Лекция 1

Лекция 1. История развития ЦВМ. Основные сведения из теории информации и теории алгоритмов. Принципы построения и классификация ЦВМ.
Краткие исторические сведения. Поколения ЦВМ
Основные сведения из теории информации
Понятие информации
Количество информации. Единицы измерения информации
Основные сведения из теории алгоритмов
Понятие алгоритма
Свойства алгоритмов
Алгоритмические системы: операторные описания и граф-схемы
Принципы построения и классификация ЦВМ
Принцип программного управления процессом вычислений
Операционные ресурсы ЦВМ
Аппаратные средства ЦВМ: память, процессор, периферийные устройства
Иерархия аппаратных средств ЦВМ

1. Краткие исторические сведения. Поколения ЦВМ

Важнейшее мировое явление середины XX столетия, характеризующее качественно новый этап научно-технической революции, состоит в создании цифровых электронных вычислительных машин (ЭВМ). Сам этот факт и последующий быстрый прогресс нового научно-технического направления вычислительной техники (ВТ) обусловлены всем историческим процессом раз-вития познания и производительных сил. Эта объективно-историческая обусловленность выразилась, во-первых, в значительном расширении класса задач вычислительного и логического характера в физике, астрономии, экономике, управлении производством, энергетике, космонавтике, авиации и других отраслях науки и техники, во-вторых, в возрастании сложности, громоздкости и точности самих вычислений при решении указанных задач. В то же время появление цифровых ЭВМ оказало сильное влияние на развитие вычислительной математики, поставив основной ее целью исследова- ние математических аспектов применения и производства ЭВМ.
В современной истории науки и техники развитие ВТ принято разделять на несколько периодов. Первый период соответствует времени от зарождения вычислительной техники до 1946 года. При этом подобно тому, как невозможно указать исторически достоверные сведения об изобретении колеса или рычага, так же невозможно дать конкретную историческую справку о первых технических средствах для механизации счета. По-видимому, древнейшими приспособлениями для цифрового счета являются палочки с зарубками, счетные палочки, абак, счеты в различных их вариантах. В 1642 г. Б. Паскаль сконструировал машину для сложения и вычитания, использо-вавшуюся при выполнении расчетов по сбору налогов во Франции. Известный математик Г. В. Лейбниц в 1694 г. усовершенствовал машину Паскаля. Машина Лейбница выполняла четыре основные арифметические операции, возведение в степень и извлечения корня. В 1820 г. Т. де Кольмар разработал арифмометр, пригодный для практического применения в коммерческих опе-рациях. Широкое распространение получил арифмометр, созданный русским инженером В. Т. Однером в 1874 г. Эта конструкция оказалась столь удачной, что к настоящему времени разработано более 50 типов малых механических и электромеханических вычислительных машин, работающих по принципу машины Однера. В 6090-е годы XIX ст. ряд механических вычислителей разработан академиком П. Л. Чебышевым. В конце XIX ст. появились электромеханические счетно-перфора-ционные и счетно-аналитические машины, в которых были автоматизированы некоторые элементы процесса вычислений. Электромеханические моделирующие устройства для решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений были предложены А. Н. Крыловым и Н. Е. Жуков-ским.
В 1833 г. Ч. Бэббидж пришел к выводу о возможности построения машины, которая могла бы выполнять любые вычисления, заданные оператором, а не только вычисления одного специального вида, как это имело место во всех ранее предложенных проектах. Эта машина была названа Ч. Бэббиджем «аналитической машиной» и состояла из двух частей «мельницы» и «склада», которые являются прототипами процессора и памяти в современных цифровых ЭВМ. «Мельница» предназначалась для выполнения арифметических операций над числами (арифметическое устройство), а «склад» для хранения чисел (запоминающее устройство). По проекту Бэббиджа «склад» должен состоять из 50 000 цифровых колес. Для ввода чисел в машину и управления ходом вычислений предполагалось использовать перфокарты (соединенные в единую ленту), применяв-шиеся в жаккардовых машинах при ткачестве сложных рисунков. При жизни Ч. Бэббиджа машина не была построена. К 1910 г. была построена часть «мельницы» и продемонстрирована в действии при вычислении таблицы чисел, кратных 13 EMBED Equation.3 1415, с точностью до 20 десятичных разрядов. Однако далее работы по созданию «аналитической машины» были приостановлены, так как проект Бэббиджа значительно опережал в то время технические возможности его реализации. Лишь примерно через 100 лет конструкторы вернулись к идеям Бэббиджа.
Успехи радиотехники, телефонной связи и теории релейно-контактных схем, а также опыт эксплуатации электромеханических вычислительных устройств создали необходимые предпосылки для разработки в 40-х годах XX ст. средств вычислительной техники, в которых в качестве основных структурных элементов использовались электромагнитные реле. Первая ЭВМ «МАРК-1» с прог-раммным управлением на электромагнитных реле была построена в 1944 г. Г. Айкеном в США.
Второй период истории вычислительной техники электронный начинается в 1946 г. с создания Дж. Маучли (США) цифровой ЭВМ «ЭНИАК» (электронный числовой интегратор и вычислитель), основным элементом которой стал триггер на электронных лампах, изобретенный в 1922 г. советским ученым М. А. Бонч-Бруевичем.
Первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ (малая электронная счетная машина) построена под руководством академика С. А Лебедева в Институте электротехники АН УССР в 1950 г. Созданные вслед за ней машины БЭСМ (С. А. Лебедев), «Стрела» (Ю. Я. Базилевский), М-2 (И. С. Брук), «Урал» (Б. И. Рамеев), «Киев» (В. М. Глушков) и др. были вы-полнены по классической схеме процессорпамять, а опыт их разработки и эксплуатации послужил в последующие годы основой для организации массового производства различных по назначению и техническим возможностям серий отечественных ЭВМ.
Развитие вычислительной техники неразрывно связано с развитием электронной техники: первые ЭВМ были ламповыми, однако уже через несколько лет достижения полупроводниковой техники позволили заменить ламповые компоненты ЭВМ полупроводниковыми, а затем начать процесс микроминиатюризации схем и элементов ЭВМ, что значительно повышает их быстродействие и надежность, уменьшает габаритные размеры, массу и потребляемую мощность. Эта связь, выра-жающая зависимость основных характеристик ЭВМ от конструктивно-технологических особенностей их реализации, обуславливает периодизацию развития ВТ после начального этапа по поколе-ниям ЭВМ.
К первому поколению (1950–1958 гг.) относят ЭВМ, построенные на электронных лампах с использованием дискретных радиодеталей и методов навесного монтажа. В машинах второго поколения (19591967 гг.) транзисторы полностью заменили электронные лампы. Схемы ЭВМ второго поколения изготовлялись методами печатного монтажа. В ЭВМ третьего поколения (19681978 гг.) большинство транзисторов и дискретных радиодеталей заменено микросхемами малой степени интеграции, а все соединения между ними выполняются методами многослойного печатного монтажа. Производимые в настоящее время средства вычислительной техники относятся к четвертому поколению и характеризуются применением микросхем высокой степени интеграции.
Одновременно с развитием конструктивно-технологических основ ВТ происходил процесс совершенствования структуры ЭВМ. Первые ЭВМ использовались в основном как своеобразные «мощные арифмометры» для решения научно-технических задач со сравнительно небольшим числом входных и выходных данных и большим количеством вычислений. В дальнейшем появились машины, предназначенные для решения планово-экономических задач с большим объемом исход-ных данных и относительно несложными вычислениями; ЭВМ, ориентированные на решение инже-нерных задач, характеризующиеся наличием удобных средств общения человека с машиной; ЭВМ для решения задач контроля и управления производственными процессами; бортовые и аэрокос-мические ЭВМ с минимальными габаритными размерами, массой и потребляемой мощностью и т. п. В 60-е годы XX ст. освоен выпуск машин с переменным составом оборудования, имеющих не-сколько модификаций и отличающихся своими возможностями. Вслед за ними началась разработка средств ВТ, включающих оборудование, из которого можно компоновать различные ЭВМ. Смена поколений ЭВМ происходит через 8–10 лет. Сейчас ведется интенсивная разработка принципов построения и исследование особенностей конструктивно-технологической реализации машин пя-того поколения.
Теоретические основы цифровой вычислительной техники были заложены исследованиями Дж. фон Неймана, К. Шеннона, А. Тьюринга, Э. Поста, Д. Хафмена, В. И. Шестакова, М. А. Гаврилова и др.
Мировую известность получили результаты, полученные научными и производственно-конструкторскими коллективами под руководством В. М. Глушкова, Э. В. Евреинова, А. П. Ершова, A. М. Ларионова, С. А. Лебедева, А. А. Ляпунова, Г. И. Марчука, B. С. Михалевича, Б. Н. Наумова, И. В. Прангишвили, Г. Е. Пухова, М. Р. Шура-Бура и др.
Область применения средств ВТ охватывает в настоящее время практически все отрасли производства, науку, оборону, искусство, спорт и др. Внедрение ЭВМ в некоторые отрасли народного хозяйства явилось действенным средством повышения их эффективности. Для других же отраслей само их существование было бы невозможным без использования ЭВМ. Являясь главной экспериментально-технической базой кибернетики, ВТ на практике реализует прогрессивный принцип математизации и кибернетизации науки и техники. В связи с этим само понятие цифро- вой ВТ эволюционировало от наименования совокупности технических средств, предназначенных для механизации и автоматизации вычислений, до наименования комплексного научно-технического направления, включающего разработку и исследование принципов построения, проектирования, конструирования и производства технических средств и математического обеспечения цифровых ЭВМ.
Современная цифровая ВТ наиболее мощное средство автоматической обработки информации воплощает в себе достижения многих отраслей науки и техники и является результатом роста осознанной общественной необходимости в повышении производительности труда. Цифровыми ЭВМ называются комплексы технических средств, которые в соответствии с некоторой программой реализуют математические операции по обработке информации, представ-ленной в цифровой форме.

Основные сведения из теории информации

2.1. Понятие информации
Понятие информации является одним из наиболее общих понятий науки и обозначает совокупность некоторых сведений, данных, знаний и т. п. В ВТ информация свойство объектов и явлений материального мира порождать многообразие состояний, которые посредством отражения передаются от одного объекта к другому и запечатлеваются в его структуре (возможно, в изменен-ном виде). При этом под информацией понимают не сами объекты и явления, а их существенные и представительные признаки, их отражения в виде чисел, формул, описаний, чертежей, символов, образцов и других абстрактных характеристик. Сама по себе информация может быть отнесена к области абстрактных категорий, подобных математическим формулам.
Передачей информации называется перенос информации на расстояние. Для этого необ-ходимы как минимум два объекта источник информации и приемник информации, соединенные каналом связи. В канале связи информация представляется в материально-энергетической форме посредством множества состояний некоторых материальных объектов, называемых носителями информации или сигналами. Отображение множества состояний источника информации во множестве состояний носителя называется кодированием, а отображение множества состояний носителя информации во множество состояний приемника – декодированием. Способ отображения информации, устанавливающий соответствие между элементами сообщений и сигналами, называет-ся кодом.
Источники информации делятся на непрерывные и дискретные. Непрерывные источники создают сообщения, которые отображаются сигналами, представляющими собой какие-либо физи-ческие величины, изменяющиеся непрерывно и принимающие бесконечное число значений в не-котором диапазоне. Такое представление информации используется в аналоговых вычислительных и моделирующих устройствах. Дискретные источники информации создают сообщения, состоящие из конечного множества элементов, называемых буквами или символами. Буквы отображаются сигналами, принимающими конечное число значений. В современной ВТ понятие буквы включает в себя символы различных систем письменности, цифры, знаки препинания, математические знаки и т. п. Если элементам дискретного сообщения поставлены в соответствие цифры или некоторые их совокупности, то такое представление информации называется цифровым (числовым). Конечный набор букв, используемых для отображения дискретных сообщений, называется алфавитом. Число букв в алфавите определяет его объем или значность алфавита. Любую конечную последова-тельность букв некоторого алфавита принято называть словом (в том числе последовательность, состоящую из цифр). Число букв в слове называется его длиной.


2.2. Количество информации. Единицы измерения информации
Количество информации, передаваемой от источника к приемнику, связано с вероятностью пребывания источника в том или ином состоянии. Если состояние источника известно заранее (до передачи информации), то количество информации, получаемой приемником при передаче, равно нулю. Если же состояние источника не известно заранее, то количество получаемой информации определяется формулой

где N число состояний, в которых может находиться источник;
Pi вероятность появления i-ro состояния (i = 1, 2, . . . , N - 1, N).
При равновероятных состояниях источника (т.е. при Р1 = Р2 == РN =13 EMBED Equation.3 1415)



Основание логарифма k в последней формуле определяет единицу количества инфор-мации. При k = 2 соответствующая единица называется бит (Bit от слов binary digit). Такая единица чаще всего встречается в технике, что обусловлено наиболее частым использованием двузначного алфавита для представления дискретной информации. Один бит равен количеству информации, получаемому от источника с двумя равновероятными состояниями.
Современные ЭВМ могут обрабатывать не только числовую информацию, но и информа-цию, заданную любыми другими символами. Обычно для представления одного символа служит слово длиной в 23 = 8 бит, получившее название байта. Посредством слов такой длины можно закодировать 28 = 256 различных символов, чего вполне достаточно при решении многих задач, связанных с обработкой символьной информации. Количество информации в этом случае удобно из-мерять также в байтах.
Для измерения больших объемов информации в ВТ применяются специальные единицы, ко-торые обозначаются К и М и читаются соответственно «кило» и «мега». При этом 1К = 1024 = 210, 1М = 1 048 576 = 220. Например, 1М байт = 210 К байт = 220 байт = 223 бит, 1М бит = 210 К бит = 220 бит, 1К байт = 210 байт = 213 бит, 1К бит = 210 бит. Иногда в приближенных расчетах полагают, что К 13 EMBED Equation.3 1415 103, М 13 EMBED Equation.3 1415 106.
Единицей измерения скорости передачи информации по каналам связи служит бод, равный 113 EMBED Equation.3 1415.
Кроме перечисленных единиц для измерения количества информации, обрабатываемой и хранимой в ЭВМ, используются также единицы, не имеющие постоянного количественного эквивалента. К таким единицам относятся поле, слово, массив, сегмент и другие. Поле представляет собой группу бит, имеющую определенное значение (например, поле, в котором указывается в кодированном виде операция, выполняемая на ЭВМ).
Совокупность бит, байтов, полей, слов, объединяемых некоторым общим признаком (напри-мер, исходные данные для решения задачи), называется массивом. Сегмент упорядоченная совокупность бит, байтов, полей, слов, массивов, сгруппированных вместе с целью наименования.

3. Основные сведения из теории алгоритмов

3.1. Понятие алгоритма
Обработка информации на ЭВМ состоит в выполнении ряда операций в соответствии с некоторым алгоритмом, что в итоге приводит к получению результата или решения. Понятие алго-ритма не имеет строгого математического определения и его смысл абстрагируется из опыта (так же, как смысл понятий «множество», «число», «соответствие» и др.). Поэтому все известные опре-деления алгоритма являются в той или иной степени неполными. Однако для удобства можно считать, что алгоритм – это способ преобразования информации, задаваемый с помощью конечной системы правил. Такое определение является достаточно общим.
Анализ элементарных операций по обработке информации, встречающихся в реальных алго-ритмах, показывает, что их можно разделить на две группы: арифметические и логические. Арифметические операции выполняют непосредственное преобразование информации, а логические определяют направление процесса обработки информации. В алгоритмах арифметические и логи-ческие операции чередуются в определенной последовательности. Если выполнение алгоритма сводится к арифметическим операциям, то такой алгоритм называется численным.
Два алгоритма считаются равными, если для некоторого преобразования информации они устанавливают одинаковое соответствие между входными и выходными словами и совпадают системы правил, задающие эти алгоритмы. Два алгоритма называются эквивалентными, если они устанавливают одинаковое соответствие между входными и выходными словами, но отличаются способами их задания.

3.2. Свойства алгоритмов
Алгоритмы обладают свойствами определенности, массовости и результативности. Свойство определенности выражает тот факт, что совокупность операций, выполняемых в соответствии с не-которым алгоритмом, не допускает никакого произвола относительно их последовательности и толкования, т. е. является детерминированным процессом. Массовость алгоритма означает возмож-ность решения с его помощью целого класса задач с изменяющимися исходными данными. Результа-тивность алгоритма состоит в том, что искомый результат может быть получен с помощью алгоритма путем выполнения конечного числа операций при всех допустимых значениях исходных данных. Рассмотренные свойства алгоритма являются эмпирическими и их нельзя считать определением понятия алгоритм.
Областью применимости алгоритма называется н
·аибольшая область исходных данных, на которой алгоритм обладает свойством результативности. Если исходные данные не входят в область применимости алгоритма, то он не обеспечивает получения результата за конечное число опера-ций.

3.3. Алгоритмические системы: операторные описания и граф-схемы
Общий стандартный способ задания алгоритмов называется алгоритмической системой. В теории и проектировании технических средств ВТ для этих целей используются две алгоритмические системы: операторные описания (ОО) и граф-схемы алгоритмов (ГСА). В ОО буквами обозначаются отдельные действия алгоритмов по переработке информации операции и проверяемые логические условия. Последовательное выполнение нескольких операций обозначается как их произведение, причем левая операция выполняется раньше правой. В такой линейной записи алгоритма операция отличается от логического условия тем, что после последнего ставится стрелка, направленная вверх и снабженная числовым индексом. Если логическое условие А выполнено (т. е. А = 1), то осуществляется переход к операции или логическому условию, указываемому стрелкой. Если же условие А не выполнено (А = 0), то осуществляется переход к операции или логическому условию, записанному непосредственно за условием А. Например, операторное описание



означает, что после выполнения операций В1, В2 и В3 необходимо проверить логическое условие А1. Если А1 = 0, то далее необходимо переходить к операциям В4, В5 и логическому условию А2. Если же А1 = 1, то следует сразу перейти к проверке А2. В зависимости от значения А2 возможны два варианта продолжения алгоритма: выполнить операцию В6 (при А2 = 0) либо В3 и далее проверить А1 (при А2 = 1).
















Рис. 1
При записи алгоритмов в виде ГСА используются три основных символа, имеющих опре-деленное геометрическое начертание (рис.1) и называемых вершинами ГСА. Начало и конец алго-ритма обозначается вершиной на рис. 1, а. Любой алгоритм, представленный ГСА, начинается и заканчивается этой вершиной. Операторной вершиной (рис. 1, б) ГСА называется условное или содержательное обозначение выполняемой операции.
Содержательное обозначение операции удобно записывать с помощью оператора присваи-вания, обозначаемого как : = . Например, запись X := Х + 1 означает, что к переменной величине X необходимо прибавить 1 (т. е. переменной X «присвоить» новое значение, равное X + 1). Совокупность операторов присваивания, записанных в одной и той же операторной вершине, выполняется одновременно. Условная вершина (рис. 1, в) соответствует проверяемому логическому условию, два возможных исхода которого обозначены 0 (условие не выполнено) и 1 (условие вы-полнено). Внутри условной вершины записывается либо логическое выражение, отражающее смысл проверяемого условия, либо двоичная переменная (например, А), обозначающая результат проверки. Линии на ГСА означают переходы от одной вершины к другой. На рис. 1, г в качестве примера построена граф-схема алгоритма по приведенному выше операторному описанию.

4. Принципы построения и классификация ЦВМ

4.1. Принцип программного управления процессом вычислений
Главным отличительным признаком цифровых ЭВМ является то, что в них автоматизирован процесс вычислений за счет использования принципа программного управления (основные идеи программного управления изложены английским математиком Ч. Бэббиджем в 1833 г.) и принципа хранимой в памяти ЭВМ программы вычислений (сформулирован в 1945 г. американским ученым Дж. фон Нейманом и независимо от него в 1950 г. советским ученым академиком С. А. Лебеде-вым).
Информация, обрабатываемая ЭВМ, обычно представляется в виде совокупности цифр (чисел) в некоторой системе счисления, сами же цифры отображаются сигналами, имеющими конечное число уровней квантования (чаще всего два). Перед началом обработки информации алгоритм обработки должен быть записан как последовательность тех арифметических и логических операций, для выполнения которых в составе ЭВМ имеются соответствующие средства. Такую запись называют программой. Любая программа состоит из отдельных команд, каждая из которых определяет действия ЭВМ по выполнению какой-либо одной операции. Все операции в ЭВМ реализуются с помощью аппаратных (технических) или программных средств. При этом под аппаратными средствами понимают комплекс технических устройств (обычно электронных), внут-ренняя структура которых, а также связи между ними построены таким образом, чтобы обеспечить реализацию заданных операций. Программные средства – это программы выполнения заданных операций как последовательностей некоторых простейших (элементарных) операций, реализуемых, в свою очередь, аппаратными средствами.
Сущность принципа программного управления состоит в том, что процесс обработки ин-формации осуществляется на основе информации, заданной для управления этим процессом. В гипотетической машине Ч. Бэббиджа и в первой реальной цифровой ЭВМ с программным уп-равлением «МАРК-1» программа заносилась на перфоленту. Машина последовательно считывала с перфоленты и расшифровывала информацию об управлении процессом вычислений. Эта же идея, но на качественно другой технической основе реализуется во всех современных программно управляемых ЭВМ.

