Это устройство выполняет основную работу по переработке информации хранимой в оперативной памяти

Обновлено: 05.07.2024

Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.

Информатика. 7 класса. Босова Л.Л. Оглавление

2.1.1. Компьютер

Одним из важных объектов, изучаемых на уроках информатики, является компьютер, получивший своё название по основной функции — проведению вычислений (англ, computer — вычислитель).

Современный компьютер — универсальное электронное программно управляемое устройство для работы с информацией.

Универсальным устройством компьютер называется потому, что он может применяться для многих целей — обрабатывать, хранить и передавать самую разнообразную информацию, использоваться человеком в разных видах деятельности.

Современные компьютеры могут обрабатывать разные виды информации: числа, текст, изображения, звуки. Информация любого вида представляется в компьютере в виде двоичного кода — последовательностей нулей и единиц. Некоторые способы двоичного кодирования представлены на рис. 2.1.


Информацию, предназначенную для обработки на компьютере и представленную в виде двоичного кода, принято называть двоичными данными или просто данными. Одним из основных достоинств двоичных данных является то, что их копируют, хранят и передают с использованием одних и тех же универсальных методов, независимо от вида исходной информации.

Способы двоичного кодирования текстов, звуков (голоса, музыки), изображений (фотографий, иллюстраций), последовательностей изображений (кино и видео), а также трёхмерных объектов были придуманы в 80-х годах прошлого века. Позже мы рассмотрим способы двоичного кодирования числовой, текстовой, графической и звуковой информации более подробно. Теперь же главное — знать, что последовательностям 1 и 0 в компьютерном представлении соответствуют электрические сигналы — «включено» и «выключено». Компьютер называется электронным устройством, потому что он состоит из множества электронных компонентов, обрабатывающих эти сигналы.

Обработку данных компьютер проводит в соответствии с программой — последовательностью команд, которые необходимо выполнить над данными для решения поставленной задачи. Как и данные, программы представляются в компьютере в виде двоичного кода. Программно управляемым устройством компьютер называется потому, что его работа осуществляется под управлением установленных на нём программ. Это программный принцип работы компьютера.

Современные компьютеры бывают самыми разными: от мощных компьютерных систем, занимающих целые залы и обеспечивающих одновременную работу многих пользователей, до мини-компьютеров, помещающихся на ладони (рис. 2.2).


Сегодня самым распространённым видом компьютеров является персональный компьютер (ПК) — компьютер, предназначенный для работы одного человека.

2.1.2. Устройства компьютера и их функции

Любой компьютер состоит из процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации. Функции, выполняемые этими устройствами, в некотором смысле подобны функциям мыслящего человека (рис. 2.3). Но даже столь очевидное сходство не позволяет нам отождествлять человека с машиной хотя бы потому, что человек управляет своими действиями сам, а работа компьютера подчинена заложенной в него программе.


Процессор компьютера

Центральным устройством компьютера является процессор. Он организует приём данных, считывание из оперативной памяти очередной команды, её анализ и выполнение, а также отправку результатов работы на требуемое устройство. Основными характеристиками процессора являются его тактовая частота и разрядность.

Процессор обрабатывает поступающие к нему электрические сигналы (импульсы). Промежуток времени между двумя последовательными электрическими импульсами называется тактом. На выполнение процессором каждой операции выделяется определённое количество тактов.

Тактовая частота процессора равна количеству тактов обработки данных, которые процессор производит за 1 секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) — миллионах тактов в секунду. Чем больше тактовая частота, тем быстрее работает компьютер. Тактовая частота современных процессоров уже превышает 1000 МГц = 1 ГГц (гигагерц).

Разрядность процессора — это максимальная длина двоичного кода, который может обрабатываться или передаваться одновременно. Разрядность процессоров современных компьютеров достигает 64.

Память компьютера

Память компьютера предназначена для записи (приёма), хранения и выдачи данных. Представим её в виде листа в клетку. Тогда каждая клетка этого листа будет изображать бит памяти — наименьший элемент памяти компьютера. В каждой такой «клетке» может храниться одно из двух значений: 0 или 1. Один символ двухсимвольного алфавита, как известно, несёт один бит информации. Таким образом, в одном бите памяти содержится один бит информации.

Различают внутреннюю и внешнюю память.

Внутренняя память компьютера

Внутренней называется память, встроенная в компьютер и непосредственно управляемая процессором. Во внутренней памяти хранятся исполняемые в данный момент программы и оперативно необходимые для этого данные. Внутренняя память компьютера позволяет передавать процессору и принимать от него данные примерно с такой же скоростью, с какой процессор их обрабатывает. Поэтому внутренняя память иначе называется оперативной (быстрой). Объём оперативной памяти современных компьютеров измеряется в гигабайтах.

Электрические импульсы, в форме которых информация сохраняется в оперативной памяти, существуют только тогда, когда компьютер включён. После выключения компьютера вся информация, содержащаяся в оперативной памяти, теряется.

К внутренней памяти компьютера относится также ПЗУ — постоянное запоминающее устройтво. В нём хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. После выключения компьютера информация в ПЗУ сохраняется.

Внешняя память компьютера

Для долговременного хранения программ и данных предназначена внешняя (долговременная) память. Внешняя память позволяет сохранять огромные объёмы информации. Информация во внешней памяти после выключения компьютера сохраняется. Различают носители информации — магнитные и оптические диски, энергонезависимые электронные диски (карты флеш-памяти и флеш-диски) и накопители (дисководы) — устройства, обеспечивающие запись данных на носители и считывание данных с носителей. Жёсткий диск — устройство, совмещающее в себе накопитель (дисковод) и носитель (непосредственно диск).

При запуске пользователем некоторой программы, хранящейся во внешней памяти, она загружается в оперативную память и после этого начинает выполняться.

Устройства ввода и вывода информации

Различные устройства компьютера связаны между собой каналами передачи информации (рис. 2.4).


Самое главное

Современный компьютер — универсальное электронное программно управляемое устройство для работы с информацией.

Любой компьютер состоит из процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации. Функции, выполняемые этими устройствами, в некотором смысле подобны функциям мыслящего человека.

Вопросы

1. Ознакомьтесь с материалами презентации к параграфу, содержащейся в электронном приложении к учебнику. Какими слайдами вы могли бы дополнить презентацию.

ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО С КОМПЬЮТЕРОМ»
Часть А. Тест
1. Компьютер — это:
устройство для работы с текстами;
электронное устройство для обработки чисел;
устройство для хранения информации любого вида;
многофункциональное техническое устройство для работы с информацией;
устройство для обработки аналоговых сигналов.
2. Компьютер дублирует основные информационные функции …
социальных систем;
животного;
человека;
технических систем;
любых биологических систем.
3. Какое устройство компьютера моделирует мышление человека?
оперативная память;
процессор;
внешние носители информации;
регистры процессора;
дисковод.
4. Устройство ввода предназначено для…
передачи информации от человека машине;
обработки вводимых данных;
реализации алгоритмов обработки, накопления и передачи информации.
5. Устройством вывода является.
клавиатура;
монитор;
сканер;
дискета.
6. Манипулятор "мышь " - это устройство…
сканирования информации;
вывода;
считывания информации;
ввода.
7. Устройством ввода является.
принтер;
дисплей;
клавиатура.
8. Устройство вывода предназначено для
обучения, игры, расчетов и накопления информации;
программного управления работой вычислительной машины;
передачи информации от машины человеку.
9. При выключении компьютера вся информация стирается .
в оперативной памяти;
на гибком диске;
на жестком диске;
на CD-ROM диске.
10. Оперативная память служит для…
обработки информации;
обработки одной программы в заданный момент времени;
запуска программ;
хранения информации.
11. Внешняя память служит для …
хранения информации внутри ЭВМ;
хранения оперативной, часто изменяющейся информации в процессе решения задачи;
обработки информации в данный момент времени;
долговременного хранения информации независимо от того, работает ЭВМ или нет.
12. Адресуемость оперативной памяти означает:
дискретность структурных единиц памяти;
энергозависимость оперативной памяти;
возможность произвольного доступа к каждой единице памяти;
наличие номера у каждого байта оперативной памяти;
энергонезависимость оперативной памяти.
13. Для хранения одного байта информации необходимо использовать
2 байта памяти;
1 байт памяти;
1 бит памяти;
2 бита памяти.
14. Какое устройство ЭВМ относится к внешним? ..
центральный процессор;
принтер;
оперативная память.
15. Магистрально-модульный принцип архитектуры современных персональных компьютеров подразумевает такую логическую организацию его аппаратных компонент, при которой:
каждое устройство связывается с другими напрямую;
все они связываются друг с другом через магистраль, включающую в себя шины данных, адреса и управления;
устройства связываются друг с другом в определенной фиксированной последовательности (кольцом);
связь устройств друг с другом осуществляется через центральный процессор, к которому они все подключаются.
16. Тактовая частота процессора — это:
число вырабатываемых за одну секунду импульсов (тактов), синхронизирующих работу узлов компьютера;
число возможных обращений процессора к оперативной памяти в единицу времени;
скорость обмена информацией между процессором и устройствами ввода/вывода;
скорость обмена информацией между процессором и ПЗУ.
17. Скорость работы компьютера зависит от:
наличия или отсутствия подключенного принтера;
организации интерфейса операционной системы;
тактовой частоты обработки информации в процессоре;
объема внешнего запоминающего устройства;
объема обрабатываемой информации

Ответы:
1) (1 б.) Верные ответы: 3;
2) (1 б.) Верные ответы: 4;
3) (1 б.) Верные ответы: 3;
4) (1 б.) Верные ответы: 3;
5) (1 б.) Верные ответы: 5;
6) (1 б.) Верные ответы: 2;
7) (1 б.) Верные ответы: 2;
8) (1 б.) Верные ответы: 5;
9) (1 б.) Верные ответы: 2;
10) (1 б.) Верные ответы: 1;
11) (1 б.) Верные ответы: 3;
12) (1 б.) Верные ответы: 4;
13) (1 б.) Верные ответы: 2;
14) (1 б.) Верные ответы: 1;
15) (1 б.) Верные ответы: 2;
16) (1 б.) Верные ответы: 4;
17) (1 б.) Верные ответы: 3;
18) (1 б.) Верные ответы: 1;
19) (1 б.) Верные ответы: 3;
20) (1 б.) Верные ответы: 4;
21) (1 б.) Верные ответы: 2;
22) (1 б.) Верные ответы: 2;
23) (1 б.) Верные ответы: 3;
24) (1 б.) Верные ответы: 1;
25) (1 б.) Верные ответы: 2;
26) (1 б.) Верные ответы: 4;
27) (1 б.) Верные ответы: 5;
28) (1 б.) Верные ответы: 3.


Все устройства симметрично подсоединяются к одному каналу, называемому общей шиной. Симмет­рия подключения гарантирует свободное подключение новых устройств, т.е. система имеет теоретически неограниченное развитие. Некоторые узлы могут иметь специфические свойства, например процессор, опера­тивная память, внешние накопители данных. Между узлами организуется обмен информацией. Так как потоки информации ограничены возможно­стями одного канала, эта схема имеет принципиальные ограничения скорости работ.

Конвейерная организация.


Здесь обрабатывающее устройство разделяется на последовательно включенные операционные блоки, ка­ждый из которых специализирован на выполнение строго определенной части операции. При этом работа осуществляется следующим образом: когда i-й операционный блок выполняет i-ую часть j-й операции, (i -1)-й операционный блок выполняет (i-1)-yю часть (j+1)-й операции, а (i+1)-й опера­ционный блок выполняет (i+1)-ую часть (j-1)-й операции. В результате образуется своего рода конвейер обработки и за счет этого повышается производительность системы.

Канальная организация.


В ЭВМ с канальной организацией процессор освобожден от организации ввода-вывода. Канал представляет собой специализированный процессор, который выполняет канальную программу, состоящую из канальных команд, загружаемых операционной системой и хранящихся в оперативной памяти. Управление контроллерами внешних устройств и обмен данными осуществляется каналом. Наличие нескольких трактов передачи данных повышает скорость обмена. Все это дает возможность производить обмен данными с внешними устройствами параллельно с основной вычислительной работой центрального процессора. Одной из первых машин с каналами была ЭВМ второго поколения IBM-704, а также машины семейства IBM-360/370.

Организация с перекрестной коммутацией .


Все связи между узлами осуществляются с помощью коммутирующей матрицы(КМ), которая может связывать между собой любую пару узлов, причем таких пар может быть сколько угодно — связи не зависят друг от друга. Возможность одновре­менной связи нескольких пар устройств позволяет достичь очень высо­кой производительности комплекса.

Функционирование компьютера с шинной организацией

Шинная организация является простейшей формой организации компьютера. Компьютер имеет в своем составе следующие функциональные блоки: центральный процессор, память, устройства ввода-вывода.

Центральный процессор – функциональная часть компьютера,выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Состоит из следующих взаимосвязанных составных элементов: арифметико-логического устройства, устройства управления и регистров.

Регистр– устройство, предназначенное для промежуточного хранения двоичной информации в процессе выполнения вычислительных операций, а также для их преобразования.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет основную работу по переработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие компьютеру автоматически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от получаемых результатов.


Арифметико-логическое устройство формирует по двум входным переменным одну – выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание, сдвиг и т.д.), выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от устройства управления. АЛУ содержит в своем составе устройство, хранящее характеристику результата выполнения операции над данными и называемое флаговым регистром. Программный анализ флагов позволяет производить операции ветвления программы в зависимости от конкретных значений данных. Кроме того, в АЛУ имеется набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора, составляющие основу архитектуры процессора.

Регистр данных — служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операций.

Регистр-аккумулятор — регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений.

Регистр-указатель стека — используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу: последним вошел —первым вышел, т.е. последнее записанное в него значение извлекается из него первым. Стеки используются для организации подпрограмм.

Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти.

Регистры-счетчики используются для организации циклических участков в программах.

Внутренние системные регистры, не доступные программно и используемые во время внутренних пересылок информации при выполнении команд.

Устройство управления— часть центрального процессора, вырабатывающая распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд.

Выборка команд – процесс интерпретации устройством управления команды, выбранной из оперативной па­мяти.

Выполнение команды – формирование требуемого набора команд низкого уровня для АЛУ и других устройств.

В устройство управления входят:

регистр команды, содержащий код команды во время ее выполнения;

программный счетчик, содержащий адрес очередной подлежащей выполнению команды;

регистр адреса, вычисляющий адреса операндов, находящихся в памяти.

Оперативная память (ОП) –функциональный блок, хранящий информацию для устройства управления (УУ) – команды и арифметико-логического устройства (АЛУ) – данные.

Основные информационные и временные свойства запоминающих устройств:

Информационная емкость – максимально возможный объем хранимой информации.

Время доступа – временной интервал, определяемый от момента, когда процессор выставил на адресной шине адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

Время записи – интервал времени, необходимый для перезаписи содержимого шины данных в связанную с ней ячейку памяти.


С одной стороны память должна иметь большую емкость – для реализации задач, построенных по сложным алгоритмам и имеющих достаточно много исходных, промежуточных и результирующих данных. С другой стороны, память должна обладать достаточным быстродействием, соответствующим быстродействию других устройств компьютера, а чем больше емкость памяти, тем медленнее к ней доступ, т.к. время доступа определяется временем, необходимым для выборки из памяти или записи в нее информации. Поэтому в компьютере существует несколько запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием.

Память собирается на полупроводниковых микросхемах и состоит из отдельных ячеек.

Ячейка памяти– вместилище порции информации в памяти компьютера, доступной для обработки отдельной командой.

Содержимое ячейки памяти называется машинным словом.

Количество информации, записываемое или извлекаемое из памяти за одно обращение, называется машинным словом.

Разряд –часть ячейки памяти, хранящая один бит двоичной информации.

Количество разрядов, которое может быть воспринято, передано или получено за одно обращение к процессору, называется его разрядностью.

Периферийные устройства.В их число входят устройства двух типов: устройства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ, и коммуникационные устройства, предназначенные для связи компьютера с внешним миром (пользователем, посредствам устройств ввода-вывода и манипуляторов, другими компьютерами с помощью модемов и устройств связи, и т.д.). Обмен данными с внешним устройством осуществляется через порты ввода-вывода. Порт (в переводе с англ. port — ворота, дверь, отверстие) можно рассматривать как совокупность ячеек, через которые возможно записать данные в периферийное устройство, или, наоборот — прочитать из него. Так же как и ячейки памяти, порты име­ют уникальные номера — адреса портов ввода-вывода.

Система шин.Объединение функциональных блоков в компьютере осуще­ствляется посредством следующей системы шин:

шина данных, по кото­рой осуществляется обмен информацией между блоками компьютера;

шина адреса, используется для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение);

шина управления используется для передачи управляющих сигналов.

Совокупность этих трех шин называют системной шиной, системной магистралью или системным интерфейсом.

Шина со­стоит из отдельных проводников (линий). Сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами (наличие импульса соответствует логической 1, а отсутствие импульса — логическому 0), либо уровнем напряжения (например, высокий уровень — 1 , низкий — 0). Шириной шины называется количество линий (проводников), входящих в составшины. Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства компьютера. Если, например, количество линий адреса, используемых для ад­ресации памяти, равно 20, то общее количество адресуемых ячеек памяти составит 2 20 , т.е. примерно один миллион ячеек (точнее, 1.048.576 ячеек).

Обычно на шине в любой момент можно выделить два активных уст­ройства. Одно из них называется задатчиком и инициирует операцию обмена данными (формирует адреса и управляющие сигналы), другое называется исполнителем и выполняет операцию (дешифрует адреса и управляющие сигналы, принимает или передает данные). В большинстве случаев задатчиком является центральный процессор. Память всегда выступает только в качестве исполнителя.

1. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЭВМ С ШИННОЙ ОРГАНИЗАЦИЕЙ

• Упрощенная схема фон-неймановской ЭВМ
с шинной организацией
• Состав и функции блоков ЦП
• Память. Оперативная память
• Периферийные устройства
• Система шин. Виды программноуправляемой передачи информации в ЭВМ
• Обобщенный алгоритм функционирования
фон-неймановской ЭВМ

2. Упрощенная схема ЭВМ с шинной организацией

• Шинная организация является простейшей
формой организации ЭВМ. В соответствии с
принципами фон-Неймана подобная ЭВМ имеет в
своем составе 6 функциональных блоков.
• Центральный процессор (ЦП) —
функциональный блок, выполняющий основные
операции по обработке данных и управлению
работой других блоков.
• Центральный процессор состоит из следующих
взаимосвязанных составных элементов:
арифметико-логического устройства,
устройства управления и регистров.

Центральный процессор
Генератор
тактовой
частоты
Арифметико-логическое устройство
Регистровая
память
Регистр
флагов
Выполняемая
операция
Пульт
управления
Устройство управления
Программный
счётчик
Регистр
адреса
Регистр
команды
Шина данных
Шина управления
Память
Адрес
Данные
Управление
Порты
Адрес
Данные
Ячейка 1
Ячейка 2
Порт 1
Порт 2
Ячейка 3
Порт 3
….
Ячейка n
Память
….
Порт m
Управление
Порты
устройств
вводавывода
Системная шина
Шина адреса

4. Состав и функции АЛУ

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
состоит из блоков:
• Выполняемая операция
• Регистр флагов (флаговый регистр)
• Регистровая память (регистры процессора)
1. АЛУ выполняет основную работу по переработке
информации, хранимой в оперативной памяти. В
нем выполняются арифметические и
логические операции.
2. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие
сигналы, позволяющие автоматически выбирать
путь вычислительного процесса в зависимости от
получаемых результатов.

5. Блок «Выполняемая операция»

• Формирует по двум входным переменным одну —
выходную, выполняя заданную операцию
(сложение, вычитание, сдвиг и т.д.). Выполняемая
операция определяется микрокомандой,
получаемой от устройства управления.
• Характеристика результата выполнения операции
над входными переменными передается в
специальное устройство (блок) АЛУ, называемое
регистром флагов.
• Операции выполняются с помощью электронных
схем, каждая из которых состоит из нескольких
тысяч элементов. Микросхемы АЛУ имеют
высокую плотность и быстродействие.

6. Блок «Регистр флагов»

• Предназначен для хранения характеристик
результата выполнения операции АЛУ.
• Отдельные разряды этого регистра указывают на
1. равенство результата операции нулю,
2. знак результата операции (+ или -),
3. правильность выполнения операции (наличие
переноса за пределы разрядной сетки или
переполнения разрядной сетки: индикаторы
переноса и переполнения).
• Программный анализ флагов АЛУ позволяет УУ
производить операции ветвления программы в
зависимости от конкретных значений данных.

7. Блок «Регистровая память»

• В АЛУ имеется набор программно-доступных
быстродействующих ячеек памяти различной
длины, которые называются регистрами
процессора.
• Регистры составляют основу архитектуры
процессора. Количество регистров и связей
между ними оказывает существенное влияние на
сложность и стоимость процессора.
• Однако, с другой стороны, наличие большого
количества регистров с богатым набором
возможностей упрощает программирование и
повышает гибкость программного обеспечения.

8. Обязательный набор регистров АЛУ

1. Регистр данных — служит для временного
хранения промежуточных результатов при
выполнении операций.
2. Регистр аккумулятор — регистр временного
хранения, который используется в процессе
вычислений (например, в нем формируется
результат выполнения команды умножения).
3. Регистр указатель стека — используется при
операциях со стеком. Стек используется для
организации подпрограмм в программе.
4. Индексные, указательные и базовые
регистры используются для хранения и
вычисления адресов операндов в памяти.

5. Регистры-счетчики используются для
организации циклических участков в программе.
6. Регистры общего назначения (РОН),
имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться
для любых целей. Точное назначение регистра
определяет программист при написании
программы. Они могут использоваться для
временного хранения данных, в качестве
аккумуляторов, а также в качестве
индексных, базовых, указательных регистров.
7. Внутренние системные регистры, не
доступные программно, используются во время
внутренних пересылок данных при выполнении
команд в АЛУ.

10. Функции УУ

• Устройство управления (УУ) — часть
центрального процессора, которая
вырабатывает распределенную во
времени и пространстве
последовательность внутренних и
внешних управляющих сигналов,
обеспечивающих выборку и выполнение
команд программы.
• На этапе выборки команды УУ
интерпретирует команду, выбранную из
оперативной памяти.

• На этапе выполнения команды
УУ формирует микропрограмму.
Микропрограмма это последовательность
микрокоманд, соответствующих одной
команде в программе.
• Микрокоманды задают
последовательность простейших
низкоуровневых операций для АЛУ,
таких, как пересылка данных, сложение,
сдвиг данных, установка и анализ
признаков, запоминание результатов и др.

12. Состав устройства управления

Устройство управления (УУ) имеет в
своем составе три блока:
1.Регистр команды, который содержит
код команды во время ее выполнения
2.Программный счетчик, в котором
содержится адрес следующей,
подлежащей выполнению команды
3.Регистр адреса, в котором
вычисляются адреса операндов,
находящихся в оперативной памяти.

Пульт управления
предусмотрен для связи пользователя с ЭВМ и
позволяет выполнять такие действия, как сброс
ЭВМ в начальное состояние, просмотр регистра
или ячейки памяти, запись адреса в программный
счетчик, пошаговое выполнение программы при ее
отладке и т.д.
Генератор тактовой частоты формирует
последовательность импульсов с целью
синхронизации работы всех устройств ЭВМ.
Память – устройство ЭВМ, предназначенное для
запоминания, хранения и выборки программ и
данных.

Периферийные устройства (ПУ). В их число
входят устройства двух типов: устройства
внешней памяти, предназначенные для
долговременного хранения данных и программ, и
коммутационные устройства, предназначенные
для связи ЭВМ с внешним миром (с
пользователем, другими ЭВМ и т.д.).
Обмен данными с ПУ осуществляется через порты
ввода-вывода.
Порты – ячейки памяти, которые используются
для связи ЭВМ с периферийными устройствами
(чтения и записи данных). Так же, как и ячейки
памяти, порты имеют уникальные номера —
адреса портов ввода-вывода.

15. Память ЭВМ

• Память состоит из конечного числа ячеек, каждая
из которых имеет свой уникальный номер - адрес.
• Доступ к ячейке осуществляется указанием ее
адреса.
• Память способна выполнять два вида операций
над данными — чтение с сохранением
содержимого и запись нового значения со
стиранием предыдущего.
• Каждая ячейка памяти может использоваться для
хранения либо данных, либо команды.
Виды памяти ЭВМ (по быстродействию):
1. Регистровая память 2. Оперативная память
3. Внешняя память

16. Оперативная память (ОП)

• Оперативная память — функциональный блок
ЭВМ, хранящий информацию для УУ (команды) и
АЛУ (данные).
• ОП ЭВМ должна вмещать достаточно большое
количество информации, т.е. должна иметь
большую емкость.
• С другой стороны, оперативная память должна
обладать быстродействием, соответствующим
быстродействию других устройств ЭВМ.
• Быстродействие памяти определяется временем,
необходимым для выборки данных из памяти или
записи данных. Чем больше емкость памяти, тем
медленнее к ней доступ.

17. Системная шина

• Объединение функциональных блоков в ЭВМ
осуществляется посредством системы шин:
• шины данных, но которой осуществляется
обмен информацией между блоками ЭВМ,
• шины адреса, используемой для передачи
адресов (номеров ячеек памяти или портов
ввода-вывода, к которым производится
обращение),
• шины управления для передачи управляющих
сигналов.
• Совокупность этих трех шин называют
системной шиной, системной магистралью
или системным интерфейсом.

18. Принципиально общие закономерности в организации шин

1. Шина состоит из отдельных проводников - линий.
2. Сигналы по линиям шины могут передаваться
либо импульсами (наличие импульса
соответствует логической 1, а отсутствие — 0),
либо уровнем напряжения (высокий, низкий).
3. Шириной шины называется количество линий,
входящих в состав шины. Ширина шины адреса
определяет размер адресного пространства ОП
ЭВМ. Если количество линий адреса равно 20, то
общее количество адресуемых ячеек ОП
составит 220 = 1 048 576 ячеек. Ширина шины
данных определяется разрядностью ЦП (длиной
машинного слова).

4. Обычно на шине в любой момент можно
выделить два активных устройства. Одно из
них называется задатчиком и инициирует
операцию обмена данными (формирует
адреса и управляющие сигналы).
Другое называется исполнителем и
выполняет операцию (дешифрирует адреса и
управляющие сигналы и принимает или
передает данные). В большинстве случаев
задатчиком является центральный
процессор. Память всегда выступает только в
качестве исполнителя.

20. Структура шины управления

• Линия занятости. Если линия находится в состоянии
«шина свободна», то задатчик (ЦП) может начать
операцию обмена данными по шине, иначе задатчику
придется ожидать, пока шина не освободится.
• Линия выполняемой операции. Указывает, какая
именно операция будет выполняться: чтение (задатчик
принимает данные от исполнителя), запись (задатчик
передает данные исполнителю).
• Линия синхронизации. Используется для передачи
сигналов синхронизации задатчика и исполнителя.
Синхронизация задатчика и исполнителя может
осуществляться по-разному,
• Один из распространенных способов называется
асинхронным и состоит в следующем.

21. Операция чтения

1. Процессор переводит шину в состояние
занято, на адресную шину помещает адрес
требуемой ячейки памяти, устанавливает на
шине управления сигнал чтение, выдает
сигнал синхронизации задатчика.
2. Память принимает адрес, дешифрирует его,
находит нужную ячейку и помещает ее
содержимое на шину данных. Далее память
выдает сигнал синхронизации исполнителя.
3. Получив ответ от памяти, процессор считывает
данные с шины данных, снимает свои
управляющие сигналы и освобождает шину.

22. Операция записи

1. Процессор переводит шину в состояние занято,
на адресную шину помещает адрес требуемой
ячейки памяти, на шину данных помещает
данные, которые надо записать в эту ячейку,
устанавливает на шине управления сигнал
запись, выдает сигнал синхронизации.
2. Память, получив сигнал синхронизации от ЦП,
принимает адрес, дешифрирует его, находит
нужную ячейку и помещает в нее содержимое с
шины данных. Далее память выдает сигнал
синхронизации исполнителя.
3. Получив ответ от памяти, ЦП снимает свои
управляющие сигналы и освобождает шину.

23. Квитирование

• Рассмотренный выше способ обмена
данными называется асинхронным
ответом , а сама операция
запроса — подтверждения носит
название квитирования или
рукопожатия (handshake) и широко
применяется при построении системы
шин различного назначения в разных
ЭВМ.

24. Виды программно-управляемой передачи данных

1. Синхронный – наиболее простой вид , требует
минимум технических и программных средств:
поскольку время выполнения операции
внешним устройством точно известно.
2. Асинхронный – интервал между командами
обмена задается внешним устройством
программным путем.
3. Обмен по прерываниям - готовность внешнего
устройства к обмену данными проверяется не
программным путем, а аппаратным, через
контроллеры прерываний.

25. Обобщенный алгоритм функционирования фон-неймановской ЭВМ с шинной организацией

Большинство ПЭВМ, мини - и микро ЭВМ
имеют шинную организацию и их
функционирование описывается
приведенным ниже алгоритмом, который
представляет собой последовательность
достаточно простых действий.

Инициализация
Выборка команды
Увеличение программного счетчика
Дешифрация и выполнение команды
Нет
Команда «Остановка
процессора»
Да

27. Шаг 1. Инициализация

• После включения ЭВМ в регистры центрального
процессора заносятся некоторые начальные
значения. Обычно в процессе инициализации
после включения ЭВМ в память ЭВМ помещается
программа, называемая первичным загрузчиком.
Основное назначение этой программы — загрузить
в оперативную память с устройства внешней
памяти операционную систему.
• Пока будем полагать, что в оперативной памяти
оказалась первая из подлежащих выполнению
программ.
• Программному счетчику в УУ присваивается
начальное значение, равное адресу первой
команды программы, указанной выше.

28. Шаг 2. Выборка команды

• Центральный процессор производит
операцию считывания первой
команды программы из оперативной
памяти (выборка команды УУ).
• В качестве адреса ячейки памяти
используется содержимое
программного счетчика.

29. Шаг 3. Интерпретация команды

• Содержимое считанной ячейки памяти
помещается в регистр команды УУ. Устройство
управления приступает к интерпретации
команды. По полю кода операции из первого
слова команды УУ определяет ее длину и, если
это необходимо, организует дополнительные
операции считывания, пока вся команда
полностью не будет прочитана процессором.
• Вычисленная длина команды прибавляется к
исходному содержимому программного
счетчика, и когда команда полностью
прочитана, программный счетчик будет хранить
адрес следующей команды.

30. Шаг 4.

• По адресным полям команды
устройство управления определяет,
имеет ли команда операнды в памяти.
• Если это так, то на основе указанных в
адресных полях режимов адресации
вычисляются адреса операндов и
производятся операции чтения памяти
для считывания операндов.

31. Шаг 5.

• Устройство управления и арифметикологическое устройство выполняют
операцию, указанную в поле кода
операции команды.
• Во флаговом регистре АЛУ центрального
процессора запоминаются признаки
результатов операции (равно нулю или
нет, знак результата, наличие
переполнения, переноса и т.д.).

32. Шаг 6

• Если это необходимо, устройство
управления выполняет операцию
записи для того, чтобы поместить
результат выполнения команды в
память.

33. Шаг 7.

• Если последняя команда не была
командой остановить процессор, то
описанная последовательность
действий повторяется, начиная с шага 2.
• Описанная последовательность
достаточно простых действий
центрального процессора с шага 2 до
шага 7 называется циклом процессора.

34. Реализация цикла процессора

• В различных конфигурациях ЭВМ фон Неймана
реализация цикла процессора может несколько
отличаться. Так, например, по-разному может
осуществляться синхронизация задатчиков и
исполнителей;
• процессор может считывать из памяти не одну
команду, а сразу несколько и хранить их в
специальной очереди команд;
• часто используемые программой команды и
данные могут храниться не в основной памяти
ЭВМ, а в быстродействующей буферной памяти и
т.д.

35. Заключение

• Шинная организация. В этой схеме все
устройства симметрично подсоединяются к
одному каналу, называемому общей шиной.
• Симметрия подключения гарантирует свободное
подключение новых устройств, т.е. система имеет
теоретически неограниченное развитие.
• Между блоками ЭВМ (процессор, оперативная
память, внешние устройства) организуется обмен
информацией (последовательный).
• Так как потоки информации ограничены
возможностями одного канала, эта схема имеет
принципиальные ограничения скорости работ.

Читайте также: