Архитектура ЭВМ. Структура, предложенная в 1946 году Дж

Структура, предложенная в 1946 году Дж. Фон Нейманом, основана на принципе хранимой программы, согласно которому программа кодируется и хранится в памяти ЭВМ так же, как и другая информация.

ЭВМ содержит следующие основные устройства:

- АЛУ - арифметико-логическое устройство;

- ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;

- ВЗУ – внешнее запоминающее устройство;

- УУ - устройство управления;

- устройства ввода данных в машину и вывода из нее результатов расчетов;

- пульт ручного управления.

АЛУ производит арифметические и логические преобразования над поступающими машинными словами- операндами (числа и коды операций.(сложение,вычит,модуль,сдвиг влево и вправо))

Память хранит информацию, передаваемую из других устройств.Память состоит из 2 частей: быстродействующей основной или оперативной (внутренней) памяти (ОЗУ, ОП) и относительно медленно действующей, но способной хранить значительно больший объем информации, внешней памяти (ВЗУ, ВП).Оперативная память содержит ряд ячеек, каждая из которых служит для хранения машинного слова. Ячейки нумеруются по порядку, номер ячейки называется адресом.

УУ - автоматически управляет вычислительным процессом, осуществляет выборку команд и операндов из ОП, расшифровывает коды операций, передает операнды в АЛУ, помещает полученный результат в ОП.

Устройство ввода осуществляет ввод в ЭВМ (в ОП) программы и исходных данных с машинных носителей информации (перфолент, перфокарт, магнитных лент, дисков или непосредственно с клавиатуры).

Устройство вывода служит для выдачи из машины результатов расчета путем распечатывания на бумаге, пробивок на перфолентах и перфокартах или отображения на экранах дисплея.

Пульт управления. С его помощью оператор запускает и останавливает машину и при необходимости может вмешаться в процесс решения задачи.

6. Принципы организации арифметико-логических устройств. Классификация АЛУ. Особенности АЛУ для выполнения разных типов операций над разными типами операндов. Особенности АЛУ микропроцессоров.

Арифметическо-логические устройства(АЛУ)-служат для выполнения арифметических и логических преобразований слов, называемых в этом случае операндами.Применяемые в АЛУ операции можно разделить на группы:

-операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой,-

-операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики с плавающей точкой;

-операции десятичной арифметики;

-операции индексной арифметики (при модификации адресов)

-операции специальной арифметики;

-операции над логическими кодами (логические операции);

-операции рации над алфавитно-цифровыми полями.

По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ представляются в последовательном коде, а операции вып. последовательно во времени над отдельными разрядами.В параллельных АЛУ операнды представляются II кодом и операции совершаются параллельно над всеми разрядами операндов. По способу представления чисел различают АЛУ: для чисел с фиксированной точкой; для чисел с плавающей точкой; и десятичных чисел. По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные.

В АЛУ операция алгебраического сложения сводит­ся к арифметическому сложению кодов чисел путем применения инверсных кодов — дополнительного или обратного для пред­ставления чисел..

Алгоритмы выполнения в АЛУ арифметических операций зависят от того, в каком виде хранятся в памяти ЭВМ числа в прямом или дополнительном. А лгебраическое сложение двоичных чисел с фиксированной точкой при использовании дополнительного кода для представления чисел. При выполнении операции сложения про изводится сложение двоичных кодов, включая разряды знаков. Операция алгебраического вычитания может быть сведена к изменению знака вычитаемого и опера­ции алгебраического сложения. .В ЭВМ операция умножения чисел с фиксированной точкой с помощью соответствующих алгоритмов сводится к операциям сложения и сдвига.При операции умножения целых чисел необходимо предусмотреть возможность формиро­вания в АЛУ произведения, имеющего двойную по сравнению с сомножителями длину. Для выполнения умножения АЛУ должно содержать регист­ры множимого, множителя и схемы формирования суммы частичных произведений — так называемый сумматор частич­ных произведений, в котором производится последовательное суммиро­вание частичных произведений.

Особенности операций десятичной арифметики Арифметические операции над десятичными числами (сложение, вычитание, умножение, деление) выполняются по аналогии с операциям над целыми двоичными числами. Основой АЛУ десятичной арифметики является сумматор двоично-десятичных кодов. Такой сумматор, как правило, строится на основе двоичного путем добавления некоторых цепей Особенности АЛУ микропроцессоров Для микро ЭВМ и микропроцессоров типичной является та­кая организация, при которой их внутренние регистры используются в различных целях. Часто собствен­ные регистры АЛУ (регистры, используемые только для выпол­нения арифметических и логических операций) в микропроцессо­рах отсутствуют. Это дает повод рассматривать АЛУ микропро­цессоров как комбинационную схему, выполняющую арифмети­ческие и логические операции над операндами, находящимися в регистрах микропроцессора. Результат операции засылается в некоторый регистр микропроцессора.

Подобные АЛУ входят в состав большинства микропроцес­соров: К580, К1810 и др.В процессе выполнения операций комбинационное АЛУ вза­имодействует с регистрами микропроцессора, являющимися обычно источниками и приемниками операндов для такого АЛУ, один и тот же регистр может рассматри­ваться и как источник, и как приемник информации.

7. Процессоры ЭВМ и микропроцессоры. Назначение, структура, основные блоки. RISС и CISС архитектуры процессоров.

Процессором называется устройство, непосредственно осу­ществляющее процесс обработки данных и программное управ­ление этим процессом. Процессор дешифрирует и выполняет команды программы, организует обращения к оперативной па­мяти, в нужных случаях инициирует работу периферийных устройств, воспринимает и обрабатывает запросы, поступающие из устройств машины и из внешней среды («запросы прерыва­ния»),Процессор занимает центральное место в структуре ЭВМ, так как он осуществляет управление взаимодействием всех устройств, входящих в состав ЭВМ.

В структуру процессора входят следующие части: арифметическо-логическое устройство АЛУ, управляющее устройство (управляющий автомат) УУ, блок управляющих регистров БУР, блок регистровой памяти (местная память) и блок связи с ОП и некоторым внешним

Оперативная (основная) память выполняется в виде отдель­ного устройства

. Арифметическо-логическое устройство процессора выполняет логические и арифметические операции над данными

Управляющее устройство (управляющий автомат) выраба­тывает последовательность управляющих сигналов, инициирую­щих выполнение соответствующей последовательности микроо­пераций, обеспечивающей реализацию текущей команды.

Блок управляющих регистров предназначен для временного хранения управляющей информации. (содержит регистры и счетчики)

Для повышения быстродействия и логических возможностей процессора и микропроцессора в их состав включают блок ре­гистровой памяти (местную память)

Блок связи (интерфейс процессора) организует обмен ин­формацией процессора с оперативной памятью и защиту участков ОП от недозволенных данной программе обращений, а также связь процессора с периферийными устройствами

Блок контроля и диагностики слу­жит для обнаружения сбоев и отказов в аппаратуре процессора, восстановления работы программы после сбоев

микропроцессоры — функцио­нально законченные, управляемые хранимой в памяти програм­мой (большей частью малоразрядные) устройства обработки цифровой информации, выполненные в виде одной или несколь­ких БИС или СБИС.

Микропроцессоры (МП) отличаются крайне малыми габа­ритными размерами, малой потребляемой мощностью, довольно большим быстродействием, высокой надежностью и дешевиэной.

Микропроцессорные средства производятся в виде микро­процессорных комплектов интегральных микросхем, помимо самого микропроцессора комплект содержит микросхемы, поддерживающие функционирование микропроцессора и расши­ряющие его логические возможности.

Развитие микропроцессоров связано с биполярной и МОП-технологий

МОП-структуры электронных схем позволяют размещать на одном кристалле большое число элементарных схем благодаря их небольшим размерам

Биполярные БИС, обладали намного большим быстродействием, но значительно меньшей плотнос­тью компонентов на кристалле. Поэтому довольно трудно бы­ло построить биполярный микропроцессор на одном кри­сталле.

CISC-архитектура (Complect instruction set computer) комп. С полным набором команд

Risc- архитектура. Развитие архитектуры ЭВМ идет по пути расширения системы команд (cisc),увеличение их сложности до команд языков высокого уровня, следовательно длительное время их выполнения.Это делает более трудным реализацию процессора на одном кристалле интегральной микросхемы. В 80,90 г сформирова­лось направление СНК-архитектура (RISC) архитектуры. СНК-архитектура предполагает реализацию в ЭВМ сокра­щенного набора простейших, но часто употребляемых команд, что позволяет упростить аппаратурные средства процессора и благодаря этому получить возможность повысить его быстро­действие.Процессоры Risc исп короткие команды (1 тактовые) одинаковой длины,адресация регистровая, увеличили кол-ва внутренних регистров,ввели регистровые окна- часть регистров используется одновременно неск. программами. Проц RISC превзошли по быстродействию CISC, а выполнение более сложных, но редко встречающих­ся операций обеспечивают подпрограммы. Особенности СНК-архитектуры приводят к такому упрощению структуры процессора, что становит­ся возможной его реализация на одном кристалле. Примером является высокопроизводительный персональный компьютер IBM PC. RT

8. Управляющие устройства (автоматы) ЭВМ. Функции управляющих автоматов. Классификация управляющих автоматов. Принцип действия управляющего автомата с хранимой в памяти логикой. Микропрограммное управление. Управляющий автомат с жесткой (аппаратной) логикой. Методика синтеза управляющего автомата.

управляющий блок(управляющее устройство )- часть цифрового вычислительного устройства, предназна­ченная для выработки последовательностей управляющих фун­кциональных сигналов. Генерируемая управляющим блоком последовательность управляющих сигналов задается поступаю­щими на входы блока кодом Операции, сигналами из операци­онного блока, несущими информацию об особенностях операн­дов, промежуточных и конечного результатов операции, а также синхросигналами, задающими границы тактов.

Формально управляющий блок можно рассматривать как конечный автомат, определяемый:

а)множеством двоичных выходных сигналов V

б)множествами входных сигналов Z и двоичным оповещающим сигналам (U);

в)множеством подлежащих реализации микропрограмм S

Сказанное поясняет, почему управляющие блоки называют управляющими автоматами. Поскольку эти автоматы задаются микропрограммами, они часто именуются микропрограммными автоматами.

Существуют два основных типа управляющих автоматов.

1. Управляющий автомат с жесткой, или схемной, логикой.
Для каждой операции, задаваемой, например, кодом операции команды, строится набор комбинационных схем, которые в нуж­ных тактах возбуждают соответствующие управляющие сигналы

2 Управляющий автомат с хранимой в памяти логикой (с «запоминаемой или программируемой логикой»). Каждой выполняемой в операционном устройстве операции ставится в соответствие совокупность хранимых в памяти слов — микро­ команд, содержащих каждая информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в течение одного машинного такта Управляющие автоматы с «жесткой» логикой представляют собой логические схемы, вырабатывающие распределенные во времени управляющие функциональные сигналы

Микропрограммирование

Последовательность микрокоманд, выполняющих одну ма­шинную команду или отдельную процедуру, образует микро­программу. Обычно микропрограммы хранятся в специальной памяти микропрограмм (управляющей памяти Одним из достоинств микропрограммных устройств управле­ния является их наглядность, облегчающая изучение процесса функционирования ЭВМ и их эксплуатацию. Хранимая в памяти микропрограмма должна содержать ин­формацию о функциях переходов и выходов управляющего микропрограммного автомата.

Микропрограммирование широко используется для про­блемной ориентации микропроцессорных устройств и систем при помощи специализированного набора команд, обеспечиваю­щего наиболее эффективное решение определенных задач поль­зователя.

Методика синтеза управляющего автомата

1 Должна быть написана микропрограмма работы управляющего устройства

2 На основе микропрограммы строится граф схема (ГСА)граф Мура или Миля

3 Определяется кол-во элементов памяти для хранения состояний

4 Составляется таблица переходов из сост-я в сост-е с указанием элементов памяти (триггеров)

5 На основе этой таблицы записываются функции возбуждения триггеров(логические)

6 Составляются логические схемы,реализующие эти функции возбуждения

7 Синтезируется выходное устройство и далее все составляющие соединяются между собой и получается управляющий автомат, которому навходы подаются оповещающие сигналы из АЛУ, а выходы из управляющего автомата соединяются с входами АЛУ.