Принцип работы фон неймовской ЭВМ

В построенной по схеме фон Неймана ЭВМ устройства ввода передает команды и данные в АЛУ, откуда они записываются в память.

Команды записывается в память в соседние ячейки по возрастанию их адресов, а данные, в которых требуют обработки, - в ячейки с произвольными адресами. Последняя команда программы - это обязательно команда остановки работы.

Каждая команда содержит код операции, которую необходимо выполнить, и адреса ячеек, в которых находятся данные, обрабатываемые этой командой (операнды).

Устройство управления содержит специальный регистр, который называется “Счетчиком команд”. После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. После чего вычислительная машина переходит в режим автоматического выполнения программы:

- устройство управления считывает из памяти содержимое ячеек памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в регистр команд. Регистр команд хранит команду во время ее исполнения.

- устройство управления расшифровывает тип операции команды, считывает из памяти данные, адреса которых указаны в команде, и приступает к ее выполнению.

Для каждой команды устройство управления имеет свой алгоритм обработки. Он обеспечивает выработку управляющих сигналов для всех остальных устройств ЭВМ. Этот алгоритм может реализовываться на основе комбинационных логических схем или микропрограммы, которая записывается в специальную внутреннюю память.

Микропрограмма выполнения любой команды обязательно должна содержать сигналы, изменяющие содержимое счетчика команд на единицу. Таким образом, после завершения выполнения очередной, команды счетчик команд указывает на следующую ячейку памяти, в которой находится следующая команда программы.

- устройство управления читает команду, адрес которой находится в счетчике команд, помещает ее в регистр команд и т.д.

Этот процесс продолжается до тех пор, пока очередная исполняемая команда не оказывается командой останова исполнения программы.

16.

В основу архитектуры современных ЭВМ положен магистрально-модульный принцип.

Элементы или устройства ЭВМ с такой архитектурой обмениваются информацией через общую магистраль. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины:

Шина данных по ней данные передаются между различными устройствами в любом направлении.

Шина адресов. По ней адреса передаются в одном направлении от процессора к устройствам памяти (оперативной и др.).

Шина управления, по ней передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали (считывание или запись информации из памяти) и синхронизирующие этот обмен.

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией.

Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартом, входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения.

При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМ единственная магистраль перегружается, что существенно «тормозит» работу компьютера.

Поэтому дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов ЭВМ и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести дополнительные шины для обмена данными устройствами.

Центральный контроллер распределяет потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами ПК. Центральный контроллер включает системный таймер, устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и памятью в периоды, когда это не требуется процессору, устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запрос внешних устройств.

Завершая обсуждение особенностей внутренней структуры современных ЭВМ, укажем несколько характерных тенденций в ее развитии. Во-первых, постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних устройств, что приводит, к усложнению системы связей между узлами ЭВМ. Во-вторых, вычислительные машины перестают быть однопроцессорными. Помимо центрального, в компьютере могут быть специализированные процессоры для вычисления с плавающей запятой (так называемые математические сопроцессоры), видеопроцессоры для ускорения вывода информации на экран дисплея и т.п. Развитие методов параллельных вычислений также вызывает к жизни вычислительные системы достаточно сложной структуры, в которых одна операция выполняется сразу несколькими процессорами. В-третьих, наметившееся стремление иметь быстродействующие машины не только для вычислений, но и для логического анализа информации, также может привести в ближайшие годы к серьезному пересмотру традиционной фон-неймановской архитектуры.

Еще одной особенностью развития современных ЭВМ является все ускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций. Все большее количество компьютеров объединяются в сети и обрабатывают имеющуюся информацию совместно.

17.

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд.

Под командой понимают совокупность сведений, представленных в виде двоичных кодов, необходимых процессору для выполнения очередного шага.

В коде команды выделяются определенные разряды (поля) для размещения сведений:

-о типе операции,

- адресов ячеек оперативной памяти, в которых хранятся обрабатываемые данные,

- адреса ячеек памяти, куда будет записываться результат выполнения операции.

Заранее обговоренная структура полей, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода команды называется Форматом команды.

Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации:

1. Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.

- обмен между регистрами процессора,

- процессора и оперативной памятью,

- процессора и периферийными установками.

2. Арифметические операции. К основным арифметическим операциям обычно относятся сложение и вычитание. Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным алгоритмам.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию. Например, операции сравнение или известные логические операции И, ИЛИ, НЕ.

4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо.

5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами.

6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего относят условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом).

Рассматривая систему команд, нельзя не упомянуть о двух современных взаимно конкурирующих направлениях в ее построении: компьютер с полным набором команд CISC (Complex Instruction Set Computer) и с ограниченным набором – RISC (Reduced Instruction Set Computer). Разделение возникло из-за того, что основную часть времени компьютеру приходится выполнять небольшую часть из своего набора команд, остальные же используются эпизодически. Таким образом, если существенно ограничить набор операций до наиболее простых и коротких,, получится достаточно эффективная и быстродействующая RISC-машина. Правда за скорость придется платить необходимостью программной реализации “отброшенных” команд, но часто эта плата бывает оправданной: например, для научных расчетов или машинной графики быстродействие существенно важнее проблем программирования.

18.

Базовая конфигурация ПК содержит:

-системный блок;

-монитор;

-клавиатура;

-мышь;

-периферийные устройства.