Микропроцессоры семейства INTEL

Раздел 1. Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

 

Тема 1.1. Основные классы вычислительных машин

 

1. Признаки классификации вычислительных машин
2. Поколения вычислительных машин
3. Основные классы вычислительных машин и их сравнительная характеристика
4. Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ

 

 

1. Признаки классификации вычислительных машин

 

Вычислительные машины можно классифицировать по ряду признаков:

• назначение,
• принцип действия,
• этапы создания и элементная база,
• способ организации вычислительного процесса,
• размер, вычислительная мощность,
• функциональные возможности,
• способность к параллельному выполнению программ и т.д.

 

2. Поколения вычислительных машин

 

По этапам создания и элементной базе ЭВМ  условно делятся на поколения:

1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).

3-е поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе).

Интегральная схема  – электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого  полупроводникового кристалла, объединяющего  большое число активных элементов (диодов и транзисторов).

4-е поколение, 80 – 90-е годы: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах (сотни тысяч - десятки миллионов активных элементов в одном кристалле).

5-е поколение, настоящее время: компьютеры со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.

6-е и последующие  поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

 

 

3. Основные классы вычислительных машин и их сравнительная характеристика

 

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы

Универсальные ЭВМ  предназначены для решения инженерно-технических, экономических, математических, информационных задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Характерными чертами универсальных ЭВМ являются:

- высокая производительность;

- разнообразие форм обрабатываемых  данных при большом диапазоне  их изменения и высокой точности  их представления;

- большой набор выполняемых  операций;

- большая емкость оперативной памяти;

- развитая организация системы  ввода-вывода информации, обеспечивающая  подключение различных видов  внешних устройств.

Проблемно-ориентированные  ЭВМ предназначены для решения узкого круга задач, связанных с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Проблемно-ориентированные ЭВМ обладают ограниченными, по сравнению с универсальными ЭВМ, аппаратными и программными ресурсами.

Специализированные ЭВМ предназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

По принципу действия ВМ делятся на три больших класса. Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают.

Цифровые ВМ или вычислительные машины дискретного действия работают с информацией, представленной в цифровой форме.

Аналоговые ВМ или вычислительные машины непрерывного действия работают с информацией, представленной в аналоговой форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

Гибридные ВМ или вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме. Гибридные вычислительные машины целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Наибольшее применение в экономике, науке и технике получили цифровые ЭВМ с электрическим представлением дискретной информации, обычно называемые электронными вычислительными машинами.

По размерам и вычислительной мощности ЭВМ делятся

 

 

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Малые ЭВМ или миниЭВМ  ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов для управления технологическими процессами.

МикроЭВМ – это средства обработки информации, построенные на основе микропроцессорных комплектов БИС.

Совокупность БИС/СБИС, пригодных для совместного применения (совместимость по архитектуре, электрическим параметрам, конструктивным признакам) в составе микроЭВМ, называют МПК БИС/СБИС.

По функциональному назначению выделяют 3 типа микроЭВМ:

1. встраиваемые микроЭВМ – представляют собой блоки обработки данных и управления и предназначены для применения в бытовых приборах, системах технологического контроля и управления, периферийных устройствах и устройствах оргтехники

• однокристальные встраиваемые микроЭВМ конструктивно выполняются в виде одной БИС,
• одноплатные встраиваемые микроЭВМ выполнены в виде одной платы микропроцессорного комплекта БИС;

2. программируемые калькуляторы;

3. персональные ЭВМ.

 

 

4. Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ

 

Функциональные  возможности ЭВМ обусловлены следующими технико-эксплуатационными характеристиками:

1. быстродействие, измеряемое количеством операций, выполняемых ЭВМ в единицу времени,
2. разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ,
3. состав, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств,
4. состав и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации,
5. типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов компьютера между собой (тип внутримашинного интерфейса),
6. способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность),
7. типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в ЭВМ,
8. наличие и функциональные возможности программного обеспечения,
9. способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ),
10. система и структура машинных команд,
11. возможность подключения к каналам связи и вычислительной сети,
12. эксплуатационная надежность ЭВМ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 1.2. Структура и принцип функционирования ЭВМ

 

1. Принципы работы вычислительных машин
2. Структура ЭВМ

 

 

1. Принципы  работы вычислительных машин

 

Вычислительная машина – это  совокупность технических средств, служащих для автоматизированной обработки  дискретных данных по заданному алгоритму.

Алгоритм – это способ преобразования информации, задаваемый с помощью конечной системы правил. ЭВМ автоматически решает поставленную задачу на основании заданного алгоритма.

Основными свойствами алгоритма являются:

1. дискретность,
2. определенность,
3. массовость,
4. результативность.

Дискретность выражается в том, что алгоритм описывает действия над дискретной информацией (числовой и символьной), причем сами эти действия также дискретны.

Свойство определенности означает, что в алгоритме указано все, что должно быть сделано, причем ни одно из действий не должно трактоваться двояко.

Массовость алгоритма подразумевает его применимость к множеству значений исходных данных.

Результативность алгоритма состоит в возможности получения результата за конечное число шагов.

В основу функционирования ЭВМ  положен принцип программного управления. Один из способов реализации принципа программного управления был предложен американским математиком Джоном фон Нейманом. Неймановский принцип программного управления используется в качестве основного принципа построения ЭВМ. Принципы фон-Неймановской концепции вычислительной машины:

• принцип двоичного кодирования,
• принцип программного управления,
• принцип однородности памяти,
• принцип адресности.

Принцип двоичного кодирования

Вся информация (команды  и данные) кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов (адресную часть).

 

Код операции (КОП)

адресная часть

 

Код операции представляет собой указание, какая операция должна быть выполнена, и задается с помощью n-разрядной двоичной комбинации. Вид адресной части и число составляющих ее адресов зависят от типа команды:

- в командах преобразования  данных адресная часть содержит  адреса объектов обработки (операндов)  и результата,

- в командах изменения порядка  вычислений – адрес следующей команды программы,

- в командах ввода-вывода –  номер устройства ввода-вывода.

Адресная часть также представляется двоичной последовательностью.

Принцип программного управления

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов – команд. Каждая команда определяет некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.

Принцип однородности памяти

Команды и данные хранятся в одной  и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования. Это позволяет  производить над командами те же операции, что и над числами. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных.

Принцип адресности

Структурно основная память состоит  из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек – адреса.

 

 

2. Структура ЭВМ

 

Большинство современных ЭВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления. Типичная фон-Неймановская ВМ содержит: память, устройство управления, АЛУ и устройство ввода-вывода.

 

Рисунок – Структура фон-Неймановской вычислительной машины

 

В любой ВМ имеются средства для  ввода программ и данных к ним. Информация поступает из подсоединенных к ЭВМ периферийных устройств (ПУ) ввода. Результаты вычислений выводятся  на периферийные устройства вывода. Связь  и взаимодействие ЭВМ и ПУ обеспечивают порты ввода-вывода. Порт – это аппаратура сопряжения периферийного устройства с ЭВМ и управления им.