Принципы построения и архитектура ЭВМ

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА  ЭВМ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

1. Рождение ЭВМ
2. Принцип действия ЭВМ.
3. Архитектурно-функциональные принципы построения ЭВМ.

4. Основные характеристики и архитектура ЭВМ

5. Области применения и классификация ЭВМ. Понятие о системах ЭВМ.

6. Общие принципы построения современных ЭВМ

7. Структура программного обеспечения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Рождение ЭВМ

В древности появилось простейшее счетное устройство - абак. В семнадцатом веке была изобретена логарифмическая линейка, облегчающая сложные математические расчеты. В 1642 году Блез Паскаль сконструировал восьмиразрядный суммирующий механизм. Два столетия спустя в 1820 году француз Шарль де Кольмар создал арифмометр, способный производить умножение и деление.

В 1833 году основные идеи, лежащие в основе работы компьютера изложил английский математик Чарльз Беббидж. Он разработал проект машины для выполнения научных и технических расчетов, где предугадал основные устройства современного компьютера, а также его задачи. Управление такой машиной должно было осуществляться программным путем. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты - листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий. Идеи Бэббиджа стали реально воплощаться в жизнь в конце 19 века. В 1888 году американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счетную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. — В 1896 году Герман Холлерит основал фирму Computing Tabulating Recording Company, которая стала основой для будущей Интернэшнл Бизнес Мэшинс (International Business Machines Corporation, IBM) - компании, внесшей гигантский вклад в развитие мировой компьютерной техники. Дальнейшие развития науки и техники позволили в 1940-х годах построить первые вычислительные машины. Создателем первого действующего компьютера Z1 с программным управлением считают немецкого инженера Конрада Цузе. В феврале 1944 года на одном из предприятий Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета по заказу ВМС США была создана машина "Mark 1". В 1946 в США была создана первая электронная вычислительная машина (ЭВМ) - ENIAC (Electronic Numerical integrator and Computer - Электронный числовой интегратор и компьютер).Разработчики: Джон Мочи (John Маuchу) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert). — В Советском Союзе первая электронная цифровая вычислительная машина была разработана в 1950 году под руководством академика С. А. Лебедева в Академии наук Украинской ССР. Она называлась «МЭСМ» (малая электронная счётная машина). Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон - создатель теории информации, Алан Тьюринг - математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до сих пор лежит в основе большинства компьютеров.

 

2.Принцип действия ЭВМ

ЭВМ – совокупность технических устройств, предназначенных для автоматизированной обработки дискретных сообщений по требуемому алгоритму

Идея автоматизации процесса обработки  данных заложена в принцип действия ЭВМ. На рис. 1.1 приведена структурная схема абстрактной ЭВМ. Она позволит показать состав, порядок, и принципы взаимодействия основных функциональных частей ЭВМ.

Рис 1.1 Структурная схема ЭВМ.

Любая ЭВМ содержит следующие основные устройства:

• арифметико-логическое (АЛУ);
• управления (УУ);
• ввода данных в ЭВМ и вывода из нее результатов обработки (УВВ);
• память (ЗУ).

АЛУ и УУ образуют процессор.

Память состоит из запоминающих устройств (ЗУ) и предназначена для хранения алгоритма обработки данных и самих данных. Они включают некоторое число L ячеек памяти, каждая из которых используется для запоминания одного l-разрядного двоичного числа. Запись и чтение данных осуществляется только при указании места их хранения.

АЛУ. Выполняет арифметические и логические операции над поступающими в него двоичными кодами команд и данных. Каждый процессор выполняет ограниченный набор команд, входящий в систему команд ЭВМ.

УУ под воздействием поступающих данных автоматически координирует работу всех устройств ЭВМ посредством своевременной выдачи на них управляющих сигналов: предписывает АЛУ выполнение конкретной операции, управляет обменом между ЗУ и процессором, работой УВВ.

Алгоритм – последовательность операций (действий), выполнение которой над исходными данными и промежуточными результатами приводит к конечному результату – решению. В памяти ЭВМ он хранится в виде двоичных многоразрядных чисел – машинных кодов команд.

Программа – описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими данными (операндами) это действие производится.

 

 

 

3. Архитектурно-функциональные принципы построения ЭВМ.

 

Были разработаны и опубликованы в 1946 г. венгерским математиком и  физиком Джоном фон Нейманом и  его коллегами Г. Гольдстайном и А. Берксом в ставшем классическом отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства».

Основные принципы построения ЭВМ.

1.Программное управление работой  ЭВМ. Программы состоят из отдельных шагов-команд; команда осуществляет единичный акт преобразования информации; последовательность команд, необходимая для реализации алгоритма, является программой; все разновидности команд, использующиеся в конкретной ЭВМ, в совокупности являются языком машины или системой команд машины.

2.Принцип условного перехода. Это возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от промежуточных, полученных в ходе вычислений результатов; реализация этого принципа позволяет легко осуществлять в программе циклы с автоматическим выходом из них, итерационные процессы и т.п. Благодаря принципу условного перехода, число команд в программе получается значительно меньше, чем при использовании программы за счет многократного вхождения в работу участков программы.

3.Принцип хранимой программы. Заключается в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и исходные данные. Команды для исполнения выбираются из ОЗУ в УУ, а числа – в АЛУ. Для ЭВМ и команда, и число являются машинным словом, и если команду направить в АЛУ в качестве операнда, то над ним можно произвести арифметические операции, изменив ее. Это открывает возможность преобразования программ в ходе их выполнения; кроме того это обеспечивает одинаковое время выборки команд и операндов из ОЗУ для выполнения, позволяет быстро менять программы и их части, вводить непрямые системы адресации, видоизменять программы по определенным правилам.

4.Принцип использования двоичной  системы счисления

для представления информации в  ЭВМ. Это существенно упрощает техническую  конструкцию ЭВМ.

5.Принцип иерархичности ЗУ. Это компромисс между емкостью и временем доступа к данным для обеспечения относительной дешевизны.

Эти принципы фон Неймана относятся  к фундаментальным положениям, определившим на многие годы развитие вычислительной техники и кибернетики.

 

4. Основные характеристики и архитектура ЭВМ.

Архитектура ЭВМ – совокупность ее свойств и характеристик, рассматриваемых с точки зрения пользователя машины. Полный комплекс значимых для пользователя общих вопросов функциональной и структурной организации ЭВМ, общения с нею, организации вычислительного процесса, включая совокупность характеристик и параметров ЭВМ, влияющих на решение этих вопросов, охватывается понятием архитектуры.

Важнейшие для пользователя группы характеристик ЭВМ, определяющие ее архитектуру:

• характеристики машинного языка и системы команд (количество и состав команд, их форматы, системы адресации, наличие программно-доступных регистров в процессоре и т.д.), которые определяют алгоритмические возможности процессора ЭВМ;
• технические и эксплутационные характеристики ЭВМ: производительность, показатели надежности, точности, емкость памяти, потребляемая мощность, стоимость и т.д.;
• характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; наличие возможности подключения дополнительных модулей (сверхоперативной памяти, канала прямого доступа к памяти, арифметического расширителя и др.) с целью расширения базовой конфигурации или улучшения технических характеристик базовых модулей;
• состав программного обеспечения и принципы его взаимодействия с техническими средствами ЭВМ.

К ресурсам ЭВМ относятся те реальные аппаратные и программные средства (например, машинное время процессора, емкость ОЗУ, набор УВВ, программные  модули), которые ЭВМ может выделить процессу обработки данных на время  решения задач пользователя.

Программное и аппаратное обеспечение  ЭВМ взаимосвязано и образует с точки зрения пользователя виртуальную  ЭВМ, в которой отдельные ресурсы  реализованы совокупностью аппаратных и программных средств.

 

 

 

 

 

5. Области применения и классификация ЭВМ. Понятие о системах ЭВМ.

 

Успехи в развитии вычислительной техники привели к значительному  расширению сферы применения ЭВМ. Первоначально  сравнительно узкая сфера применения ЭВМ, главным образом для научных  и технических расчетов, в короткий срок существенно расширилась и  охватила все области человеческой деятельности.

Существует много способов классификации ЭВМ. Если в качестве главных классификационных признаков взять сложность оборудования, занимаемые им площади и численность обслуживающего персонала, то можно выделить следующие классы ЭВМ: большие, средние, малые (мини), микроЭВМ и микропроцессоры.

Наиболее надежный классификационный  признак – потенциальная область  применения, по которому ЭВМ подразделяются на ЭВМ общего назначения и проблемно-ориентированные (специализированные). ЭВМ общего назначения предназначены для решения широкого круга научно-технических, экономических и информационно-логических задач. Специализированные ЭВМ приспособлены для решения ограниченного круга задач. Они должны быть дешевы, просты в эксплуатации.

В последние годы особенно бурно  развиваются персональные ЭВМ, относящиеся  к классу микроЭВМ, и микропроцессоры. Микропроцессоры открывают принципиально новые возможности для высокоэффективной автоматизации производственных процессов, научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, обработки информации при планировании и управлении производством на предприятиях и т.д. В группе ПЭВМ выделяются промышленные ПЭВМ, составляющие основу современных АСУ ТП.

Основные черты современных  промышленных ПЭВМ:

• большое число подключаемых плат (до 14);
• секционирование корпуса;
• пассивная панель вместо материнской платы;
• прочный корпус;
• возможность монтажа в обойме 19”;
• повышенная виброустойчивость;
• клавиатура, как правило, встроена в корпус;
• использование повышенной отказоустойчивости компонентов.

Расширение сферы применения вычислительной техники и особенно ее использование  в автоматизированных системах управления привели к включению в состав машин большого комплекса разнообразных  периферийных устройств для ввода, запоминания, хранения, регистрации, отображения, индикации. Конкретные применения предъявляют конкретные требования к составу периферийных устройств, объему оперативной и внешней памяти и т.п.

Это привело к тому, что при  проектировании вычислительной техники концепцию ЭВМ с фиксированным составом оборудования, где главное место занимало устройство обработки информации, сменила концепция агрегативной вычислительной машины (системы) с переменным составом оборудования который определяется выполняемыми ею функциями. При таком подходе отдельные устройства выполняются в виде агрегатов (модулей), которые в нужной номенклатуре и количестве объединяются в ЭВМ. Важное место в агрегатированных машинах занимают унифицированные сопряжения (интерфейсы), обеспечивающие обмен информацией между агрегатами, входящими в состав ЭВМ, и допускающие подключение необходимого состава периферийных устройств.

Интерфейс – это стандарт на сопряжение информационных блоков, определяющий число линий, тип передаваемой по каждой линии информации и направление передачи, кодировку информации, передаваемой по линии, все электрические и временные параметры сигналов и конструктивы соединения (разъемы).