Функциональная структура ЭВМ. Принципы программного управления. Взаимодействие функциональных устройств ЭВМ при выполнении программ пользователей.Функциональная структура ЭВМ. Принципы программного управления. Взаимодействие функциональных устройств ЭВМ при выполнении программ пользователей. В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены принципы Джона фон Неймана. Принцип двоичного кодирования. Вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Данные принципы логически расширяются и предполагают в свою очередь следующее: - максимальную простоту операционного устройства, и следовательно, простой машинный язык его программирования, его низкий уровень. Сложные операции должны осуществляться за счет усложнения программ, размещенных в памяти ЭВМ. - последовательный командно-адресный характер управления, в соответствии с которым команды содержат информацию о данных, размещенных в памяти, и выполняются последовательно – одна за другой. - линейную организацию памяти, последовательную нумерацию ее ячеек и, как следствие, непосредственное представление лишь простейших структур данных. Сложные структуры организуются программным способом. - «жесткую» архитектуру – отсутствие возможности изменения набора команд, связей между устройствами и пр. Согласно принципам фон Неймана, компьютер должен иметь следующие устройства: - арифметико-логическое устройство – для непосредственного осуществления вычислений и логических операций; - устройство управления – для организации процесса управления программами; - запоминающее устройство – для хранения программ и информации; - внешние устройства – для ввода и вывода информации.
Работу компьютера можно описать следующим образом. С помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячеек памяти, где находится первая команда программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать ввод или вывод данных с внешнего устройства в память или, наоборот, из памяти на внешнее устройство, выполнение арифметических или логических операций. После выполнения первой команды устройство управления начинает выполнять вторую, которая находится в ячейке памяти компьютера, расположенной сразу за ячейкой с первой командой и т.д. Последовательность выполнения команд может быть изменена с помощью команд передачи управления. Эти команды указывают устройству управления, что необходимо продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в другой ячейке памяти. Устройство управления выполняет инструкции автоматически. Устройство управления может обмениваться информацией с запоминающим и внешним устройством. Поскольку внешние устройства, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, устройство управления может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства, после чего компьютер переходит в режим ожидания сигналов от внешних устройств.
(2-1-2/3) Арифметико-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор. Информация в электронном виде хранится в запоминающих устройствах. Для долговременного хранения информации используются постоянные запоминающие устройства. В первую очередь в них хранятся программы, по которым работает компьютер. Для хранения промежуточных данных используются оперативные запоминающие устройства (ОЗУ). В оперативную память могут перед своим выполнением заноситься и программы. Принцип модульной организации предполагает построение вычислительных систем на основе набора модулей. Под модулем понимается конструктивно, функционально и электрически законченное устройство, позволяющее самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать задачи заданного класса. Модульный подход создания микропроцессорных систем упрощает наращивание мощности и реконфигурацию систем, отодвигает время морального старения технических средств, позволяет произвести замену вышедшего из строя блока не затрагивая прочие. Магистральный способ обмена информацией. Два принципа взаимосвязи элементов и модулей в системе: принцип произвольных связей и магистральный. Первый из них реализует правило соединений «каждый с каждым». Магистральный принцип обеспечивает обмен информацией между функциональными и конструктивными модулями с помощью магистрали, объединяющей входные и выходные шины конкретных модулей. Применение магистрального обмена позволяет минимизировать число связей между блоками и наиболее просто подходить к наращиванию числа функциональных модулей. Принцип регулярности предполагает закономерную повторяемость элементов структуры и связей между ними. Данный принцип на структурном и алгоритмическом уровнях определяет общность подходов к организации взаимосвязи, обмена информацией между всеми блоками системами. Совместное применение этого принципа и принципа магистральности приводит к возможности унификации многих схемотехнических и алгоритмических решений, программного обеспечения и, в конечном итоге, к возможности создания стандартных интерфейсов. Информацию циркулирующую между узлами ЭВМ можно представить тремя типами – данные, адресная информация и управляющая. Поэтому связь между входящими в состав системы модулями осуществляется с помощью магистрали, которая состоит из трех шин – данных, адреса и управления. Рассмотрим назначение и функции каждой из трех шин. Шиной называют группу линий передачи, используемых для выполнения определенной функции (по одной линии на каждый передаваемый бит). Шина данных. Это двунаправленная шина: по ней данные могут направляться или в микропроцессор или из него в ячейки памяти или устройства ввода-вывода. Шина адреса. Для того чтобы микропроцессор мог обратиться к конкретной ячейке памяти, за всеми ними закрепляются адреса. Когда микропроцессор обращается к памяти, он выставляет на шине адреса адрес (номер) нужной из ячеек. Информация по шине адреса передается только в одном направлении – от микропроцессора к модулям памяти. Всю совокупность ячеек памяти, к которым может обратиться микропроцессор, называют его адресным пространством или полем памяти. Размеры адресного пространства определяются разрядностью адресной шины. Например, если эта шина состоит из 16 линий (A0... A15), то по ней могут быть переданы 216 = 65 536 различных комбинаций двоичных чисел – адресов. Микропроцессор к устройствам ввода-вывода обращается так же как к ячейкам памяти, с помощью одних и тех же команд. За устройствами ввода-вывода также закреплены адреса. При этом говорят, что ячейки памяти и УВВ расположены в рамках единого адресного пространства. Деление адресного пространства производится между всеми периферийными устройствами, т.е. между блоками ПЗУ, ОЗУ и устройствами ввода-вывода. Распределение производится на этапе проектирования микропроцессорной системы. Каждое периферийное устройство в своем составе должно содержать дешифратор адреса, с помощью которого оно по адресу на шине адреса определяет к нему ли обращается микропроцессор. При распределении адресного пространства прежде всего определяется необходимый объем ПЗУ, ОЗУ и количество (2-1-3/3) устройств ввода-вывода. Объем ПЗУ определяется размерами требуемой программы, объем ОЗУ – количеством переменных и массивами данных, которые используются в программе. Конкретная совокупность адресов тем или иным блокам или устройствам устанавливается, прежде всего, исходя из простоты организации в них дешифрации адреса. Некоторым исключением из этого правила является определение совокупности адресов для блока ПЗУ. Начальный адрес этого блока всегда устанавливается нулевым.
Шина управления. Служит для передачи сигналов, обусловливающих взаимодействие, синхронизацию работы всех модулей системы и внутренних узлов микропроцессора. Одна часть линий шины управления служит для передачи сигналов, исходящих из микропроцессора, а по другой части линий передаются сигналы от периферийных устройств к микропроцессору. Передача сигналов по одним и тем же линиям любой из шин в любой момент времени может вестись только одним устройством. При этом говорят, что шиной устройства пользуются в режиме разделения времени – по очереди. Одновременное подключение выходов различных устройств на общую шину не допустимо, иначе выходы различных устройств работают друг на друга, что неминуемо приведет к выходу из строя одного или обоих передающих устройств. Отключение не активных устройств от шины производится переводом их выходов в третье состояние (в Z-состояние).
|
