Лекция: Обобщенная структурная схема ЭЦВМ
Принцип программного управления вычислениями является основой для определения функционально-минимального состава устройств вычислительной машины. В соответствии с этим принципом, для технической реализации процессов автоматической обработки информации, представленной в дискретной форме, в состав вычислительной машины должны входить: устройство управления, запоминающее устройство, арифметико-логическое устройство, устройства ввода-вывода информации.
На показанном далее рисунке условно обозначены перечисленные устройства и показаны направления передачи данных и служебной информации, управляющей перемещением и обработкой этих данных в машине. Утолщенными линиями со стрелкой показаны направления передачи данных и инструкций (команд программы), тонкими линиями со стрелкой — потоки управляющих сигналов, генерируемых устройством управления и управляющих циркуляцией и обработкой данных в ЦВМ.
Рассмотрим взаимодействие устройств ЦВМ в процессе выполнения программы.
Программа и исходные данные (подлежащие обработке в процессе выполнения этой программы) по сигналам устройства управления считываются с используемого в конкретном устройстве ввода носителя информации, преобразуются в форму электрических сигналов и передаются в оперативное запоминающее устройство, где размещаются в отведенных полях памяти. Доступность расположенных в этом устройстве данных и команд программ обеспечивается системой адресации — оговоренным методом размещения информации, хранящейся в памяти машины.
Система адресации предусматривает присвоение каждому размещаемому в оперативном запоминающем устройстве коду — числу или команде — номера (адреса), однозначно определяющего, в каком именно поле памяти расположена эта информация.
Структурная схема ЦВМ
ЗУ — запоминающие устройства; ОЗУ — оперативное запоминающее устройство; ВЗУ — внешнее запоминающее устройство; УУ — устройство управления (ск — счетчик команд; доп — дешифратор операций; рк-регистр команд; ко — код операции; а1, а2, а3 — адреса); АЛУ — арифметико-логическое устройство (А — регистр первого операнда; В — регистр второго операнда; С — сумматор); УВВ — устройство ввода информации; УВыВ — устройство вывода информации.
Существует много способов адресации и соответствующих методов поиска данных, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Не вдаваясь в детали реализации этих методов, необходимо усвоить главное: в подавляющем большинстве современных ЭВМ размещение информации в оперативной памяти и выборка этой информации из памяти всегда осуществляются с использованием адресов.
Поскольку команды программы (как и данные) хранятся в оперативной памяти, выполнение программы можно представить как процесс выборки и выполнения команд, хранящихся в полях памяти с последовательными адресами. Выборка команд из памяти осуществляется устройством управления, которое, во-первых, определяет порядок этой выборки, во-вторых, хранит и расшифровывает каждую поступившую команду.
Содержащаяся в команде информация используется для выработки наборов сигналов, управляющих взаимодействием устройств в процессе выполнения этой команды. Часть кода команды (код операции) используется для выяснения вида подлежащей выполнению операции, в результате чего арифметическое устройство настраивается на соответствующий вид работы. Оставшаяся (адресная) часть кода команды рассматривается как набор адресов данных, участвующих в операции, и результата.
Данные, адреса которых указаны в команде, отыскиваются в оперативном запоминающем устройстве и пересылаются в арифметическое устройство, которое выполняет над ними заданные преобразования. Полученный результат отсылается в оперативное запоминающее устройство и записывается в поле памяти по указанному в команде адресу. Когда выполнение команды закончено, устройство управления формирует адрес следующей команды (в простейшем случае он на единицу больше предыдущего), и процесс повторяется.
По мере выполнения программы в оперативном запоминающем устройстве накапливаются результаты вычислений. Они могут быть выведены из этого устройства в заданной форме на соответствующий носитель информации, как в процессе работы программы, так и после ее окончания. Преобразование информации, хранящейся в оперативном запоминающем устройстве, из внутренней (принятой в ЦВМ) формы во внешнюю и фиксация ее на выбранном носителе осуществляются устройствами вывода информации.
Внешние запоминающие устройства работают значительно медленнее, поскольку в них использованы другие, нежели в оперативном запоминающем устройстве, принципы записи, однако они способны одновременно хранить значительные объемы информации. Эти устройства взаимодействуют с ЭВМ периодически, выполняя роль буфера, который в зависимости от обстоятельств используется либо как приемник, либо как источник информации.
Сверхоперативное запоминающее устройство (на схеме не показано) по логике работы тесно связано с арифметическим устройством и позволяет в небходимых случаях обрабатывать информацию без обращения к оперативному запоминающему устройству, что ускоряет работу машины. Такая иерархическая структура запоминающих устройств позволяет создать гибкую систему, способную приспосабливаться к разнообразным, зачастую противоречивым, требованиям, предъявляемым к памяти ЭВМ.
Рассмотренная структура была характерна для вычислительных машин первых поколений, в которых в числе других структурных нововведений было обеспечено совмещение во времени операций ввода-вывода информации с работой арифметического устройства посредством включения в состав ЭВМ местных устройств управления вводом-выводом информации. Такая организация обмена информацией получила название системы прямого доступа внешних устройств к памяти, а всякое объединение обрабатывающего устройства с местным устройством управления стали называть периферийным процессором.
Децентрализация функций управления вводом-выводом информации в сочетании с другими структурными усовершенствованиями позволила повысить эффективность работы ЭВМ, однако их общая производительность оставалась невысокой. Одной из главных причин этого был однопрограммный режим работы, при котором все ресурсы ЭВМ поступали в распоряжение одной программы на все время ее обработки. При такой организации работы несмотря на независимость операций ввода-вывода данных часто возникают ситуации, когда обрабатывающее устройство вынуждено ожидать окончания обмена (поскольку в этот период арифметическое устройство может быть не загружено из-за отсутствия данных).
Поэтому в последующих моделях ЭВМ была введена система прерываний, позволяющая временно прекращать выполнение текущей программы – например для ввода-вывода информации и переключать обрабатывающее устройство на выполнение другой программы (на время прерывания первой) и т. д. Система прерываний позволяла организовать многопрограммный режим работы ЭВМ (при этом в памяти машины одновременно присутствует информация, относящаяся к разным программам) и существенно повысить их производительность посредством «уплотнения» работы устройства. Обрабатывающее устройство в этих ЭВМ стало объединять функции арифметического и центрального устройства управления, и было названо центральным процессором, или просто процессором.
Для организации взаимодействия центрального процессора и периферийных процессоров ввода-вывода (каналов ввода-вывода информации), обеспечения работы системы прерываний используется набор программ, входящих в состав системного программного обеспечения, образующего операционную систему. Операционная система управляет функционированием устройств ЭВМ, автоматизирует подготовку программ к выполнению на ЭВМ и организует это выполнение. Являясь неотъемлемой принадлежностью современных средств цифровой техники, операционные системы увеличивают производительность ЭВМ и предоставляют пользователям многочисленные удобства, упрощающие взаимодействие человека с машиной.
Дальнейшее совершенствование структуры и организации работы ЭВМ привело к созданию вычислительных систем. Основу вычислительной системы составлял ряд (набор) процессоров разной производительности, к которому через унифицированные каналы обмена информацией мог быть подключен широкий набор периферийных устройств. Благодаря этому стало возможным создавать вычислительные системы с переменным по производительности и конфигурации (объему памяти, набору периферийных устройств) составом оборудования, наиболее приспособленные к предполагаемой области их использования.
Решающий шаг по внедрению ЭВМ практически во все сферы человеческой деятельности был связан с прогрессом в области миниатюризации базовых элементов цифровой техники — создания электронных «чипов». Это позволило на порядки уменьшить размеры, снизить энергопотребление, повысить быстродействие и надёжность электронных компонент. Этот процесс привел к созданию персональных ЭВМ (ПЭВМ) простота и удобство работы с которыми, в сочетании с высоким быстродействием и большим объемом оперативной памяти, позволили чрезвычайно расширить круг пользователей этой техники.
Дальнейшее развитие технических средств направлено на дальнейшее увеличение производительности ЭВМ за счет повышения частоты работы процессоров, создания многопроцессорных систем, увеличения объемов оперативной памяти и новых разработок в области программного обеспечения.