

До перестройки в содружестве социалистических стран самыми массовыми моделями ЭВМ собственной разработки и производства были модели семейства ЕС ЭВМ. Программно они были идентичны моделям семейства IBM/360. Но по физической структуре это были оригинальные изделия, часто патентоспособные, но уступающие зарубежным образцам по тем или иным показателям. В настоящее время выпуск их прекратился, как неконкурентных изделий. Но фирменные модели последующих поколений семейства IBM успешно эксплуатируются и сейчас (в меньшей степени и в России). В настоящее время это ЭВМ Z-архитектуры 64-разрядных моделей на основе моделей IBM/370.