Архитектура классической ЭВМ

История ЭВМ

Точкой отсчета - начало XVII века (1623 год), Шикард создал машину, умеющую складывать и вычитать числа. Но первым арифмометром, способным выполнять четыре основных арифметических действия, стал арифмометр Паскаля . Основным элементом в нем было зубчатое колесо. Шойц, в 1853 году создал машину для вычисления полиномов, которая выдавала результаты на печать на негативную пластину для фотопечати. В 1890 году Холлерит разработал машину, работающую с таблицами данных. Машина управлялась программой на перфокартах. В 1938 Цузе создает машину, которая оперирует двоичными числами. В 1941 году он создал электромеханическую машину на базе реле, она выполняла операции с плавающей точкой.

В 1946 году в США, была создана первая универсальная ЭВМ - ENIAC. Она содержала 18 тыс. ламп, весила 30 тонн, занимала площадь около 200 квадратных метров и потребляла огромную мощность. В ней использовались десятичные операции, и программирование осуществлял ось путем коммутации разъемов и установки переключателей. Нейман впервые предложил записывать программу и ее данные в память машины так, чтобы их можно было при необходимости модифицировать в процессе работы.

Первое поколение ЭВМ (1946-1959 гг.) В этот период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. Это - центральный процессор (ЦП), оперативная память (оперативно запоминающее устройство - ОЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ). ЦП, в свою очередь, должен состоять из арифметико-логического устройства (АЛУ) и управляющею устройства (УУ).

Элементная база (для УУ, АЛУ): Электронные лампы . Основной тип ЭВМ: Большие. Основные устройства ввода: Пульт, перфокарточный, перфоленточный ввод. Основные устройства вывода: Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод. Внешняя память: Магнитные ленты, барабаны, перфоленты, перфокарты. Ключевые решения в ПО: Универсальные языки программирования, трансляторы. Режим работы ЭВМ: Однопрограммный

Второе поколение ЭВМ (1960-1969 гг.)
Элементная база (для УУ, АЛУ): Полупроводники (транзисторы). Основной тип ЭВМ: Большие. Основные устройства ввода: Добавился алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура. Основные устройства вывода: Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод . Внешняя память: Добавился магнитный диск. Ключевые решения в ПО: Пакетные операционные системы, оптимизирующие трансляторы. Режим работы ЭВМ: Пакетный

Третье поколение ЭВМ (1970-1979 гг.).

Элементная база (для УУ, АЛУ): Интегральные схемы. Основной тип ЭВМ: Малые (мини). Основные устройства ввода: Алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура. Основные устройства вывода: Графопостроитель, принтер. Внешняя память: Перфоленты, магнитный диск. Ключевые решения в ПО: Интерактивные операционные системы, структурированные языки программирования. Режим работы ЭВМ: Разделения времени

Четвертое поколение ЭВМ (1980г. Наши дни).

Элементная база (для УУ, АЛУ): Большие интегральные схемы. Основной тип ЭВМ: Микро. Основные устройства ввода: Цветной графический дисплей, сканер, клавиатура. Основные устройства вывода: Графопостроитель, принтер. Внешняя память: Магнитные и оптические диски. Ключевые решения в ПО: Дружественность ПО, сетевые операционные системы. Режим работы ЭВМ: Персональная работа и сетевая обработка данных

Принцип работы ЭВМ

Схема персонального компьютера.

На схеме представлена структура ПК. Основу ПК составляет системный блок, в котором размещены: микропроцессор (МП), блок оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), долговременной памяти на жёстком магнитном диске, устройства для запуска компакт-дисков (CD) и дискет (НГМД). Там же находятся платы: сетевая, видеопамяти, обработки звука, модем (модулятор-демодулятор), интерфейсные платы, обслуживающие устройства ввода-вывода: клавиатуры, дисплея, "мыши", принтера и др.

Все функциональные узлы ПК связаны между собой через системную магистраль, представляющую из себя более трёх десятков упорядоченных микропроводников, сформированных на печатной плате.

Микропроцессор служит для обработки информации: он выбирает команды из внутренней памяти (ОЗУ или ПЗУ), расшифровывает и затем исполняет их, производя арифметические и логические операции. Получает данные из устройства ввода и посылает результаты на устройства вывода. Он вырабатывает также сигналы управления и синхронизации для согласованной работы его внутренних узлов, контролирует работу системной магистрали и всех периферийных устройств.

В состав упрощённой схемы микропроцессора входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции над двоичными числами; блок регистров общего назначения, для временного хранения обрабатываемой информации, указателя стека и счётчика команд; устройство управления (УУ), определяющее порядок работы всех узлов.

Обработка информации осуществляется по программе, которая представляет собой последовательность команд, управляющих работой компьютера. Команда состоит из кода операции и адреса. Код операции сообщает микропроцессору, что нужно сделать, какую выполнить операцию: сложить, сравнить, переслать, очистить и т.д. Адрес указывает место, где находятся данные, подлежащие обработке. Команды бывают безадресные, одноадресные и двухадресные.

Выполнение любой команды состоит из двух фаз: фазы выборки и фазы исполнения. Фаза выборки начинается по сигналу начала цикла команды. При этом содержимое счётчика команд указывает на её адрес в ОЗУ. Как только сигнал по шине адресов поступит в ОЗУ, содержимое счётчика команд изменится на 2 и укажет адрес следующей команды. Из ОЗУ по шине данных команда поступает в регистр команд микропроцессора. Фаза исполнения начинается с расшифровки полученной команды. На этом кончается фаза исполнения данной команды и микропроцессор готов к выполнению следующей команды, указанной в счётчике команд.

Итак, компьютер функционирует лишь благодаря программному обеспечению, без которого он бесполезен. Программное обеспечение условно можно разделить на системное (Windows), прикладное (Microsoft Office, Adobe Photoshop), инструментальное (Audio Editor Gold).

Архитектура классической ЭВМ

В 1946 году Джоном Нейманом на летней сессии был распространен отчет, заложивший основы развития вычислительной техники на несколько десятилетий вперед.

Основные рекомендации, предложенные Нейманом для разработчиков ЭВМ:

1. Машины должны работать в двоичной системе счисления.

2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины.

3. Программа представляется в двоичном коде.

4. Иерархическая организация памяти.

5. Арифметические устройства машины конструируются на основе схем, выполняющих операцию сложения.

6. Используется параллельный принцип организации вычислительного процесса

Рис.1 Структура классической ЭВМ

Запоминающее устройство, или память – это совокупность ячеек, предназначенных для хранения некоторого кода. Каждой из ячеек присвоен свой номер, называемый адресом .

Машинная команда – это двоичный код, определяющий выполняемую операцию, адреса используемых операндов и адрес ячейки ЗУ, по которому должен быть записан результат выполненной операции. Операции, определяемые кодом операции команды, выполняются в арифметико-логическом устройстве (АЛУ).

Все действия в ЭВМ выполняются под управлением сигналов, вырабатываемых устройством управления (УУ). Управляющие сигналы формируются на основе информации, содержащейся в выполняемой команде, и признаков результата, сформированных предыдущей командой. Устройство управления помимо сигналов, определяющих те или иные действия в различных блоках, формирует также адреса ячеек.

Устройство управления формирует адрес команды, которая должна быть выполнена в данном цикле, и выдает управляющий сигнал на чтение содержимого соответствующей ячейки запоминающего устройства. По информации, содержащейся в адресных полях команды, УУ формирует адреса операндов и управляющие сигналы для их чтения из ЗУ и передачи в арифметико-логическое устройство. После считывания операндов устройство управления по коду операции, содержащемуся в команде, выдает в АЛУ сигналы на выполнение операции. Полученный результат записывается в ЗУ по адресу приемника результата под управлением сигналов записи. Признаки результата поступают в устройство управления, где записываются в специальный регистр признаков. Эта информация может использоваться при выполнении следующих команд программы, например команд условного перехода.

Поиск по сайту: