Состав и принципы построения ЭВМ

реферат «Состав и принципы построения ЭВМ»

 

 

 

 

.

ВВЕДЕНИЕ

Россия стоит на пути исторической необходимости перехода на новый уровень общественного и экономического развития, определяемыми жестокими требованиями рыночной экономики. Речь идет о пути формирования информационного общества. Материальная база информационного общества является информационная экономика. Основы информационной экономики составляет создание и потребление информационных ресурсов или информационных ценностей.

Основные особенности информационной экономики:

1).Главной формой накопления  является накопление знаний и  другой полезной информации.

2).Это изменение характера  производства процессов в основных  областях.

3).Экономически оправданным  является мелкосерийное и индивидуальное  производство.

4).Резкое возрастание  скорости экономических процессов.

5).Усиление интеграционных  процессов.

Развитые страны мира стали на путь информационной экономики в 70 годах.

Такой путь имели следующие моменты:

1).Превышение суммарных  затрат, чисто информационной базы  над другими отраслями.

2).Возрастание доли не  вещественных затрат.

3).Формирование глобальных  коммуникаций сети общества.

4).Увеличение в производстве  до 50% населения занятые информационной  обработкой.

ПРИНЦИПЫ ПОСТОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ.

ЭВМ, компьютер - это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ определяется подбором и настройкой технических и программных средств объединенных в одну структуру.

 
Структура ЭВМ - это совокупность ее элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.

Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых состоит ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники:

Инженеры (схема техники) - проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы сопряжения друг с другом.

Системные программисты - создают программы управления техническими средствами, информационного распределения между уровнями, организацию вычислительного процесса.

Прикладные программисты - разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователя с ЭВМ и необходимый для этого сервис.

Специалисты по эксплуатации ЭВМ - занимаются общими вопросами взаимодействия пользователя с ЭВМ.

Содержание знаний и умений специалистов по ПО и его эксплуатации составляют:

1) Технические и эксплуатационные  характеристики.

2) Производительность ЭВМ - объем работ осуществляющих  ЭВМ в единицу времени.

3) Емкость запоминающих  устройств: ОЗУ и ДЗУ.

4) Надежность - это способность  ЭВМ при определенных условиях  выполнять требуемые функции  в течение заданного периода  времени.

5) Точность - это возможность  различать почти равные значения.

6) Достоверность - это свойство  информации быть правильно воспринятой.

Классификация ЭВМ

Величина и разнообразие современного парка ЭВМ потребовали системы квалификации ЭВМ. Предложено много принципов классификации:

Классификация ЭВМ по форме представления величин вычислительной машины делят на:

аналоговые (непрерывного действия) АВМ

цифровые (дискретного действия) ЦВМ

аналого-цифровые (гибридные) ГВМ

В АВМ обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых вычислений: ток, напряжение угол поворота.

 
В ЦВМ (ЭВМ) информация кодируется двоичным кодом. Широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации - электронные ЦВМ.

Классификация ЭВМ по поколениям (по элементарной базе):

Первое поколение (50г.): ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

Второе поколение (60г.): ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).

Третье поколение (70г.): ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой степенью интеграции.

Четвертое поколение (80г.): ЭВМ на больших интегральных схемах.

Пятое поколение (90): ЭВМ на сверхбольших интегральных схемах.

Шестое и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой - с распределенной степенью большого числа несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Интегральная схема - электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.

Классификация ЭВМ по мощности (быстродействию):

1).Супер-ЭВМ - машины для крупно-маштабных задач (фирма IBM).

2).Большие ЭВМ - машины для территориальных, региональных задач.

3).Средние ЭВМ - машины очень широкого распространения.

4).Малые ЭВМ.

5).ПЭВМ (персональные ЭВМ).

6).Микро ЭВМ и микропроцессоры.

7).Сети ЭВМ.

Общие принципы построения современных ЭВМ.

Основным принципом построения ЭВМ является программное управление, в основе которого лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

Алгоритм - это конечный набор предписаний, определяющий решения задачи посредством конечного количества операций (ISO 2382/1-84 международный стандарт).

Программа - это упорядоченное последовательность команд подлежащих обработки.

Принцип программного управления может быть осуществлен разными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ был представлен в 1945 году Нейманом. Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления отражает характер действия человека по алгоритму.

 

 

 

 

 

программы потоки

и исходные информации

данные

Обобщенная структура ЭВМ Джен Фон Неймана первого и второго поколений

УПД - устройство подготовки данных.

УВС - устройство ввода.

АЛУ - арифметико-логическое устройство.

УУ - устройство управления.

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.

ДЗУ - длительно запоминающее устройство

ВЗУ - внешнее запоминающее устройство.

УВ - устройство вывода.

ЗУ+АЛУ+УУ - процессор.

Любая ЭВМ имеет устройство ввода информации, с помощью которого в ЭВМ вводят программы решения задач и данные к ним.

ОЗУ - предназначено для оперативного запоминания программы хранящейся в исполнении.

ВЗУ - предназначено для долговременного хранения информации.

Кэш-память - промежуточная память между ОЗУ и ВЗУ.

УУ - предназначено для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ.

 
АЛУ - выполняет арифметические и логические операции над данными. Основой АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят: сумматоры, счетчики, логические операции.

Классическая структура ЭВМ с переходом на БИС (большие интегральные схемы) перешла в понятие архитектура ЭВМ.

 

 

 

Устройства

сопряжения

Обобщенная архитектура третьего и четвертого поколений

В ЭВМ третьего поколения усложнение структуры произошло за счет разделения процессов ввода/вывода информации, и ее обработки. Появляется понятие процессор, где неразрывно связаны СОЗУ (сверх оперативное устройство), АЛУ и УУ. Появляется понятие каналы ввода/вывода, которые делят на мультиплексные (МК) и селекторные (СК) каналы.

МК - предназначены обслуживать большое количество медленно-скоростных устройств.

СК - обслуживают высокоскоростные, отдельные устройства.

Применительно к ПЭВМ архитектура приняла упрощенный вид архитектуры малых машин (принцип открытой архитектуры, где главным элементом является системная магистраль). Ядро ПЭВМ образует процессор и основная память. Подключение всех остальных устройств осуществляется через адаптеры (устройства сопряжения).

 

 

 

 

Обобщенная архитектура ПЭВМ

 

 

 

Структурная схема ПК

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ.

Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ

ЭВМ кроме аппаратурной части и ПО (Hard Ware и Soft Ware) имеет большое количество функциональных средств. К ним относятся коды, с помощью которых обрабатываемая информация представляется в цифровом виде:

 
1).Арифметические коды.

2).Помехозащищенные коды.

3).Цифровые коды аналоговых  величин.

Кроме кодов на функционирование ЭВМ оказывают влияние:

алгоритмы их формирования и обработки

технологии выполнения различных процедур

способы организации работы различных устройств

организация системы прерывания.

Функциональную организацию ЭВМ образуют: коды, системы команд, алгоритмы выполнения машинных операций, технология выполнения различных процедур и взаимодействие Hard и Soft, способы использования устройств при организации их совместной работе, составляющие идеологию функционирования ЭВМ.

Идеологию функционирования ЭВМ можно реализовать разными способами:

1).Аппаратурными 

2).Программно-аппаратурными 

3).Программными средствами.

Таким образом, реализация функций ЭВМ дополняет ее структурную организацию. Сопоставление структур ЭВМ дополненных функциональной структурой приводит к понятию совместимых и не совместимых ЭВМ.

Организация функционирования ЭВМ с могестральной структурой

ЭВМ - это совокупность устройств выполненных на больших интегральных схемах имеющих функционированное назначение.

Комплект интегральных схем называют микропроцессорным комплектом.

В состав микропроцессорного комплекта входят:

системный таймер

микропроцессор

сопроцессоры (организация математических процессов)

контроллер прерываний

контроллер прямого доступа к памяти

контроллеры устройств ввода/вывода.

Все устройства ЭВМ делятся на:

1).Центральные (полностью  электронные БИС).

2).Периферийные (частично-электронные, частично-электромеханические с электронным управлением).

В центральных устройствах основным устройством является системная шина (системная магистраль).

Системная магистраль состоит из трех узлов:

1).Шина данных (ШД)

 
2).Шина адреса (ША)

3).Шина управления (ШУ).

В состав системной магистрали входят также: регистры защелки, шинные арбитры.

Интерфейс системной шины - это логика работы системной магистрали, количество линий (разрядов) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций.

В состав центральных устройств ЭВМ входят:

центральный процессор

основная память

ряд дополнительных узлов выполняющих служебные функции

контроллер прерываний

контроллер прямого доступа к памяти

таймер.

Периферийные устройства делятся на:

внешнее запоминающее устройство (НЖМД - носитель жесткий магнитный диск, НГМД - носитель гибкий магнитный диск)

УВв

???

?????

???

Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя

Один из «прозрачных» процессов машины - это организация ввода, преобразование и отображение результатов работы системного программного обеспечения. Программа задания, написанная программистом на алгоритмическом языке называется исходным модулем.

Перевод исходной программы на машинный язык осуществляет программа translator. Он делится на: компилятор и интерпретатор.

Интерпретатор - после перевода на язык машины каждого оператора исходного модуля немедленно его исполняет.

Компилятор - сначала полностью переводит всю программу исходного модуля на машинный язык, затем его исполняет.

Объектный модуль - машинный язык.

Полученный объектный модуль записывается в библиотеку объектных модулей или сразу исполняется.

Для исполнения отлаженного объектного модуля к нему могут быть добавлены недостающие программы из библиотеки компиляторов. Такую связь выполняет программа редактор связи. В результате образуется загрузочный модуль.

 
Исполнение загрузочного модуля осуществляется программой - загрузчиком.

Операционная система (ОС) - выполняет функцию управления.

СТРУКТУРА АДРЕСНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРОГРАММЫ НА ОСНОВНУЮ ПАМЯТЬ

Для выполнении программы при ее загрузки в оперативную память (ОП) ей выделяется часть машинных ресурсов. Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом, но может производиться и ОС. Выделение ресурсов перед выполнением программы называется статическим перемещением, в результате, которого программа привязывается к определенному месту памяти.

Если ресурсы машины выделяются в процессе выполнения программы, то это называется динамическим перемещением, здесь программа не привязана к определенному месту.

При статическом перемещении возможны два случая:

1).Реальная память  больше требуемого адресного  пространства программы. В этом  случае загрузка программы в  реальную память производится, начиная  с нулевого адреса. Эта загружаемая  программа называется абсолютной программой.

2).Реальная память  меньше требуемого адресного  пространства. В этом случае возникает  проблема организации выполнения  программ.

Существует несколько методов решения этой проблемы:

метод оверлейной структуры, в котором программа разбивается на части вызываемые ОП по мере необходимости.