4.2. Операционные ресурсы ЦВМ
Множество всех аппаратных и программно реализуемых операций в ЭВМ составляет ее операционные ресурсы. ЭВМ, операционные ресурсы которых обеспечивают принципиальную возможность выполнения любого алгоритма обработки информации, называются алгоритмически универсальными. Для алгоритмической универсальности ЭВМ достаточно наличия в ее опе-рационных ресурсах лишь четырех операций: пересылки слова из любой ячейки памяти в любую другую ячейку, прибавления и вычитания единицы к слову, условного перехода по совпадению слов, безусловного останова ЭВМ. Однако лишь в некоторых простейших микропроцессорах набо-ры операций близки к минимальному. В подавляющем большинстве ЭВМ и микропроцессоров операционные ресурсы значительно полнее и состоят из десятков и сотен операций.


4.3. Аппаратные средства ЦВМ: память, процессор, периферийные устройства
Аппаратные средства любой алгоритмически универсальной ЭВМ можно разделить на три основные части: память, процессор и периферийные устройства (рис.2), причем число устройств памяти и процессоров в конкретных ЭВМ может варьировать от единиц до нескольких десятков, а периферийных устройств – до нескольких сотен штук. Память ЭВМ служит для хранения исходных данных, программ обработки информации, промежуточных и окончательных результатов. В современ-ных больших универсальных ЭВМ память представляет собой сложную много-уровневую систему. В этой системе можно выделить уровни сверхоперативной, опе- ративной, буферной и внешней памяти. Каждый последующий уровень отличается от предыдущего важнейшими техническими характеристиками памяти – емкостью и быстродействием. Емкостью памяти называется максимальное количество инфор-мации, которое может быть в ней записано. Быстродействие памяти характеризует- ся длительностью операций чтения и записи – двух основных операций, выполняе- мых в памяти ЭВМ. Для указанной последовательности уровней памяти емкость растет в направлении от сверхоперативной к внешней, а быстродействие уменьша ется в том же направлении. В состав памяти ЭВМ могут входить также и программ- ные средства, обеспечивающие управление перемещением информации по уровням па-мяти, упорядоченное размещение информации, проведение специальных проверочных процедур и т. п. Такая память называется виртуальной или математической памятью. В малых ЭВМ и микроЭВМ структура памяти существенно проще и включает один-два уровня (например, оперативную или оперативную и внешнюю).



Рис. 2
В процессоре ЭВМ сосредоточены все процессы по обработке информации. Процессор состоит из арифметико-логического (операционного) устройства и уст-ройства управления. Арифметико-логическим устройством (АЛУ) называется та часть процессора, которая предназначена для выполнения арифметических и логи-ческих операций над словами, поступающими из памяти ЭВМ. При этом слова (числа), над которыми выполняется некоторая операция в АЛУ, называются операн-дами. Любое АЛУ имеет в своем составе несколько регистров и функциональных (комбинационных) схем. Регистры предназначены для хранения операндов в про- цессе выполнения операций, а с помощью функциональных схем выполняются не- обходимые преобразования операндов при передаче их с одного регистра на дру- гой. Все операции в АЛУ реализуются как пространственно-временные последо-вательности некоторых элементарных операций (микроопераций) над словами, каж- дая из которых является совокупностью операций над буквами, составляющими данные слова. К числу основных элементарных операций, выполняемых в АЛУ, от-носятся:
передача (прием, выдача) операнда (слова) на регистр;
сдвиг (арифметический, циклический, логический, модифицированный) опе-ранда на заданное число разрядов;
прибавление к слову или вычитание из него 1 (в более общем случае – неко-торой константы);
сравнение операндов (по принципу «больше – меньше –равно»);
поразрядные логические операции дизъюнкции, конъюнкции, равнозначности и сложения по модулю, равному значности алфавита;
суммирование двух операндов, представляющих числа в одной и той же сис- теме счисления;
преобразование кодов операндов, включая инверсию, дополнение, дешифра- цию и др.
Перечисленные элементарные операции могут иметь несколько вариантов, например, сравнение может выполняться по принципу «равно – неравно» или как операция выделения большего операнда.
Устройство управления (УУ) в составе процессора предназначено для рас-шифровки команд и формирования последовательностей управляющих сигналов. Эти сигналы включают в работу отдельные узлы процессора, что в итоге приводит к выполнению действий, указываемых командой. Для выполнения одной элементар- ной операции в АЛУ необходимо подать один сигнал от УУ по цепям управления. Известно три основных типа УУ – микропрограммные, аппаратные и смешанные.
В микропрограммных УУ каждому управляющему сигналу соответствует определенное слово (часть слова), хранящееся в специальной памяти и называемое микрокомандой. Последовательности управляющих сигналов для некоторой опера- ции соответствует совокупность микрокоманд, называемая микропрограммой. Управ-ление выполнением операции осуществляется путем чтения из микропрограммной памяти микрокоманд и их преобразования в сигналы по управляющим цепям. Из-менение набора команд, выполняемых процессором, сводится к замене содержимо- го памяти микропрограмм и не требует изменения состава аппаратных средств ЭВМ.
В аппаратных УУ управляющие сигналы формируются специальными аппа-ратными средствами (электронными схемами) и изменение ранее заложенной струк-туры последовательностей этих сигналов без изменений в аппаратных средствах здесь невозможно.
В УУ смешанного типа управление частью операций осуществляется по микропрограммному способу, а другой частью по аппаратному способу.
Различают также централизованные и децентрализованные УУ. В централи-зованных УУ все управляющие сигналы, необходимые для выполнения любой операции, вырабатываются непосредственно в УУ. При децентрализованном управ-лении УУ состоит из центрального УУ (ЦУУ) и устройств местного управления (УМУ).
ЦУУ формирует только основные управляющие сигналы, обычно соответст-вующие виду выполняемой операции (например, «умножение», «сложение» и т. п.). Эти сигналы воздействуют на УМУ, которые и вырабатывают сигналы выполнения отдельных элементарных операций.
Периферийные устройства предназначены для преобразования формы пред-ставления информации при вводе ее в ЭВМ и выводе из ЭВМ. Значение пе-риферийного оборудования в обеспечении эффективного использования ЭВМ очень велико. В этом плане ЭВМ без периферийных устройств (память и процессор) мож- но сравнить с энергонасыщенным трактором в сельском хозяйстве, для которого не изготовлены прицепные или навесные орудия обработки земли. Для создания пе-риферийного оборудования используется очень широкий круг физических эффектов и явлений. Принципы построения н структуры периферийных устройств в значитель- ной степени зависят от конкретных их применений.
ЭВМ, которые не являются алгоритмически универсальными, а также ЭВМ, предназначенные для решения задач одного класса (или даже одной задачи с раз- ными исходными данными), относятся к классу специализированных ЭВМ (проб-лемно-ориентированных или ЭВМ с жесткой программой). Некоторые из основных технических характеристик (производительность, стоимость, надежность и др.) та- ких ЭВМ оптимизированы на конкретные применения. Специализированная ЭВМ (СЭВМ) имеет одну программу или набор переключаемых программ, записанных в память. К классу СЭВМ относятся и неалгоритмические ЭВМ, в которых вычислительный процесс определяется не последовательностью и совокупностью элемен-тарных операций в зависимости от внешней изменяемой программы, а математичес-ким описанием процесса обработки информации, т. е. жесткой программой, поло-женной в основу построения внутренней структуры аппаратных средств и связей между ними.
Два направления развития средств ВТ по пути создания универсальных и специализированных ЭВМ не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Уни-версальные ЭВМ имеют очень широкую область применения и выпускаются круп-ными сериями. Для решения же сравнительно узкого круга задач более эффектив- ны СЭВМ. Класс СЭВМ является областью апробации новых методов автоматиза- ции вычислений, которые затем получают дальнейшее внедрение в универсальных ЭВМ. К числу таких методов, например, относятся многоуровневая обработка ин-формации с распараллеливанием вычислительного процесса на отдельные незави-симые ветви; децентрализация вычислений с помощью многопроцессорных систем и аппаратно реализуемых подпрограмм (предпроцессоров); выполнение сложных математических операций и вычисление сложных функций аппаратным способом за одну команду; использование нетрадиционных систем счисления и способов пред-ставления информации; организация вычислений по принципу цифровой аналогии и др.


