ЭВМ является сложной многофункциональной системой, выполняющей множество разнообразнейших функций.
Система это совокупность взаимосвязанных элементов, функционирующих по определенному правилу с целью достижения определенного результата.
Сложной системой является система, удовлетворяющая ряду следующих условий:
- большое число разнообразных элементов;
- наличие многоуровневой иерархической структуры;
- наличие контуров обратной связи;
- наличие сильной взаимосвязи как между элементами одного так и между элементами разных уровней;
- наличие большого числа состояний системы и параметров их описывающих;
- наличие большого числа функций сложной системы;
- наличие в системе контуров компенсации воздействия окружающей среды.
Если у системы есть эти признаки, то это говорит о наличии в системе иерархической организации, который можно проиллюстрировать в виде пирамиды, разделенной на несколько уровней (см. рис.3).
Таким образом система связывает нижние уровни с верхними, реализуя тем самым основное свойство иерархической организации: «свойства присущие верхнему уровню не присущи нижнему уровню».
Число структурных элементов в классической ЭВМ равно 5. Принципиальная схема классической ЭВМ представлена на рисунке:
Рисунок 4. Основные структурные элементы
П - процессор;
ОП - основная память;
ВП – внешняя память;
ВУ – внешнее устройство;
ИФОШ – интерфейс общей шины.
При иерархической организации каждый уровень работы ЭВМ описывается на своем языке. На уровне логических элементов используется алгебра логики. Программирование в ЭВМ начинается на операционном уровне. При программирование на операционном уровне используется язык микроопераций. Примерами структурных элементов могут служить различные регистры, накапливающие сумматоры, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, де мультиплексоры, схемы сравнения, преобразователи кодов.
Если выйти за рамки рассматриваемого курса, то ЭВМ не является верхним уровнем иерархической организации. Таким образом, можно рассмотреть еще одну пирамиду, в которой ЭВМ будет занимать самый нижний уровень:
Рисунок 5. Иерархическая структура сетей
Для рассмотрения элементов на операционном и логическом уровнях применяется принцип декомпозиции Глушкова.
Принцип декомпозиции Глушкова
Как уже было сказано выше данный принцип используется на уровнях ОЭ и ЛЭ. Он утверждает, что каждый сложный элемент состоит из более простых элементов, которым не присущи свойства сложного элемента.
ПРИНЦИП ДЕКОМПОЗИЦИИ НА СТРУКТУРНОМ УРОВНЕ:
В соответствии с принципом декомпозиции любой структурный элемент разбивается на два блока(см. рис 6).
Рисунок 6. Структурный элемент в соответствии с принципом декомпозиции
А – входной обрабатываемый операнд;
В – результат обработка операнда А в операционном блоке;
ОБ – операционный блок;
УБ – управляющий блок;
РМК – регистр микрокоманд;
БКИ – блок контроля информации;
ОС – осведомительные сигналы;
УС – управляющие сигналы;
СИ – синхроимпульсы;
Fk – код операции.
ОБ осуществляет преобразования операнда А в соответствии с Fk, подающегося извне. Во время реализации операции ОБ вырабатывает совокупность осведомительных сигналов, представляющих собой результат обработки операнда А. Эту совокупность составляют следующие сигналы:
- Z (равенство результата 0);
- F или S (знак операнда);
- C4 (перенос из старшего разряда);
- 0 или R (сигнал переполнения разрядной сетки).
В УБ происходит расщепление программы в соответствии с осведомительными сигналами. Например если результат обработки операнда равен 0 (Z=1), то выполняется одна последовательность микрокоманд , если же Z=0, то другая последовательность микрокоманд. Управляющий блок получает код операции F извне, и в соответствии с ним генерирует последовательность микрокоманд. В F указан начальный адрес микропрограммы управляющего блока. Микропрограмма состоит из микрокоманд, а каждая микрокоманда указывает какие управляющие сигналы задействовать, тем самым отвечая на четыре вопроса:
- где взять данные?
- что с ними сделать?
- куда поместить результат?
- каков адрес следующей микрокоманды?
Для реализации всех вышеописанных функций микрокоманда имеет специальный формат. Она состоит из операционной части, в которой содержатся ответы на первые три вопроса и адресной части, указывающей на адрес следующей микрокоманды.
Для реализации F управляющие сигналы задаются в определенном порядке и в определенном количестве.
На выходе структурного элемента ставится блок контроля, проверяющий безошибочность выполнения обработки операнда А.
Рассмотрим основные структурные элементы ПРОЦЕССОР и ОСНОВНУЮ ПАМЯТЬ с точки зрения принципа декомпозиции Глушкова на структурном уровне.
ПРОЦЕССОР:
Рисунок 7. Структура процессора
АЛУ -арифметико-логическое устройство (выполняет операции вычисления);
УУ- устройство управления (осуществляет управления блоками процессора);
РП- регистровая память(состоит из регистров общего назначения и предназначена для
хранения результатов вычисления и операндов для работы АЛУ);
ИФП- интерфейс процессора (используется для работы с системной шиной);
СШ- системная шина(связывает в единое целое структурные элементы).
ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ:
Упрощенная структура основной памяти (ОП) приведена на рисунке 8.
Ноп –накопитель основной памяти;
УУоп – Устройство управления основной памяти;
РА - регистр адресов;
РД - регистр данных;
ШУ – шина управления;
ШД – шина данных;
ША – шина адреса;
Системная шина состоит из трех шин ША, ШУ, ШД. С шины адреса (ША) снимается адрес операнда, следующей команды или микрокоманды. ША обеспечивает только запись информации в регистр адресов (РА) с которым она связана.
Шина данных предназначена для считывания и записи информации в основную память. Она непосредственно связана с регистром данных, который в отличии от регистра адреса позволяет производить не только запись информации но и её считывание. разрядность регистра адреса обычно соответствует разрядности ШД.
Рисунок 8. Структура ОП
{ Данными является 4-ёх разрядный операнд. Основная память микро-ЭВМ лабораторного стенда состоит из шестнадцати регистров по тридцать два разряда каждый. Для задания адреса одного из 16 регистров требуется 4-ёх разрядный адрес }
Шина управления служит для передачи управляющих сигналов к УУоп и получения ответа на запросы от УУоп. По данной шине подаются сигналы :
- обращение
- режим;
- пуск.
Управляющий сигнал «РЕЖИМ» устанавливает режим работы памяти. Режимом может быть:
- режим хранения;
- режим работы.
Причем режимом работы может быть либо режим записи, либо режим чтения. Управляющие сигналы режима учитываются только при наличии сигнала обращения к ОП. Работа ОП инициируется сигналом «ПУСК».
С помощью ответного сигнала «ГОТОВНОСТЬ» определяется состояние ОП [можно ли приступать к выполнению очередной операции].
{Рассмотрим структуру Регистровой памяти (РП) на примере микро-ЭВМ, используемой в лабораторных работах по курсу «Архитектура ЭВМ и систем» РП состоит из шестнадцати 4-ёх разрядных регистров общего назначения. Управление РП осуществляется с помощью двух шин А и В (см. рис 9).
Обращение к регистрам происходит по двум шинам А и В. С помощью шины А можно только считать информацию из регистров общего назначения, таким образом РОНы являются источниками информации, если мы пользуемся шиной А. Управляющие сигналы задаются управляющим блоком. Шина В в отличии от шины А является двунаправленной, и позволяет не только считывать но и записывать информацию в РОНы. }
Рисунок 9. Структура РП
ПРИНЦИП ДЕКОМПОЗИЦИИ НА ОПЕРАЦИОННОМ УРОВНЕ:
В соответствии с принципом декомпозиции на операционном уровне рассматривается структура операционных элементов. В теории принципа декомпозиции на операционном уровне рассматривается, что операционный элемент состоит из двух частей КОМБИНАЦИННОЙ(КЧ) и запоминающей(ЗЧ) и относятся к цифровым автоматам. Упрощенная структура организации операционного элемента представлении на рисунке 10.
К операционным элементам, имеющим память, относятся регистры, счетчики, накапливающие сумматоры и.т.д.
На практике же существует огромное количество операционных элементов, не имеющих запоминающих модулей, такие схемы называют комбинационными схемами. К ним относятся такие устройства как шифратор, дешифратор, мультиплексор, де мультиплексор, схема сравнения, преобразователь кодов, пороговая схема, комбинационный сумматор и.т.д.
Работа всех операционных элементов инициализируется подачей синхроимпульсов на специально предназначенный для этого вход. В связи с этим, достоверную информацию с выходов операционного элемента можно снять только по приходу синхроимпульса на синхро-вход (см. рис 11).
Рисунок 11. Синхронизация работы операционного элемента
Синхроимпульсы подаются в определенной последовательности. Данная последовательность задается изначально для любого цифрового вычислительного устройства. Всем известно, что одной из основных характеристик современного персонального компьютера является тактовая частота fтакт, которая напрямую зависит от периода следования синхроимпульсов tси , и определяется как:
fтакт = 1/ tси .
Принцип программного управления фон Неймана
Данный принцип организации и функционирования информационных систем широко используется в настоящее время. В его состав входят 4 положения:
1. Любая сложная информационная система должна иметь свой информационный язык. Самым простым и распространенным языком является язык двоичных кодовых комбинаций или просто двоичный язык. Алфавит такого языка состоит из двух символов “0” и “1” . При помощи последовательности нулей и единиц можно закодировать любое информационное сообщение. Если длинна двоичного слова равна одному символу, то количество информации, содержащееся в этом слове равно 1-ому Биту. Двоичный язык имеет следующие преимущества:
· Схемотехническое (простора организации линий передачи информации);
· Очень просто изготавливать запоминающие устройства на 1 Бит информации;
· Высокий уровень помехозащищенности;
· Простота в образовании и обработке информационных слов.
2. Каждый информационный язык отличается своей семантикой (образование информационных слов, формат слов и.т.д.). Информационное слово может быть двух типов:
· Типа «ОПЕРАНД»;
· Типа «КОМАНДА».
Для распознания информационных слов вводится формат информационного слова. Это означает, что длинна всего информационного слова разбивается на поля и каждое поле отвечает за определенную информацию. Таким образом, формат – это совокупность полей, определенным образом организованных на длине информационного слова.
Все информационные слова передаются к структурным элементам по системной шине, которая, как было сказано выше, состоит из 3-ёх шин: ША, ШД, ШУ. Существует понятие машинного слова. Машинное слово это слово определенного структурного элемента. Существуют машинные слова:
- процессора;
- основной памяти;
- внешних устройств;
- интерфейса;
Основная память выступает в роли нормализатора информационных слов, тат как системная шина по разрядности обычно ориентирована на ОП а также машинное слово ядра (процессора (П) и ОП) имеют одинаковую разрядность. Если машинные слова не совпадают то вводят согласователи П – ОП, которые преобразуют формат машинного слова. У любого структурного элемента есть контроллер, при помощи которого он подключается к системной шине (см. рис. 12).
Рисунок 12. Подключение устройств к шине
КР – контроллер;
ВП – внешняя память;
ВУ – внешнее устройство,
ИФ – интерфейс.
Примером может служить модуль жёсткого диска, который состоит из самого накопителя на жестких магнитных дисках и контроллера.
Если взять в качестве информационного слова команду, то последовательность команд будет образовывать программу. К любой программе предъявляются следующие требования:
· Программа должна обладать определенностью (отсутствие неоднозначности в ячейках памяти, использование четкой логики);
· Программа должна обладать свойством массовости (программа должна безошибочно функционировать используя любые конкретные значения операндов из некоторого диапазона).
· Программа должна быть результативной (при использовании данных программа всегда должна приводить к конечному результату)
Любая программа является дискретной и в плане используемых данных и в плане выполнения.
Существует свой язык описания работы ЭВМ На каждом уровне организации (см. рис. 3)
ЭЭ: законы ОМА и Кирхгоффа;
ЛЭ: алгебра логики;
ОЭ: машинно-ориентированный язык программирования (микропрограммирование).
СЭ: машинно-ориентированный язык программирования (ассемблер)
ЭВМ: объектно-ориентированный язык программирования.
3. Любое информационное слово имеет имя в ЭВМ. Именем информационного слова в ЭВМ может являться:
- адрес ячейки памяти, в которой оно хранится;
- название операционного элемента, в котором оно обрабатывается.
Благодаря этому реализуется требование массовости программы.
Пользователи ЭВМ бывают разные:
- использующие только устройства ввода-вывода;
- осуществляющие настройки функционирования ЭВМ;
- отвечающие за качество функционирования каждого блока ЭВМ;
- разработчики ЭВМ.
В соответствии с этим реализуется принцип программной доступности, то есть для пользователей разного уровня разрешается изменение разных областей памяти ЭВМ и возможность осуществления разных настроек СЭ.
4. Принцип программы хранимой в памяти ЭВМ. ЭВМ является сложной системой и как и всякая сложная система ЭВМ настраивается., а инструментом настройки ЭВМ является та введенная в машину прикладная программа с которой мы работаем. Возникает вопрос: «Где же хранить выполняемую программу?».
Есть два способа решения данной проблемы:
· По НЕЙМОНУ архитектура памяти предполагает хранение программ и данных в одной памяти, просто области хранения разграничиваются. Недостатком такой архитектуры является не возможность одновременного считывания команд программы и операндов;
· Гарвардская архитектура памяти предполагает разделение основной памяти на две части:
- память данных;
- память программ.
Все положения ППУ Фон Неймана действуют на структурном уровне. Своеобразным аналогом ППУ на операционном уровне является принцип микро-прогаммного управления.
Принцип микропрограммного управления
Данный принцип используется на операционном уровне и так как он также описывает работу ЭВМ то основные понятия ППУ и ПМПУ как-то взаимосвязаны. На уровне структурных элементов используются: программы (П), команды(К), операции(О),а на уровне операционных элементов оперируют с микро-программами(мП), микро-командами(мК), микро-операциями(мО) и логическими условиями(ЛУ). Связь между понятиями, использующимися на структурном и операционном уровнях следующая:
К = МП;
О = МК;
МК = Σ(МО+ЛУ).
Микрооперация это акт передачи, преобразования, хранения структурной единицы информации, инициируемый управляющим сигналом и выполняемый операционным элементом (см рис 13).
Рисунок 13. Операционный элемент и операционныйблок
Микрооперация может выполняться не только на отдельных операционных элементах но и на их совокупности операционных блоках (ОБ), чем и является АЛУ- арифметико-логическое устройство. Отличие ОБ от ОЭ заключается в том, что ОБ выполняет больше микроопераций за один такт.
Совокупность микроопераций, выполняемых на одном такте, носит название микрокоманды. Такт это есть интервал между двумя синхроимпульсами в течении которого в ЭВМ должна выполниться одна микрокоманда.
Микрокоманда является информационным словом, имеющим следующий формат:
АЧ
ОЧ
Рисунок 14. Формат микрокоманды
Адресная часть (АЧ) несет в себе адрес следующей микрокоманды, а в операционной части (ОЧ) содержится информация, которая позволяет ответить на 3-и вопроса:
- Где взять операнды?
- Какую операцию с ними произвести?
- Куда разместить результат?
Основным положением ПМПУ является следующее:
Любое сложное действие на операционном уровне можно представить в виде совокупности элементарных действий на операционном уровне.Например чтобы совместить функции источника и приемника при работе с регистровой памятью (см. Рис. 9) следует разбить такт на две части, что можно осуществить с помощью синхроимпульсов. Таким образом в такте нужно выделить микротакт 1(МТ1) - начальный и микротакт 2 (МТ2)– конечный. МТ1- используется для считывания информации из РОН В а МТ2 используется для записи информации в РОН В(рис 9).
{АЛУ микро-ЭВМ, используемой в качестве лабораторного стенда, генерирует, в соответствии с принципом декомпозиции, совокупность осведомительных сигналов(C4,0 или R, F3, Z ). Если логическое условие выполняется то ОС = 1 если не выполняется то ОС = 0. Упрощенный формат микрокоманды для составления микропрограмм на лабораторном стенде имеет вид:
Всего микрокоманда состоит из 32 разрядов, которые поделены на 8 тетрод(ячеек по 4-е разряда). Ячейки 6-7 составляют адресную часть микрокоманды, а 0-5 – информационную часть. Рассмотрим назначение полей микрокоманды:
6,7 – с помощью данных, содержащихся в этих ячейках вычисляется адрес следующей микрокоманды
0 – поле в котором задается некоторое число, которое может служить одним из операндов.
1,2 – здесь задаются адреса РОНов, содержимое которых может быть использовано в качестве операндов. Кроме того в 1-ом поле можно задать адрес приемника по шине В, то есть РОНа, в который будет записан полученный при вычислениях результат.
3 - Здесь задается МОФ микрооперация функция, то есть содержит код либо арифметических либо логических функций.
4 – здесь задается МОИ микрооперация источник, то есть содержится информация о том где взять данные для обработки. (А, В, Д или регистр процессора Q).
5 – Здесь задается МОП микрооперация приемник, то есть содержится информация об адресе, по которому будет произведена запись результата вычислений(В или Q или нет записи).
Микропрограмма может быть оформлена в виде таблицы, строкам которой соответствуют микрокоманды, а столбцам поля микрокоманды. }
