ЭВМ – это комплекс программных средств, предназначенных для автоматической обработки информации.

Структура, архитектура ЭВМ, систем и сетей.

Лекции: к.т.н., доц. Шарнов Александр Иванович.

Практика: Ивакин Константин Николаевич.
ВВЕДЕНИЕ
          Россия стоит на пути исторической необходимости перехода на новый уровень общественного и экономического развития, определяемыми жестокими требованиями рыночной экономики. Речь идет о пути формирования информационного общества. Материальная база информационного общества является информационная экономика. Основы информационной экономики составляет создание и потребление информационных ресурсов или информационных ценностей.

          Основные особенности информационной экономики:

1).Главной формой накопления является накопление знаний и другой полезной информации.

2).Это изменение характера производства процессов в основных областях.

3).Экономически оправданным является мелкосерийное и индивидуальное производство.

4).Резкое возрастание скорости экономических процессов.

5).Усиление интеграционных процессов.

          Развитые страны мира стали на путь информационной экономики в 70 годах.

Такой путь имели следующие моменты:

1).Превышение суммарных затрат, чисто информационной базы над другими отраслями.

2).Возрастание доли не вещественных затрат.

3).Формирование глобальных коммуникаций сети общества.

4).Увеличение в производстве до 50% населения занятые информационной обработкой.
ПРИНЦИПЫ ПОСТОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ.

ЭВМ, компьютер – это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

          Требования пользователей к выполнению вычислительных работ определяется подбором и настройкой технических и программных средств объединенных в одну структуру.

          Структура ЭВМ – это совокупность ее элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.

Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых состоит ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

          Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники:

1.     Инженеры (схема техники) – проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы сопряжения друг с другом.

2.     Системные программисты – создают программы управления техническими средствами, информационного распределения между уровнями, организацию вычислительного процесса.

3.     Прикладные программисты – разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователя с ЭВМ и необходимый для этого сервис.

4.     Специалисты по эксплуатации ЭВМ – занимаются общими вопросами взаимодействия пользователя с ЭВМ.
Содержание знаний и умений специалистов по ПО и его эксплуатации составляют:

1) Технические и эксплуатационные характеристики.

2) Производительность ЭВМ – объем работ осуществляющих ЭВМ в единицу времени.

3) Емкость запоминающих устройств: ОЗУ и ДЗУ.

4) Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени.

5) Точность – это возможность различать почти равные значения.

6) Достоверность – это свойство информации быть правильно воспринятой.
Классификация ЭВМ
          Величина и разнообразие современного парка ЭВМ потребовали системы квалификации ЭВМ. Предложено много принципов классификации:

1.     Классификация ЭВМ по форме представления величин вычислительной машины делят на:

-    аналоговые (непрерывного действия) АВМ

-    цифровые (дискретного действия) ЦВМ

-    аналого-цифровые (гибридные) ГВМ

В АВМ обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых вычислений: ток, напряжение угол поворота.

          В ЦВМ (ЭВМ) информация кодируется двоичным кодом. Широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные ЦВМ.

2.    
Классификация ЭВМ по поколениям (по элементарной базе):

-    Первое поколение (50г.): ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

-    Второе поколение (60г.): ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).

-    Третье поколение (70г.): ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой степенью интеграции.

-    Четвертое поколение (80г.): ЭВМ на больших интегральных схемах.

-    Пятое поколение (90): ЭВМ на сверхбольших интегральных схемах.

-    Шестое и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной степенью большого числа несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Интегральная схема – электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.

3.    
Классификация ЭВМ по мощности (быстродействию):

1).Супер-ЭВМ – машины для крупно-маштабных задач (фирма IBM).

2).Большие ЭВМ – машины для территориальных, региональных задач.

3).Средние ЭВМ – машины очень широкого распространения.

4).Малые ЭВМ.

5).ПЭВМ (персональные ЭВМ).

6).Микро ЭВМ и микропроцессоры.

7).Сети ЭВМ.
Общие принципы построения современных ЭВМ.

          Основным принципом построения ЭВМ является программное управление, в основе которого лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

          Алгоритм – это конечный набор предписаний, определяющий решения задачи посредством конечного количества операций (ISO 2382/1-84 международный стандарт).

          Программа – это упорядоченное последовательность команд подлежащих обработки.

          Принцип программного управления может быть осуществлен разными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ был представлен в 1945 году Нейманом. Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления отражает характер действия человека по алгоритму.
    программы                                                                                              потоки

    и исходные                                                                                             информации

      данные
Обобщенная структура ЭВМ Джен Фон Неймана первого и второго поколений
УПД – устройство подготовки данных.

УВС – устройство ввода.

АЛУ – арифметико-логическое устройство.

УУ – устройство управления.

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.

ДЗУ – длительно запоминающее устройство

ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.

УВ – устройство вывода.

ЗУ+АЛУ+УУ – процессор.
          Любая ЭВМ имеет устройство ввода информации, с помощью которого в ЭВМ вводят программы решения задач и данные к ним.

          ОЗУ – предназначено для оперативного запоминания программы хранящейся в исполнении.

          ВЗУ – предназначено для долговременного хранения информации.

          Кэш-память – промежуточная память между ОЗУ и ВЗУ.

          УУ – предназначено для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ.

          АЛУ – выполняет арифметические и логические операции над данными. Основой АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят: сумматоры, счетчики, логические операции.
          Классическая структура ЭВМ с переходом на БИС (большие интегральные схемы) перешла в понятие архитектура ЭВМ.
                                 Устройства

                                 сопряжения
Обобщенная архитектура третьего и четвертого поколений
          В ЭВМ третьего поколения усложнение структуры произошло за счет разделения процессов ввода/вывода информации, и ее обработки. Появляется понятие процессор, где неразрывно связаны СОЗУ (сверх оперативное устройство), АЛУ и УУ. Появляется понятие каналы ввода/вывода, которые делят на мультиплексные (МК) и селекторные (СК) каналы.

          МК – предназначены обслуживать большое количество медленно-скоростных устройств.

          СК – обслуживают высокоскоростные, отдельные устройства.

          Применительно к ПЭВМ архитектура приняла упрощенный вид архитектуры малых машин (принцип открытой архитектуры, где главным элементом является системная магистраль). Ядро ПЭВМ образует процессор и основная память. Подключение всех остальных устройств осуществляется через адаптеры (устройства сопряжения).
Обобщенная архитектура ПЭВМ
Структурная схема ПК



ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ.

Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ

ЭВМ кроме аппаратурной части и ПО (Hard Ware и Soft Ware) имеет большое количество функциональных средств. К ним относятся коды, с помощью которых обрабатываемая информация представляется в цифровом виде:

1).Арифметические коды.

2).Помехозащищенные коды.

3).Цифровые коды аналоговых величин.

          Кроме кодов на функционирование ЭВМ оказывают влияние:

3       алгоритмы их формирования и обработки

4       технологии выполнения различных процедур

5       способы организации работы различных устройств

6       организация системы прерывания.

Функциональную организацию ЭВМ образуют: коды, системы команд, алгоритмы выполнения машинных операций, технология выполнения различных процедур и взаимодействие Hard и Soft, способы использования устройств при организации их совместной работе, составляющие идеологию функционирования ЭВМ.

Идеологию функционирования ЭВМ можно реализовать разными способами:

1).Аппаратурными

2).Программно-аппаратурными

3).Программными средствами.

          Таким образом, реализация функций ЭВМ дополняет ее структурную организацию. Сопоставление структур ЭВМ дополненных функциональной структурой приводит к понятию совместимых и не совместимых ЭВМ.
Организация функционирования ЭВМ с могестральной структурой

          ЭВМ – это совокупность устройств выполненных на больших интегральных схемах имеющих функционированное назначение.

          Комплект интегральных схем называют микропроцессорным комплектом.

          В состав микропроцессорного комплекта входят:

7       системный таймер

8       микропроцессор

9       сопроцессоры (организация математических процессов)

10  контроллер прерываний

11  контроллер прямого доступа к памяти

12  контроллеры устройств ввода/вывода.

Все устройства ЭВМ делятся на:

1).Центральные (полностью электронные БИС).

2).Периферийные (частично-электронные, частично-электромеханические с электронным управлением).

          В центральных устройствах основным устройством является системная шина (системная магистраль).

          Системная магистраль состоит из трех узлов:

1).Шина данных (ШД)

2).Шина адреса (ША)

3).Шина управления (ШУ).

          В состав системной магистрали входят также: регистры защелки, шинные арбитры.

          Интерфейс системной шины – это логика работы системной магистрали, количество линий (разрядов) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций.

          В состав центральных устройств ЭВМ входят:

13  центральный процессор

14  основная память

15  ряд дополнительных узлов выполняющих служебные функции

16  контроллер прерываний

17  контроллер прямого доступа к памяти

18  таймер.

Периферийные устройства делятся на:

19  внешнее запоминающее устройство (НЖМД – носитель жесткий магнитный диск, НГМД – носитель гибкий магнитный диск)

20  УВв

21  ???

22  ?????

23  ???
Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя

          Один из «прозрачных» процессов машины – это организация ввода, преобразование и отображение результатов работы системного программного обеспечения. Программа задания, написанная программистом на алгоритмическом языке называется исходным модулем.

          Перевод исходной программы на машинный язык осуществляет программа translator. Он делится на: компилятор и интерпретатор.

          Интерпретатор – после перевода на язык машины каждого оператора исходного модуля немедленно его исполняет.

          Компилятор – сначала полностью переводит всю программу исходного модуля на машинный язык, затем его исполняет.

          Объектный модуль – машинный язык.

          Полученный объектный модуль записывается в библиотеку объектных модулей или сразу исполняется.

          Для исполнения отлаженного объектного модуля к нему могут быть добавлены недостающие программы из библиотеки компиляторов. Такую связь выполняет программа редактор связи. В результате образуется загрузочный модуль.

          Исполнение загрузочного модуля осуществляется программой – загрузчиком.

          Операционная система (ОС) – выполняет функцию управления.
СТРУКТУРА АДРЕСНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРОГРАММЫ НА ОСНОВНУЮ ПАМЯТЬ
          Для выполнении программы при ее загрузки в оперативную память (ОП) ей выделяется часть машинных ресурсов. Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом, но может производиться и ОС. Выделение ресурсов перед выполнением программы называется статическим перемещением, в результате, которого программа привязывается к определенному месту памяти.

          Если ресурсы машины выделяются в процессе выполнения программы, то это называется динамическим перемещением, здесь программа не привязана к определенному месту.

          При статическом перемещении возможны два случая:

1).Реальная память больше требуемого адресного пространства программы. В этом случае загрузка программы в реальную память производится, начиная с нулевого адреса. Эта загружаемая программа называется абсолютной программой.

2).Реальная память меньше требуемого адресного пространства. В этом случае возникает проблема организации выполнения программ.

          Существует несколько методов решения этой проблемы:

24  метод оверлейной структуры, в котором программа разбивается на части вызываемые ОП по мере необходимости.

25  Метод рентабельных модулей, в котором программа разбивается на временные модули доступными к исполнению по нескольким обращениям.

В мультипрограммном режиме имеются программы. А, В, С. При работе в мультипрограммном режиме может сложиться в ситуации, когда между программами остаются промежутки свободной памяти. Для того чтобы этого не было, применяют программу дефрагментации диска.



Виртуальная память

Реальную память можно «увеличить» имитируя работу с максимальной памятью. Программист предполагает, что ему предоставлена «реальная» память максимально доступная для ЭВМ. Такой режим называют режим виртуальной памяти.

          Виртуальной памятью называется теоретически доступная ОП объем, которой определяется только адресной частью команды.

          Виртуальная память имеет сигментоно-страничную организацию и реализована в иерархической системе ЭВМ. Часть ее размещается в блоках основной памяти, а часть в ячейках внешней памяти. Записываемая область во внешней страничке памяти называется ячейкой или слотом. Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной памяти.

          Загрузить программу в виртуальную память – это, значит, перезаписать несколько страниц из внешней страничной памяти в основную.
Система прерываний ЭВМ
          ЭВМ – это комплекс автономных устройств каждое, из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимого от других устройств.

          Включает в работу центральный процессор (ЦП), передавая устройству команды и необходимые параметры. Таким образом, ЦП переключает свое «внимание» поочередно с устройства на устройство. Для того чтобы ЦП работал, создана система прерываний.

          Принцип действия системы прерываний заключается в том, что при выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяется содержание регистра.

          Прерывания делят на три типа:

26  аппаратурные

27  логические

28  программные

ЦЕНТРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ

Основная память и состав устройства
          Запоминающими устройствами (ЗУ) называются комплекс программных средств, реализующих функции памяти.

          ЗУ делят на:

1).Основную память (ОП)

2).Сверх оперативная память (СОЗУ)

3).Внешняя память (ВЗУ)

          ОП включает в себя два типа устройств:

29  ОЗУ (RAM – random aces memory)

30  ПЗУ (ROM – read only memory)

ОЗУ – предназначено для хранения переменной информации.

ПЗУ – содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислений.

          Функциональные возможности ОЗУ шире ПЗУ, но ПЗУ – энергонезависимо и имеет большее быстродействие.

          В современных ЭВМ микросхемы памяти изготовляют из кремния по полупроводниковой технологии, с высокой интеграцией элементов на кристалле.

          Основной составной частью микропроцессора является массив элементов памяти объединенных в матрицу накопителя. Каждый элемент памяти может хранить 1 бит памяти. Каждый бит имеет свой адрес в ЗУ, позволяющий обращаться по адресу к любому элементу памяти – называется ЗУ с произвольным доступом.
                 2 байта - полуслово
                           4 байта – слово
                                             8 байт – двойное слово
                                                  переменной длины
          При матричной ориентации памяти реализуется координатный принцип адресации элементов памяти, когда адрес делится на X и Y. На пересечении этих элементов находятся элементы памяти, которые должны быть прочитаны.

Микросхемы памяти могут строиться на SRAM (статических) и DRAM (
динамических).

          В качестве статического элемента памяти (ЭП) обычно выступает статический триггер, а в качестве динамического ЭП используется электрический конденсатор внутри кремневого кристалла.

          ОЗУ характеризуется объемом и быстродействием. ОЗУ в современных ЭВМ имеет модульную структуру. Сменные модули имеют различное конструктивное строение: SIM, ZIM, SIMM, DIMM. Увеличение объема ОЗУ связано с установкой дополнительных модулей, которые выпускаются в 30-контактном (30 pin) или 72-конктактном (72 pin) на 1,4,8,16,32,64 Мбайта. Время доступа к DRAM составляет 60-70 н.сек.

          На производительность ЭВМ влияет тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали (СМ). Если тактовая частота не достаточно высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения и наоборот.

          Харак4теристикой производительности ОЗУ является пропускная способность, измеряемая в Мбайт/сек.

          Микросхемы ПЗУ построены по принципу матричной структуры, но функции элементов памяти выполняют перемычки в виде полупроводниковых диодов. Процесс занесения информации в микросхемы ПЗУ называют программированием, а устройство – программатор.

          СОЗУ пользуются для хранения не больших объемов информации, в результате скорость считывания уменьшается в 10-20 раз. СОЗУ строят на регистрах, они бывают адресные и без адресные. Регисторные структуры делятся на память магазинного типа и память с выборкой по содержанию.
Структурная схема ОЗУ
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР ЭВМ

Структура базового микропроцессора
          Микропроцессор (МП) составляет основу центрального процессора ПВМ. Это обрабатываемое устройство служит для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к основной памяти, внешним устройствам и для управления хода вычислительных процессов.

          Существует большое число МП различающихся: названием, функциональными возможностями, структурой, исполнением. Основное различие – количество разрядов обрабатываемой информации.

          К группе 8-битовых процессоров относятся:

31  I 8080 (INTEL) – Integrated Electonus

32  I 8085

33  фирма Zelog (z)

Наибольшее распространение получили:

34  I 80386

35  I 80486

Каждая следующая модификация имеет более расширенную систему команд и архитектурное строение (Например, в I 80486 появился встроенный сопроцессор). Все усовершенствования ставят с целью сделать ПЭВМ многофункциональными.
Характеристика микропроцессора

Каждый МП имеет свое наименование, тактовую частоту, ICOMP – показывает стандарт, разрядность шины данных, адресуемая память, т.е. разрядность шины адреса, наличие сопроцессора, потребляемая энергия, различные примечания.

          Персональным ЭВМ фирмы INTEL аналогов МП (clone) являются фирмы:

1).Cyrix

2).AMD

          Условно МП можно разделить на две части:

1).EU – исполнительный блок

2).BIU – устройство сопряжения СМ

          В исполнительном блоке находятся арифметический блок и регистр общего назначения.

          Во втором составляет адресные регистры.

          Семейство МП фирмы INTEL имеет базовую систему команд, в которую входит:

1.     Команды пересылки данных.

2.     Арифметические данные.

3.     Логические команды.

4.     Команды обработки строковых данных.

5.     Команды передачи управления.

6.     Команды управления.

Работой МП управляет программа, записанная в ОП ЭВМ. Особое место занимает организация прерываний. Программа оболочки прерываний могут находиться в различных частях ОП, и имеет разное управление для разных DOS.
УПРАВЛЕНИЕ ВНЕШНИМИ УСТРОЙСТВАМИ
Принципы управления
          Передача информации с периферийного устройства в ЭВМ называется операция ввода, а передача из ЭВМ – операция вывода.

          При разработке системы ввода/вывода решают проблемы:

1).Обеспечить возможность реализации машин с переменным составом оборудования.

2).Необходимо реализовать одновременную работу процессора над программой и выполнения процедур ввода/вывода.

3).Упростить для пользователя работу с устройствами ввода/вывода.
          Первый шаг в решении этих проблем был сделан при разработки ЭВМ второго поколения, когда впервые была обеспеченность автономной работе внешних устройств (интерфейс).

          Интерфейс – устройство соединения центральных и периферийных устройств (устр. сопряжения).

          Стандартизация интерфейса привела к возможности гибко изменять структуру ЭВМ. Затем появилась концепция виртуальных устройств позволяющая совмещать различных типов ЭВМ ОС. Дальнейшее развитие интерфейсов потребовало созданию новых устройств (сканер) и как следствие возникла необходимость распознавания, идентификации, преобразования из графического вида в символьный. Анализ снимков из космоса потребовал автоматической системы наблюдаемых объектов. Все это привело к тому, что во внешнее устройство встраивали память. В машинах 5-поколения заложено интеллектуализация и общение.

          Все это легло в основу совершенствования систем сопряжения. Для создания такого интерфейса требуется:

1).Специальные управляющие сигналы и их последовательность.

2).Устройство сопряжения

3).Линии связи.

4).Программа, реализующая обмен.

          Интерфейсом называется комплекс линий и шин, сигналов, электрических схем, алгоритмов и программ, предназначенных для осуществления обмена информации.

          В зависимости от типов соединительных устройств различают:

1.     Внутренний интерфейс

2.     Интерфейс ввода/вывода

3.     Интерфейсы межмашинного обмена

4.     Интерфейс человек-машина.

Для каждого интерфейса характерно наличие специального комплекса.
          Внутренний интерфейс делается параллельным или последовательно-параллельным.

          При использовании программно-технических средств интерфейсы ввода/вывода делятся на:

36  физические

37  логические.
          В зависимости от степени участия ЦП в управлении, различают:

1).Режим сканирования (асинхронный)

2).Синхронный режим

3).Прямой доступ к памяти.

          Режим сканирования предусматривает опрос ЦП периферийного устройства. Режим сканирования прост, но имеет недостатки:

38  процессор постоянно занят и не может выполнять другую работу

39  при большом быстродействии периферийных устройств, процессор не успевает обработать информацию.

В синхронном режиме ЦП запрашивает периферийные устройства, но не ждет ответа, а выполняет другую работу.