Иерархия аппаратных средств ЦВМ
Аппаратные средства как универсальных, так и специализированных ЭВМ характеризуются иерархическим принципом построения, т. е. наличием совокупнос- тей таких единиц (элементов) количества оборудования, которые при объединении их в систему некоторого уровня могут рассматриваться в качестве элементов в системах более высокого уровня и т. д. Это дает возможность использовать иерар-хический принцип описания структуры и функционирования аппаратных средств. По этому принципу каждому уровню систем соответствует такая степень детализа- ции описания, которая обеспечивает точность описания до элементов системы дан- ного уровня.
В ВТ принято считать первым иерархическим уровнем уровень электричес- ких схем, где в качестве элементов рассматриваются электронные компоненты (тран-зисторы, диоды, резисторы и пр.). Средством описания здесь служит аппарат теории электрических и магнитных цепей.
На втором уровне – уровне логических схем – наименьшими единицами обо-рудования считаются логические и запоминающие элементы. Логическими элемен- тами называются простейшие комбинационные схемы, функционирование которых описывается одной переключательной функцией (элементным оператором). Запоминающий элемент – простейшее устройство памяти, обеспечивающее запись, хране- ние и чтение информации, количество которой равно одной букве. Средством опи-сания на этом уровне являются методы теории переключательных функций и структурной теории автоматов, что позволяет детализировать процессы обработки информации до операций над отдельными буквами алфавитов.
Третий уровень – уровень операционных узлов – описывается теми же средствами, что и предыдущий уровень, с детализацией информационных процес- сов до элементарных операций (микроопераций) над отдельными словами. В качест- ве элементов на этом уровне служат операционные узлы – аппаратные средства, выполняющие одну или несколько элементарных операций и построенные из логических и запоминающих элементов.
На четвертом уровне, называемом уровнем структурных схем, элементами считаются операционные блоки, объединяющие несколько операционных узлов и выполняющие определенные законченные действия, указываемые командами программы. Состав и взаимодействие аппаратных средств здесь описываются с детализацией до отдельных операций из набора команд ЭВМ, выполняемых как последовательности элементарных операций. Средством описания чаще всего служат простейшие формальные языки типа операторных описаний (в линейно-строчном или графическом вариантах).
Пятый уровень – программный – предполагает детализацию процессов обработки информации до команд из операционных ресурсов ЭВМ или до отдельных программ. Элементами систем этого уровня являются АЛУ, УУ, устройства памяти, периферийное и коммуникационное оборудование ЭВМ, а в качестве средства описания используются машинно-ориентированные или процедурно-ориентированные языки программирования.
Логические и запоминающие элементы, операционные узлы и блоки являются структурно-функциональными единицами оборудования ЭВМ. В конструктивном же отношении простейшими единицами аппаратных средств являются модули – части электронного оборудования, имеющие законченное оформление и стандартные средства механического и электрического сопряжения с другими подобными единицами. Модульный принцип является в настоящее время основным принципом конструирования ЭВМ и других устройств электронной техники. Модульные конструкции могут быть на всех иерархических уровнях аппаратных средств, например, модуль – процессор, модульное устройство памяти, модуль АЛУ, модуль-регистр, модуль логических элементов (логическая микросхема) и др.


13PAGE 15


13PAGE 14215



13 EMBED Word.Picture.8 1415



Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 61380
    Размер файла: 638 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий