Развитие современной вычислительной техники открывает перед цифровыми графическими УО неограниченные возможности в отношении воспроизводимого на экране графического материала.
Главная тенденция в развитии современной вычислительной техники состоит в переходе к использованию распределенных систем, которые образованы из логических элементов с довольно простой внутренней структурой. Большие надежды здесь связывают с молекулярной микроэлектроникой. Разрабатываются методы массового химического синтеза таких молекулярных элементов и способы их соединения в сети на основе механизмов самосборки.
Весьма вероятно, что с развитием современной вычислительной техники будет понято, что в очень многих случаях разумно изучение реальных явлений вести, избегая промежуточный этап их стилизации в духе представлений математики бесконечного и непрерывного, переходя прямо к дискретным моделям. Особенно это относится к изучению сложно организованных систем, способных перерабатывать информацию. В наиболее развитых таких системах тяготение к дискретности работы вызвано достаточно разъясненными в настоящее время причинами. Является требующим объяснения парадоксом то обстоятельство, что человеческий мозг математика работает в существенном по дискретному принципу и тем не менее математику значительно доступнее интуитивное постижение, скажем, свойств геодезических на гладких поверхностях, чем могущих их приблизительно заменить свойств комбинаторных схем.
В последние десятилетия в связи с развитием современной вычислительной техники значительно выросли возможности применения матричного исчисления в различных областях естествознания, техники и экономики. Поэтому необходимо, чтобы более широкий круг читателей был знаком с вопросами матричного исчисления. Исходя из этого предлагаемая книга составлена таким образом, чтобы читатель мог самостоятельно выработать первоначальное представление о матричном исчислении. Она предназначена прежде всего для тех, кому приходится сталкиваться с матричным исчислением в рамках своей профессиональной деятельности.
Таким образом, адаптация становится решающим фактором коренного изменения направления развития современной вычислительной техники. Без нее просто невозможно решать задачи, выдвигаемые народнохозяйственной практикой.
Развитие современной вычислительной техники началось после того, как был введен новый принцип - принцип отделения структуры программ от структуры реализующих их деятельность физических устройств. Были созданы универсальные вычислительные машины, которые обеспечивали возможности реализации и функционирования программ разного типа.
Благодаря развитию современной вычислительной техники, в особенности мини - и микро - ЭВМ, а также появлению необходимых алгоритмов обработки сигналов, особенно быстрого преобразования Фурье, все больше распространяются методы измерения частотных характеристик при импульсном воздействии на механический объект. Импульсы вынуждающей силы и отклика подвергаются преобразованию Фурье, и по соотношению гармоник определяется нужная характеристика.
Они являются основным инструментом при проведении фундаментальных и прикладных физических исследований, основой развития современной вычислительной техники, радиоэлектроники, средств связи, автоматики и технической кибернетики, широко используются во многих отраслях народного хозяйства.
Вопрос о соответствии методов исследования и наших представлений возникает при прямом моделировании процессов в других науках: в физике, химии, биологии, а теперь и науках об обществе. К этому кругу вопросов сейчас привлечено все больше внимания, особенно в связи с развитием современной вычислительной техники и тех возможностей, которая она представляет. Действительно, в настоящее время моделирование стало обширной областью приложений математики, так и специализацией в прикладной математике. Более того, некоторые математики, подобные Джону фон Нейману, занимают в этом вопросе весьма прагматическую и, быть может, крайнюю позицию: Точные науки не объясняют. Они редко даже обсуждают явления и, в основном, предлагают модели. Под моделью подразумевают математическую конструкцию, которая описывают наблюдаемые явления.
Пожалуй, наиболее поразительным свойством человеческого интеллекта является способность принимать правильные решения в обстановке неполной и нечеткой информации. Построение моделей приближенных рассуждений человека и использование их в интеллектуальных компьютерных системах представляет сегодня одно из самых перспективных направлений развития современной вычислительной техники.
Развитие современной вычислительной техники опирается на достижения твердотельной технологии. А эти достижения в свою очередь теснейшим образом связаны с нашей способностью количественно определять следовые концентрации примесей в кремнии - основном материале, применяемом в производстве современных микросхем. Сейчас микрозондовые анализаторы, в которых используются методы компьютерной томографии, дают возможность решить эту ключевую проблему.
Эта дисциплина в данном учебном пособии рассматривается с позиций применения электронных схем в вычислительной технике, что сказалось на содержании и последовательности представленного материала. При изложении названного курса учитывалась тенденция развития современной вычислительной техники в направлении преимущественного использования полупроводниковых приборов и то, что современная электроника [ 21 рассматривает теорию транзисторных схем как общий случай, а теорию ламповых схем - как частный случай.
В квантовой химии все виды внутримолекулярных взаимодействий рассматриваются с единых позиций. Природа любых сил взаимодействия считается электростатической. С учетом законов квантовой механики проводится расчет, позволяющий установить строение, устойчивость, энергию и другие параметры молекул. В настоящее время такие расчеты осуществлены лишь для наиболее простых молекул. Однако возможности квантово-химических расчетов с развитием современной вычислительной техники постоянно растут.
Страницы: 1
Существует достаточно много систем классификации компьютеров. Мы рассмотрим лишь некоторые из них, сосредоточившись на тех, о которых наиболее часто упоминают в доступной технической литературе и средствах массовой информации.
Классификация по назначению
Классификация по назначению — один из наиболее ранних методов классификации. Он связан с тем, как компьютер применяется. По этому принципу различают большие ЭВМ (электронно-вычислительные машины), мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и персональные компьютеры, которые, в свою очередь, подразделяют па массовые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие станции.
Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию. Такой принцип разделения имеет для информатики особое значение, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность.
В чем вы видите диалектический характер связи между программным обеспечением и аппаратным?
Назовите четыре основных уровня программного обеспечения. Каков порядок их взаимодействия?
К какому классу относятся программные средства, встроенные в видеомагнитофон, программируемую стиральную машину, СВЧ-печь?
В чем преимущества и недостатки выполнения офисных работ (например копировально-множительных) аппаратными и программными средствами?
Какие категории программного обеспечения могут быть использованы в работемалого предприятия и для каких целей?
Какие виды работ, характерные для крупного промышленного предприятия (например машиностроительного завода), могут быть автоматизированы с
помощью компьютеров? Какие категории программных средств для этого
необходимы?
Назовите основные категории программного обеспечения, относящиеся к классуграфических редакторов. В чем состоит принципиальная разница между этимикатегориями?
Что общего и в чем различие между понятиями программное обеспечение и информационное обеспечение средств вычислительной техники?
3. Вычислительная техника 1
3.1 История развития средств вычислительной техники 1
3.2 Методы классификации компьютеров 3
3.3 Другие виды классификации компьютеров 5
3.4 Состав вычислительной системы 7
3.4.1 Аппаратное обеспечение 7
3.4.2 Программное обеспечение 7
3.5 Классификация прикладных программных средств 9
3.6 Классификация служебных программных средств 12
3.7 Понятие об информационном и математическом обеспечении вычислительных систем 13
3.8 Подведение итогов 13
Вычислительная система, компьютер
Изыскание средств и методов механизации и автоматизации работ - одна из основных задач технических дисциплин. Автоматизация работ с данными имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств, большинство из которых являются электронными приборами. Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой, Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называютвычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем являетсякомпьютер.
Компьютер - это электронной прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных.
Принцип действия компьютера
В определении компьютера как прибора мы указали определяющий признак - электронный. Однако автоматические вычисления не всегда производились электронными устройствами. Известны и механические устройства, способные выполнять расчеты автоматически.
Анализируя раннюю историю вычислительной техники, некоторые зарубежные исследователи нередко в качестве древнего предшественника компьютера называют механическое счетное устройство абак. Подход «от абака» свидетельствует о глубоком методическом заблуждении, поскольку абак не обладает свойством автоматического выполнения вычислений, а для компьютера оно определяющее.
Абак- наиболее раннее счетное механическое устройство, первоначально представлявшее собой глиняную пластину с желобами, в которых раскладывались камни, представляющие числа. Появление абака относят к четвертому тысячелетию до н. э. Местом появления считается Азия. В средние века в Европе абак сменился разграфленными таблицами. Вычисления с их помощью называли счетом на линиях, а в России в XVI-XVII веках появилось намного более передовое изобретение, применяемое и поныне, -русские счеты.
В то же время, нам хорошо знаком другой прибор, способный автоматически выполнять вычисления, - это часы. Независимо от принципа действия, все виды часов (песочные, водяные, механические, электрические, электронные и др.) обладают способностью генерировать через равные промежутки времени перемещения или сигналы и регистрировать возникающие при этом изменения, то есть выполнять автоматическое суммирование сигналов или перемещений. Этот принцип прослеживается даже в солнечных часах, содержащих только устройство регистрации (роль генератора выполняет система Земля - Солнце).
Механические часы - прибор, состоящий из устройства, автоматически выполняющего перемещения через равные заданные интервалы времени и устройства регистрации этих перемещений. Место появления первых механических часов неизвестно. Наиболее ранние образцы относятся к XIV веку и принадлежат монастырям (башенные часы).
В основе любого современного компьютера, как и в электронных часах, лежит тактовый генератор, вырабатывающий через равные интервалы времени электрические сигналы, которые используются для приведения в действие всех устройств компьютерной системы. Управление компьютером фактически сводится к управлению распределением сигналов между устройствами. Такое управление может производиться автоматически (в этом случае говорят опрограммном управлении) или вручную с помощью внешних органов управления - кнопок, переключателей, перемычек и т. п. (в ранних моделях). В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени автоматизировано с помощью специальных аппаратно-логических интерфейсов, к которым подключаются устройства управления и ввода данных (клавиатура, мышь, джойстик и другие). В отличие от программного управления такое управление называютинтерактивным.
Механические первоисточники
Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете Тюбингена (Германия). В наши дни рабочая модель устройства была воспроизведена по чертежам и подтвердила свою работоспособность. Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами».
В 1642 году французский механик Блез Паскаль (1623-1662) разработал более компактное суммирующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным образом для нужд парижских ростовщиков и менял). В 1673 году немецкий математик и философ Г. В. Лейбниц (1646-1717) создал механический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления путем многократного повторения операций сложения и вычитания.
На протяжении XVIII века, известного как эпоха Просвещения, появились новые, более совершенные модели, но принцип механического управления вычислительными операциями оставался тем же. Идея программирования вычислительных операций пришла из той же часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были настроены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование было жестким - одна и та же операция выполнялась в одно и то же время.
Идея гибкого программирования механических устройств с помощью перфорированной бумажной ленты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке Жаккарда, после чего оставался только один шаг до программного управления вычислительными операциями.
Этот шаг был сделан выдающимся английским математиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871) в его Аналитической машине, которая, к сожалению, так и не была до конца построена изобретателем при жизни, но была воспроизведена в наши дни по его чертежам, так что сегодня мы вправе говорить об Аналитической машине, как о реально существующем устройстве. Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала два крупных узла - «склад» и «мельницу». Данные вводились в механическую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывались в «мельнице» с использованием команд, которые вводились с перфорированных карт (как в ткацком станке Жаккарда).
Исследователи творчества Чарльза Бэббиджа непременно отмечают особую роль в разработке проекта Аналитической машины графини Огасты Ады Лавлейс (1815-1852), дочери известного поэта лорда Байрона. Именно.ей принадлежала идея использования перфорированных карт для программирования вычислительных операций (1843). В частности, в одном из писем она писала: «Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок воспроизводит цветы и листья». Леди Аду можно с полным основанием назвать самым первым в мире программистом. Сегодня ее именем назван один из известных языков программирования.
Идея Чарльза Бэббиджа о раздельном рассмотрении команд иданных оказалась необычайно плодотворной. В XX в. она была развита в принципах Джона фон Неймана (1941 г.), и сегодня в вычислительной технике принцип раздельного рассмотренияпрограмм иданных имеет очень важное значение. Он учитывается и при разработке архитектур современных компьютеров, и при разработке компьютерных программ.
Математические первоисточники
Если мы задумаемся над тем, с какими объектами работали первые механические предшественники современного электронного компьютера, то должны признать, что числа представлялись либо в виде линейных перемещений цепных и реечных механизмов, либо в виде угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов. И в том и в другом случае это были перемещения, что не могло не сказываться на габаритах устройств и на скорости их работы. Только переход от регистрации перемещений к регистрации сигналов позволил значительно снизить габариты и повысить быстродействие. Однако на пути к этому достижению потребовалось ввести еще несколько важных принципов и понятий.
Двоичная система Лейбница. В механических устройствах зубчатые колеса могут иметь достаточно много фиксированных и,главное, различных между собой положений. Количество таких положений, по крайней мере, равно числу зубьев шестерни. В электрических и электронных устройствах речь идет не о регистрацииположений элементов конструкции, а о регистрациисостояний элементов устройства. Таких устойчивых иразличимых состояний всего два: включен - выключен; открыт - закрыт; заряжен - разряжен и т. п. Поэтому традиционная десятичная система, использованная в механических калькуляторах, неудобна для электронных вычислительных устройств.
Возможность представления любых чисел (да и не только чисел) двоичными цифрами впервые была предложена Готфридом Вильгельмом Лейбницем в 1666 году Он пришел к двоичной системе счисления, занимаясь исследованиями философской концепции единства и борьбы противоположностей. Попытка представить мироздание в виде непрерывного взаимодействия двух начал («черного» и «белого», мужского и женского, добра и зла) и применить к его изучению методы «чистой» математики подтолкнули Лейбница к изучению свойств двоичного представления данных. Надо сказать, что Лейбницу уже тогда приходила в голову мысль о возможности использования двоичной системы в вычислительном устройстве, но, поскольку для механических устройств в этом не было никакой необходимости, он не стал использовать в своем калькуляторе (1673 году) принципы двоичной системы.
Математическая логика Джорджа Буля, Говоря о творчестве Джорджа Буля, исследователи истории вычислительной техники непременно подчеркивают, что этот выдающийся английский ученый первой половины XIX века был самоучкой. Возможно, именно благодаря отсутствию «классического» (в понимании того времени) образования Джордж Буль внес в логику как в науку революционные изменения.
Занимаясь исследованием законов мышления, он применил в логике систему формальных обозначений и правил, близкую к математической. Впоследствии эту систему назвали логической алгеброй илибулевой алгеброй. Правила этой системы применимы к самым разнообразным объектам и их группам(множествам, по терминологии автора). Основное назначение системы, по замыслу Дж. Буля, состояло в том, чтобы кодировать логические высказывания и сводить структуры логических умозаключений к простым выражениям, близким по форме к математическим формулам. Результатом формального расчета логического выражения является одно из двух логических значений:истина илиложь.
Значение логической алгебры долгое время игнорировалось, поскольку ее приемы и методы не содержали практической пользы для науки и техники того времени. Однако, когда появилась принципиальная возможность создания средств вычислительной техники на электронной базе, операции, введенные Булем, оказались весьма полезны. Они изначально ориентированы на работу только с двумя сущностями: истина иложь. Нетрудно понять, как они пригодились для работы с двоичным кодом, который в современных компьютерах тоже представляется всего двумя сигналами:ноль иединица.
Не вся система Джорджа Буля (как и не все предложенные им логические операции) были использованы при создании электронных вычислительных машин, но четыре основные операции: И (пересечение), ИЛИ(объединение), НЕ(обращение) и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ - лежат в основе работы всех видов процессоров современных компьютеров.
Рис. 3.1. Основные операции логической алгебры
Вычислительные машины (ВМ) и вычислительные системы (ВС) используются для работы с информацией. Информация – сведения о событиях, процессах, объектах, являющиеся предметом восприятия, передачи, преобразования, хранения. Предмет исследования информатики – информационные технологии, а вычислительной техники – ВМ, вычислительные комплекты (ВК), ВС, сети. ВМ и ВС предназначены для автоматизации процессов обработки, хранения и передачи информации. ВМ относятся к сложным системам, при их описании и проектировании используются понятия и принципы, определенные в общей теории систем: система, алгоритм, функция, структура, функциональная и структурная организации. Система – это совокупность элементов или устройств, соединенных между собой для достижения определенной цели. Среди систем выделяют сложные системы. Это качественное понятие. Перечислим основные отличительные признаки сложных систем. Большая размерность – большое число элементов: сотни, тысячи. Разнородность элементов и узлов, как следствие этого – отсутствие единого математического аппарата для описания поведения этих элементов и узлов. Многокритериальность при оптимизации выбора вариантов построения системы. Вычислительная машина – это система, выполняющая заданную, четко определенную последовательность операций (программу) в соответствии с выбранным алгоритмом обработки информации. Алгоритм – набор предписаний, однозначно определяющий содержание и последовательность выполнения действий для систематического решения задачи. Для алгоритма можно выделить семь характеризующих его параметров: совокупность возможных исходных данных, совокупность возможных результатов, совокупность возможных промежуточных результатов, правило начала процесса обработки данных, правило непосредственной обработки, правило окончания процесса, правило извлечения результата. Алгоритм должен обладать свойствами массовости и результативности. Массовость – применимость для решения задачи с любым набором исходных данных из совокупности возможных, результативность – получение результата из совокупности возможных за конечное число шагов. Для наглядного представления ВМ и ВС изображаются в виде схем, состоящих из блоков и связей между ними. Такие схемы (функциональная, структурная) представляют собой ориентированный граф, вершины которого – блоки. В функциональной схеме блоки выделяются по функциональному признаку в ходе функциональной декомпозиции. В структурной схеме блоки соответствуют конструктивным компонентам – устройствам, конструктивным узлам, интегральным схемам. В частном случае отдельные блоки функциональной и структурной схем могут совпадать. С каждым блоком связаны входы, выходы и функция. Функция определяем алгоритм работы блока, т.е. правила получения выходных последовательностей по входным последовательностям. Структура показывает, как устроен блок, раскрывая его в виде схемы, содержащей блоки более низкого уровня иерархии. Структурная организация – это представление системы (блока) в виде схемы, содержащей реально реализуемые устройства, узлы, элементы. Решению задачи на ВМ предшествуют алгоритмизация и программирование. Алгоритмизация – реализация причинно-следственных связей и других закономерностей в виде направленного процесса обработки информации по формальным правилам. Программирование – разработка программ для ВМ, реализующих заданный алгоритм. В ВМ управление процессами ввода, вывода и обработки информации осуществляется на основе программ. Программа – алгоритм, записанный в виде последовательности машинных команд – кодов, соответствующих некоторым соглашениям, принятым при разработке ВМ. Существуют два типа ВМ: аналоговые (АВМ) и цифровые (ЦВМ). В АВМ для представления информации используются непрерывные физические величины, чаще всего напряжение. В ЦВМ информация представлена двоичными кодами. При этом каждый разряд принимает два значения из набора {0, 1}. Для представления двоичной переменной используется дискретный сигнал. ЦВМ являются более универсальным средством обработки информации и по ряду наиболее важных общетехнических показателей превосходят АВМ. Поэтому они получили более широкое распространение. Способы представления информации в вычислительных машинах Функциональные схемы ВМ и вычислительных устройств состоят из блоков, каждый из которых является преобразователем информации. Информация на входах и выходах блоков представлена сигналами. Сигнал – это носитель информации в виде изменяющейся во времени физической величины, обеспечивающий передачу данных. Сигнал называется дискретным, если параметр сигнала может принимать лишь конечное число значений. В настоящее время подавляющее большинство преобразователей информации представляют собой электронные схемы, содержащие соединенные определенным образом между собой электронные ключи – вентили . Эти электронные схемы реализуются и использованием технологий современной микроэлектроники в виде ИС. ИС может содержать от нескольких единиц до нескольких миллионов вентилей. Для работы ИС к ней подводится напряжение питания. При этом сигналы в ИС представлены уровнем напряжения. Для представления сигналов приняты всего два непересекающихся уровней диапазона уровней напряжения. При напряжении питания 5 В: диапазон 0 – 0.4 В, соответствующий логическому значению сигнала «0», и диапазон 5 – 2.4 В, соответствующий значению сигнала «1». Информацию, представленную в закодированном виде и используемую в устройствах ВМ, называют данными . Данные разбиваются на составляющие, называемые элементами данных. Элементы данных имеют различные типы . Примеры типов данных: целые и вещественные числа, логические (булевы) переменные. Для представления различных типов данных с использованием двоичных переменных применяют кодирование. Код – это система условных знаков (символов) и правил их интерпретации, используемая для представления информации в виде данных. Информация в ВМ представлена в виде кодов определенной фиксированной длины (машинных слов). Представленную таким образом информацию называют данными. Основные принципы организации вычислительных машин и систем. Принципы организации вычислительного процесса, используемые и в большинстве современных ВМ, базируется на концепции Дж.фон Неймана, выдвинутой им во второй половите 40-х гг. ХХ в. Согласно этой концепции определена автономно работающая ВМ, содержащая устройство управления, арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода-вывода. (рис. 1) Для организации ВМ предложены следующие принципы:
Двоичное кодирование информации, разделение ее на слова фиксированной разрядности.
Линейно-адресная организация памяти (N ячеек по n разрядов). Аппаратные средства для записи, хранения и чтения слова из n двоичных разрядов называют ячейкой памяти. Ячейки пронумерованы по порядку (0, 1, … , N-1). Номер ячейки – адрес. В командах программы адрес является именем (идентификатором) переменной, хранящейся в соответствующей ячейке.
Представление алгоритма программой, состоящей из команд. Команда является предписанием, определяющим шаг процесса выполнения программы. Она содержит код операции, адреса операндов и другие служебные коды.
Хранение команд и данных в одной памяти. Различие их заключается только в способе использования и интерпретации считанного из памяти слова.
Вычислительный процесс организуется как последовательное выполнение команд в порядке, определяемом программой.
Жесткость архитектуры – неизменность в процессе работы ВМ, ее структуры, списка команд, методов кодирования данных.
При работе ВМ наиболее интенсивное взаимодействие осуществляется между АЛУ и устройством направления. С развитием элементной базы в целях повышения производительности за счет уменьшения задержек в связях эти устройства объединили в один блок, называемый процессором . Процессор считывает и выполняет команды программы, организует обращение к оперативной памяти (ОП), в нужных случаях инициирует работу устройства ввода-вывода. Устройство для ввода преобразует входные сигналы в сигналы, принятые для представления данных на шине, соединяющей устройство ввода с АЛУ. В памяти хранятся команды и данные, которыми оперирует процессор. В нее же записываются результаты промежуточных вычислений. Результаты выполнения программы поступают в устройство вывода. Устройство вывода преобразует выходные сигналы в форму, удобную для восприятия человеком (тексты, графические образы и др.) Выборка команды из памяти и ее выполнение циклически повторяются. Цикл включает следующие фазы: выборку, дешифрацию и исполнение. В фазе выборки команды содержимое ячейки памяти, адресуемое специальной схемой устройства управления (программным счетчиком), выбирается из памяти и помещается в специальный регистр процессора, называемый регистром команд. В фазе дешифрации код команды из регистра команд поступает в дешифратор команд процессора и преобразуется в последовательность управляющих сигналов, обеспечивающих настройку АЛУ для выполнения функции, определяемой командой. После этого в устройстве управления формируется адрес следующей команды. Следующей является фаза исполнения. После выполнения команды происходит возврат к первой фазе – выборки следующей команды.
Базовая функциональная схема компьютера PC
Базовая функциональная схема компьютера PC (рис. 2) содержит четыре основных функциональных устройства: процессор, основную память, устройства ввода-вывода (УВВ или периферийные устройства), системную шину (СШ). СШ содержит три группы соединительных линий, которые называются шиной адреса (ША), шиной данных (ШД) и шиной управления (ШУ). Разрядность ША, ШД, ШУ, порядок взаимодействия устройств, уровни и последовательности сигналов в СШ стандартизированы. К основным УВВ относятся: клавиатура, мышь, монитор (дисплей), винчестер – накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД или ЖД) Hard Disk Drive (HDD), дисковод для гибких магнитных дисков Floppy Disk Drive (FDD), принтер.
Компьютеры PC построены с использованием основных принципов Дж.фон Неймана, изложенных выше. Управление вычислительным процессом осуществляет процессор – Central Processing Unit (CPU). ОП имеет линейно-адресную организацию. Адреса являются именами данных, которые используются в командах программ. Множество адресов, используемых в командах, образует адресное пространство (АП). Обмен информацией между устройствами по СШ называют внутримашинным обменом. В любом обмене участвуют как минимум два устройства: активное (источник) и пассивное (приемник). В PC для организации внутримашинных обменов используют два адресных пространства: АП ОП и АП УВВ. Шиной (магистралью) в ВМ называют совокупность линий передачи сигналов, к которым параллельно может подключаться несколько блоков. По шине передаются адреса, данные и управляющие сигналы. Физически шина представляет собой печатные проводники, к которым подключаются одноименные входы-выходы различных блоков ВС. ША служит для адресации ячеек памяти и регистров (портов) внешних устройств, с которыми взаимодействует процессор. Адрес по шине подается во все подключенные к ней устройства. Все устройства содержат селекторы адреса, с помощью которых распознают собственный адрес. На обращение по шине реагирует только адресуемое устройство. Именно оно по сигналу от селектора адреса воспринимает управляющие сигналы, передаваемые по ШУ, и реализует соответствующие операции. Различают два типа информационного обмена по СШ: ввод (чтение) и вывод (запись). Передача данных в процессор называется вводом, а от процессора – выводом. При обмене активное устройство (чаще всего процессор) формирует код адреса, соответствующий номеру ячейки в ОП либо номеру порта, используемого для временного хранения одного слова данных. По ШД производится обмен данными между процессором, памятью и УВВ, подключенными к шине. ШД – двунаправленная. По этой шине процессор имеет возможность как передавать информацию в другие устройства, так и получать информацию от других устройств. В каждый конкретный момент времени информация по двунаправленной ШД может передаваться только в одном направлении, поэтому необходимо иметь специальные сигналы, указывающие это направление. Такие управляющие сигналы вырабатывает процессор. Эти сигналы определяют «режим обмена» по шине. Все управляющие сигналы передаются по ШУ, в которой большинство линий – однонаправленные, а некоторые – двунаправленные. Управляющие сигналы передаются во все блоки ВМ, подключенные к шине, настраивая их на нужный режим работы. Для уменьшения затрат времени на информационный обмен между ОП и процессором включают буферную кэш-память. Первый уровень кэш-памяти расположен на кристалле современного процессора, второй уровень – на кристалле процессора или в непосредственной близости от этого кристалла. При этом обмен с ОП происходит не отдельными словами, а пакетами слов, что позволяет более эффективно использовать разделяемый ресурс – шину. Применительно к задачам информационного взаимодействия различных устройств используется понятие «интерфейс» Под интерфейсом (Interface – сопряжение) понимается совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, используемых для реализации информационного взаимодействия функциональных блоков в ВМ (ПК). Понятие «интерфейс» используется во всех устройствах ВМ: процессора, СШ, ОП, периферийных устройств. Для согласования интерфейсов СШ и периферийных устройств используют аппаратные средства (адаптеры или контроллеры), размещаемые на печатных платах расширения. Контроллер отличается от адаптера тем, что он является активным устройством, т.е. устройством, способным к самостоятельным действиям без участия процессора после получения команд от обслуживающих его программ. Интерфейсные блоки (адаптеры, контроллеры, интерфейсные карты) являются буфером между периферийными устройствами и процессором. Они содержат регистры (порты), которым соответствуют определенные адреса в АП ввода-вывода. Буфер требуется для преобразования форматов представления данных и скорости передачи, свойственных периферийным устройствам, в форматы и скорости, с которыми работает процессор компьютера. Для организации информационного обмена с периферийными устройствами используются три способа:
программный опрос, в этом случае инициатором обмена выступает процессор, который при необходимости обращается к регистрам периферийных устройств (портам) по соответствующим адресам;
обмен с прерыванием программы (он реализуется с помощью механизма аппаратных прерываний, который обеспечивает реакцию компьютера на асинхронные события по запросам периферийных устройств);
передача информации в режиме прямого доступа к памяти – Direct Memory Access (DMA).
инициализация и начальное тестирование аппаратных средств, эти функции выполняет программа POSTYLE="– Power On Self Test;
настройка и конфигурирование аппаратных средств и системных ресурсов – BIOS Setup;
обслуживание аппаратных прерываний – BIOS Hardware Interrupts;
отработка базовых функций программных обращений (сервисов) к системным устройствам – ROM BIOS Services.
Влияние технологии производства интегральных схем на архитектуру и характеристики вычислительных машин и систем
Структура ВМ и ВС и организация вычислительного процесса существенно зависят от функциональной организации и распределения функций между блоками. А это, в свою очередь, в значительной мере определяется функциональной емкостью СБИС. Из теории и практики современных СБИС известно, что основную площадь на кристалле занимают не сами логические элементы, а связи между ними. Быстродействие схем также в основном ограничивается задержками в связях. Развитие технологии СБИС позволяет все большее число элементов и связей перенести на уровень кристалла, обеспечивая снижение стоимости, повышение быстродействия и надежности. По мере увеличения уровня интеграции и функциональных возможностей СБИС в развитии архитектуры прослеживаются следующие тенденции:
Перенос функций часто работающего системного ПО на аппаратные средства;
широкое использование методов параллельной обработки на всех уровнях организации вычислительного процесса;
расширение сферы использования специализированных и функционально ориентированных процессоров;
снижение относительных затрат времени на коммутацию в сравнении с обработкой.
Введение в функциональную организацию процессора
Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки цифровой информации в ВМ и программное управление этим процессом. Процессор занимает нейтральное место в структуре ВМ. С его помощью осуществляется управление взаимодействием всех устройств, входящих в состав ВМ. Процессор считывает и выполняет команды программы, организует обращение к оперативной памяти, в нужных случаях инициирует работу периферийных устройств, воспринимает и обслуживает запросу прерываний, поступающие из устройств ВМ и извне. Процессоры современных ВМ в большинстве случаев реализуют на одном кристалле с использованием технологии СБИС. Соответствующую интегральную схему называют микропроцессором. Понятие МП в функциональном отношении совпадает с понятием процессор и отражает лишь особенности, связанные с использованием технологии СБИС при его реализации. Основным достоинством МП являются программируемость, дешевизна, малые габариты и вес, надежность, простота эксплуатации. Уже первые использования МП определили два основных направления их применения: использование МП в качестве центральных процессоров - ВМ и реализация на базе МП встраиваемых систем управления различными объектами. В самом общем случае функциональную схему МП можно представить в виде композиции трех функциональных блоков: операционного блока (ОБ), блока управления и интерфейсного блока. (Рис. 4) Кроме них в состав микропроцессора могут входить блок прерывания, блок защиты памяти, блоки контроля, диагностики и др. Операционный блок. Предназначен для выполнения некоторого функционально полного набора логических и арифметических операций. Как правило, в его состав входят АЛУ, буферные регистры операндов, регистр результата (аккумулятор), регистр признаков и блок регистров общего назначения (РОН). Комбинационная схема, являющаяся основой АЛУ, содержит двоичный сумматор и набор логических схем. В АЛУ выполняются несколько простейших арифметических (сложение, вычитание) и поразрядных логических (И , ИЛИ , НЕ и др.) операций. В многоуровневой организации вычислительного процесса указанные операции реализуются на уровне регистровых передач между источниками операндов и приемником результата. Операции по обработке данных, для которых в ОБ отсутствуют аппаратные средства, выполняют программно с помощью процедур. Такие процедуры реализуются в виде последовательности простых операций ОБ, т.е. выполняются на более высоком уровне организации вычислительного процесса, чем уровень регистровых передач. Кроме универсального АЛУ МП может содержать одно или несколько специализированных АЛУ: блоки аппаратного умножения и деления. А также блоки для выполнения операций с плавающей точкой. Важной соствавляющей ОБ современных МП является блок внутренней памяти, реализованный в виде набора программно доступных регистров, разываемых регистрами общего назначения (РОН). Время обращения к РОН меньше, чем к любым другим устройствам памяти, поэтому память на РОН называется сверхоперативной, а устройство, в виде которого она реализована - сверхоперативным запоминающим устройством. (СОЗУ). Число РОН в МП невелико (6 - 16), тем не менее их наличие существенно ускоряет выполнение операций. При наличии блока РОН операнды команд могут размещаться в одной из двух запоминающих сред - основной памяти или СОЗУ. Использование СОЗУ позволяет исключить значительную часть обращений МП к ОП через общую системную шину. С одной стороны, это повышает производительность за счет более быстрого обращения к СОЗУ, с другой стороны, появляется возможность параллельно с работой МП использовать системную шину для обмена информацией между другими устройствами ВМ. Используя специальные команды, пользователь может либо записывать информацию в РОН, либо считывать ее из РОН при выполнении различных арифметических и логических операций. Число, назначение и разрядность регистров блока РОН в различных МП могут существенно отличаться. В использовании РОН имеются два крайних подхода. При первом подходе, реализуемом в МП компании Motorola, почти все регистры МП выполняют абсолютно одинаковые функции, т.е. Являются универсальными и взаимозаменяемыми. При втором подходе, характерном для МП компании Intel, многие регистры наряду с возможностью использования в качестве универсальных в некоторых командах могут выполнять специфические функции, закрепленные за этими регистрами. Специализация регистров при выполнении наиболее часто используемых операций позволяет в соответствующих командах не указывать их адреса, что обеспечивает уменьшение необходимой для управления информации и более компактное кодирование команд. В частности, конкретные регистры МП Pentium используются в командах умножения и деления. Управления циклами, ввода-вывода, при табличных преобразованиях, в стековых и сдвиговых операциях. В большинстве ранних моделей МП один из общих регистров выделялся в качестве главного регистра. Наделение главного регистра, называемого аккумулятором, или регистром результата, особыми функциями позволяло реализовать ОБ в виде одноадресного устройства. В таком ОБ один из исходных операндов арифметических и логических операция обязательно должен размещаться в аккумуляторе и в него же помещается результат. Другой операнд названных операций может находиться в памяти или РОН. Входные данные поступают в аккумулятор с внутренней шины МП, а аккумулятор, в свою очередь, может посылать данные на эту шину. Функциональные возможности ОБ, содержащего аккумулятор (рис. 4), достаточно широки. Рассмотрим основные микрооперации. Содержимое любого РОН или ячейки памяти по внутренней шине данных может быть передано через аккумулятор в буферный регистр или напрямую в регистр-сдвигатель. АЛУ обеспечивает выполнение арифметических и логических операций над содержимым регистра-сдвигателя и буферного регистра с записью результата в аккумулятор, а признаков - в регистр признаков. Из аккумулятора результат операции может быть передан в любой РОН или ячейку памяти. Операция сдвига содержимого любого РОН выполняется последовательно передачей слова из РОН в сдвигающий регистр, сдвига этого слова и последующей записи преобразованного слова в тот же регистр РОН. Операции над словами с повышенной разрядностью реализуются путем программно последовательной обработки отдельных частей многоразрядных слов. Для обеспечения возможности обработки данных с разрядностью, превышающей разрядность АЛУ и регистров, в структуре ОБ, предусмотрены два дополнительных триггера: Tr1 и Tr2. С их помощью осуществляется запоминание сигналов арифметического переноса из АЛУ и выходного бита переноса регистра сдвига. Например, с помощью 8-разрядного МП сравнительно просто осуществляется арифметическая обработка 24-разрядных слов. Для этого выполняют три цикла обработки 8-разрядных частей этих слов. Признаки операций АЛУ (флаги), характеризующие результаты вычислений, запоминаются в одноименных флагах регистра признаков. Типичными признаками являются: нулевой результат, наличие переноса, переполнение, четность, знак и некоторые другие. Флаг нулевого результата ZF (Zero Flag) устанавливается в «1» при нулевом значении результата. При ненулевом результате ZF = 0. Флаг переноса CF (Carry Flag) запоминает значение переноса (заема) при сложении (вычитании) операндов. В некоторых МП флаг CF также используется для запоминания выдвигаемого бита при сдвиге операнда. Флаг переполнения OF (Overflow Flag) фиксирует переполнение разрядной сетки результата при выполнении операции со знаковыми числами. Переполнение происходит только тогда, когда коды слагаемых имеют одинаковые значения знаковых разрядов, а код суммы имеет другое значение знакового разряда. Для определения переполнение OVR используют логическую операцию XOR (исключающее ИЛИ ) над значениями переносов в знаковый разряд C s-1 из знакового разряда C s В соответствии с этим выражением переполнение возникает, если перенос в знаковый разряд C s-1 не совпадает со значением переноса из знакового разряда C s Флаг четности или паритета PF (Parity Flag) фиксирует наличие четного числа единичных разрядов в младшем байте результата операции. Флаг четности часто используют при контроле правильности передачи данных. Флаг знака SF (Sign Flag) дублирует значение старшего бита результата. Флаг SF при использовании дополнительного кода соответствует знаку числа. В большинстве случаев признаки результата используются для программного управления последовательностями выполняемых команд при разветвлениях и циклах. Среди РОН часто выделяют регистры, используемые в качестве базовых и индексных регистров. В ряде способов адресации содержимое указанных регистров участвует в формировании исполнительных адресов операндов в памяти. Блок управления . В процессе выполнения программы блок управления (рис. 4) координирует работу всех блоков МП и микропроцессорной системы в целом. С помощью блока управления формируются управляющие сигналы, необходимые для организации обмена информацией с внешними устройствами, и обеспечивается выборка команд программы из памяти. В целом блок управления выполняет следующие действия:
считывает и запоминает текущую команду;
формирует адрес следующей команды;
реализует выполнение по тактам алгоритма поступившей команды;
управляет обменом информацией с внешними устройствами по системной шине.
формировать выходные сигналы на шинах адреса, данных и управления в режиме вывода;
формировать выходные сигналы адреса и управления и считывать сигналы с шины данных в режиме ввода;
Синхронизировать процессы внутри процессора и на системной шине;
реализовывать стандартный для системной шины протокол обмена.