АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРА

Основы АРХИТЕКТУРЫ ЭВМ

Архитектура ЭВМ — это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействие основных ее функциональных узлов.

Принципы Джона фон Неймана

В 1946 г. ученые из США Д. Нейман, Г. Голдстайн и А. Бернс сформулировали основные принципы построения универсальных ЭВМ. Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято называть архитектурой ЭВМ. Эти принципы получили название «принципов Джона фон Неймана» или «архитектуры фон Неймана».

В основе архитектуры многих современных компьютеров лежат именно эти принципы.

Согласно фон Нейману, ЭВМ должна состоять из следующих основных блоков (рис. 1.1): устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ) (в современных компьютерах эти устройства объединены в один блок - процессор), запоминающих устройств (внутренней и внешней памяти), устройств ввода и вывода.

Архитектура ЭВМ по Нейману. Сплошными линиями показаны потоки информации, пунктирными — управляющие сигналы (команды)

Рис. 1.1. Архитектура ЭВМ по Нейману. Сплошными линиями показаны потоки информации, пунктирными — управляющие сигналы (команды)

Принципы построения универсальных ЭВМ (Джона фон Неймана):

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

Рассмотрим перечисленные принципы более подробно.

1. Принцип двоичного кодирования - вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных кодов.

Надо сказать, что в первых ЭВМ для представления информации не всегда использовался двоичный код. Например, в ENIAC был более привычный для человека десятичный код. Почему же был выбран именно двоичный способ кодирования? Ответ на вопрос довольно прост: два различных состояния, представляющих соответственно О или 1, технически реализовать значительно проще, чем все остальные случаи. Действительно, отсутствие напряжения можно закодировать как 0, наличие - 1; отсутствие намагниченности участка носителя информации — 0, намагниченность — 1 и т. д.

  • 2. Принцип программного управления заключается в том, что работой ЭВМ управляет программа, представляющая собой последовательность команд (инструкций), которые выполняет процессор. Машинная команда - это двоичный код, определяющий выполняемую операцию, адреса используемых операндов (обрабатываемых данных) и адрес ячейки запоминающего устройства, по которому должен быть записан результат выполненной операции.
  • 3. Принцип однородности памяти — программы и обрабатываемые данные хранятся вместе. ЭВМ не различает, что хранится в определенной ячейке памяти — команды или данные. Над командами можно выполнять такие же действия, что и над данными. Это позволяет получать команды одной программы в результате исполнения другой. Таким образом, ЭВМ может формировать для себя программу в соответствии с полученными результатами.
  • 4. Принцип адресности: структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Выполнение программы происходит следующим образом.

Программа считывается (загружается) в оперативную память компьютера. Процессор последовательно считывает команды из оперативной памяти. Выборка команды осуществляется счетчиком команд — регистром устройства управления. Так как в памяти команды расположены последовательно друг за другом, то адрес очередной команды счетчик команд получает путем увеличения хранимого в нем адреса очередной команды на длину команды.

Несмотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода, так как существуют команды условного или безусловного перехода, которые позволяют занести в счетчик команд адрес внеочередной команды, и тем самым перейти не к следующей команде, а к той, адрес которой указывается.

Считанная в процессор команда расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.

Последовательное выполнение команд процессором может быть нарушено при поступлении сигнала прерывания.

Прерывание может быть вызвано внешним устройством (внешние прерывания) и самим процессором (внутрипроцессор-ные прерывания). Прерывание может быть и фатальным (неисправимым), например деление на 0, переполнение разрядной сетки, ведущие к прекращению выполнения программы.

После получения прерывания (не фатального) процессор запоминает текущее состояние прерванной программы, вызывает и выполняет специальную программу - обработчик прерываний, затем возвращается к исходной программе.

На основе принципов Джона фон Неймана производились первые два поколения ЭВМ. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >