Блок схема вычислительной машины

Функциональные блоки ЭВМ

Историки утверждают, что первым человеком, сформулировавшим идею о машине, которая может производить вычисления автоматически (т.е. без непосредственного участия человека благодаря заложенной программе) был Чарльз Бэббидж 1 . Он не просто провозгласил неочевидную в то время идею автоматической вычислительной машины, но и посвятил всю свою жизнь ее разработке. Одна из его заслуг состояла в том, что он предвосхитил функциональное устройство вычислительных устройств. По замыслу Бэббиджа, его аналитическая машина имела следующие функциональные узлы [1]:

• » склад » для хранения чисел (по современной терминологии память );
• » мельница » ( арифметическое устройство );
• устройство, управляющее последовательностью операций в машине (Бэббидж не дал ему названия, сейчас используется термин устройство управления );
• устройства ввода и вывода данных .

Идеи Бэббиджа на десятилетия опередили появление пригодной для практической реализации вычислительных машин элементной базы – реально работающие конструкции появились лишь в середине XX века. Фундаментальные принципы архитектуры ЭВМ были обобщены и систематическим образом изложены в 1946 в классической статье А. Беркса, Г. Голдстейна и Дж. Неймана » Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства » 2 . В ней, в частности, четко и логично обосновывалась структура ЭВМ.

«Очевидно, что машина должна быть способна запоминать некоторым образом не только цифровую информацию, необходимую для данного вычисления. но также и команды, управляющие программой, которая должна производить вычисления над этими числовыми данными. В специализированной вычислительной машине эти команды являются неотъемлемой частью устройства и составляют часть его конструкции. В универсальной машине должна быть возможность отдать приказ устройству произвести вообще любое вычисление… Следовательно, в машине должен быть некоторый орган, способный хранить эти приказы программы. Кроме того, должно быть устройство, которое может понимать эти команды и управлять их выполнением.»
«Выше мы в принципе указали на два различных вида памяти – память чисел и память приказов. Если, однако, приказы машине свести к числовому коду. то орган памяти можно использовать для хранения как чисел, так и приказов.»
«Если память для приказов является просто органом памяти, то должен существовать еще орган, который может автоматически выполнять приказы, хранящиеся в памяти. Мы будем называть этот орган управлением. »
«Поскольку наше устройство должно быть вычислительной машиной, в нем должен иметься арифметический орган» – «устройство, способное складывать, вычитать, умножать, делить. Мы увидим также, что оно может выполнять и другие операции, которые встречаются довольно часто.»
«Наконец, должен существовать орган ввода и вывода, с помощью которого осуществляется связь между оператором и машиной.»

Приведенная выше цитата из [2] отчетливо показывает, что все функциональные блоки ЭВМ имеют вполне естественное назначение и образуют простую и логически обоснованную структуру. Последняя оказалась настолько удачной, что во многом сохранилась вплоть до наших дней. Для нее даже используется общепринятое название фон-неймановская архитектура .

Примечание . Строго говоря, Джон фон Нейман не является автором всех принципов архитектуры (подробнее см., например, в книге [4]), но, тем не менее, в литературе данный термин широко используется.

Таким образом, любая вычислительная машина содержит в себе следующие функциональные блоки:

• арифметико-логическое устройство АЛУ;
• устройство управления УУ;
• различные виды памяти;
• устройства ввода информации и
• устройства вывода информации.

В связи с огромными успехами в миниатюризации электронных компонентов, в современных компьютерах АЛУ и УУ удалось конструктивно объединить в единый узел – микропроцессор . Вообще термин процессор почти повсеместно, за исключением детальной литературы, вытеснил упоминания о своих составляющих АЛУ и УУ.

Если сам перечень функциональных блоков более чем за полвека практически не изменился, то способы их соединения и взаимодействия претерпели некоторое эволюционное развитие.

Согласно классической фон-неймановской схеме, преобладавшей в 1-2 поколениях, центром архитектуры ЭВМ являлся процессор (см. схему 1).

Схема 1. Функциональное устройство ЭВМ 1-2 поколения
(жирными стрелками показаны управляющие воздействия, а тонкими – направления информационных потоков)

Из приведенной схемы отчетливо видно, что центром такой конструкции является процессор. Во-первых, он управляет всеми устройствами, а во-вторых, через него проходят все информационные потоки. Описанной системе по определению присущ принципиальный недостаток – процессор оказывается чрезмерно перегруженным. Полностью регулируя обмен между всеми устройствами, он часто вынужден пассивно ожидать окончания ввода с медленных (как правило, содержащих механические части) устройств, что существенно снижает эффективность работы всей системы в целом.

Возникшее противоречие между постоянно растущей производительностью процессора и относительно низкой скоростью обмена с внешними устройствами стало отчетливо заметно уже во время расцвета вычислительной техники второго поколения. Поэтому при проектировании следующего, третьего, поколения инженеры начали принимать специальные меры для «разгрузки» процессора и его освобождения от детального руководства вводом/выводом.

На схеме 2, взятой из [5], приведена типичная схема ЕС ЭВМ – большой вычислительной машины коллективного пользования 3 поколения. На ней появляются новые устройства – каналы , которые руководят работой внешних устройств. Для всех медленных устройств (типа перфокарточных или алфавитно-цифрового печатающего устройства АЦПУ) предназначается отдельный мультиплексный канал, а для более быстродействующих устройств на магнитных лентах МЛ и магнитных дисках МД – несколько селекторных . По заданию центрального процессора каждый из каналов способен осуществлять операции обмена информацией, причем уже без дополнительного участия процессора.

Схема 2. Функциональное устройство ЕС ЭВМ, принадлежащей к 3 поколению

Описанным образом центральный процессор освобождается от постоянного руководства работой внешних устройств: он только «выдает задание» необходимому каналу, и последний берет на себя полный контроль за деталями обмена.

Переход к четвертому поколению ЭВМ не только сопровождался многократным повышением плотности монтажа в микросхемах, но и изменением общей стратегии применения вычислительной техники. На смену громоздким ЭВМ коллективного пользования пришли персональные компьютеры, предназначенные прежде всего для индивидуальной работы отдельных пользователей. Архитектура при этом продолжила свое развитие и совершенствование в направлении освобождении процессора от руководства процессами ввода/вывода. В результате современный ПК приобрел структуру, приведенную на схеме 3.

Схема 3. Функциональное устройство ПК 4 поколения

Главной особенностью такой схемы является наличие выделенной шины ( магистрали ) для передачи информации между функциональными узлами компьютера. Она состоит из трех частей:

• шина адреса , определяющая, куда именно направляется информация по шине;
• шина данных , по которой передается информация;
• шина управления , определяющая особенности обмена и синхронизирующая его.

К шине подсоединяются все устройства компьютера, начиная от процессора и кончая устройствами ввода и вывода. Существенной особенностью архитектуры ПК является наличие специализированных процессоров ввода/вывода, которые называются контроллерами . Их роль заключается в поддержке процессов обмена информацией для данного устройства, а также в согласовании со стандартной шиной всевозможных внешних устройств различных производителей.

Примечание . На схеме 3 пунктиром показана видеопамять, которая присоединена к общей магистрали. Подобное архитектурное решение применяется, например, на некоторых интегрированных платах. Однако в большинстве компьютеров видеопамять входит в состав контроллера дисплея (его плату в быту обычно называют видеокартой ). При первоначальном знакомстве данный блок можно не рассматривать.

Благодаря шинной архитектуре в конфигурацию компьютера легко внести любые требуемые конкретному пользователю изменения.

Описанная схема также имеет «узкое место» – она требует высокой пропускной способности шины. Для преодоления указанной трудности в современных конструкциях используется несколько шин, каждая из которых связывает процессор с определенным устройством или группой устройств.

Литература

1. Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. От абака до компьютера. М.: Знание, 1975, 192 с.
2. Беркс А., Голдстейн Г., Нейман Дж. Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства // Кибернетический сборник, вып. 9. М.: Мир, 1964.
3. Еремин Е.А. Развитие принципов фоннеймановской архитектуры (От «Предварительного рассмотрения. » до современных достижений). / Информатика, N 24, 2004, с.1-32.
4. Частиков А.П. Архитекторы компьютерного мира. СПб.: БХВ-Петербург, 2002, 384 с.
5. Кетков Ю.Л., Максимов В.С., Рябов А.Н. Введение в системное программирование на языке ассемблера ЕС ЭВМ. М.: Наука, 1982, 264 с.

1 в литературе встречаются различные варианты русского написания фамилии Babbadge

Блок-схема ЭВМ и ее реализация в ПК

Блок схема любого компьютера состоит из пяти частей (рисунок 1.1):

Рисунок 1.1. Обобщенная блок-схема ЭВМ.

Две части: АЛУ и УУ составляют центральное процессорное устройство (в РС — CPU — микропроцессор).

АЛУ (арифметико=дигическое устройствр) предназначено для выполнения арифметических и логических процедур программы вычислений.

УУ (устройство управления) выполняет функции управления устройством АЛУ, оперативной памятью и синхронизирует работу всех составных частей вычислительной системы (в РС УУ встраивается в CPU). Устройство управления вычислительной системой может быть выполнено на жесткой логике, или использовать микропрограммный способ управления.

Как известно, управление вычислительным устройством осуществляется аппаратно с помощью фиксированных для каждой вычислительной системы специальных сигналов, называемых элементарными операциями .

При выполнении УУ с жесткой логикой , выработка нужных последовательностей элементарных операций производится с помощью дешифратора кода операций и распределителя синхронизирующих импульсов (РСИ). При этом аппаратная реализация такого УУ получается очень сложной и громоздкой. Это связано с тем, что дешифратор кода операций должен иметь столько выходов, сколько разных команд имеется в системе машинных (ассемблерных) команд данной вычислительной системы, и каждый из выходов такого дешифратора должен иметь свой собственный РСИ. Кроме того, такое УУ совершенно негибко в части внесения каких-либо изменений в систему команд (потому-то она и называется жесткой), т. к. в этом случае потребуются аппаратные изменения, как в дешифраторе команд, так и в системе РСИ . Но, тем не менее, реализованное на жесткой логике управление является весьма быстродействующим и находит применение в специализированных вычислительных системах.

Для упрощения аппаратной структуры устройства управления был разработан метод микропрограммного управления . Суть его состоит в том, что для каждой машинной операции разработана своя микропрограмма, состоящая из последовательности отдельных микрокоманд. Каждая из микрокоманд, в свою очередь, содержит либо непосредственно набор элементарных операций (микроопераций), которые необходимы для выполнения данного шага микропрограммы и могут быть выполнены одновременно, либо только коды элементарных операций, которые должны быть одновременно выполнены в данной микрокоманде. В последнем случае, коды элементарных операций тоже расшифровываются, но очень простыми дешифраторами, так что структура микрокоманды упрощается и становится похожей на структуру обычной машинной команды. Обобщенно структуру микрокоманды можно представить так:

КМкОп — код микрооперации (принять, выдать данные, сбросить регистр и т. п.)

Адр — адрес компоненты (регистра, формирователя, сумматора и т. д.), для которой должна быть выполнена данная микрооперация.

Последовательность микрокоманд (с учетом условий их выполнения, переходов в микропрограмме, подобно машинным, ассемблерным командам) и составляет конкретную микропрограмму. Вся система микропрограмм обычно хранится в ПЗУ микропроцессора, но иногда и в ОЗУ микропроцессора. Последнее требует перед началом работы загрузить ОЗУ микропрограмм, но такой прием позволяет, загрузив другую систему микропрограмм, работать в другой ассемблерной системе команд.

Каждая из микропрограмм вызывается на исполнение по коду операции исполняемой ассемблерной команды, так что последовательность выполняемых микропрограмм однозначно определяется последовательностью ассемблерных команд выполняемой в данный момент программы.

Увв (устройство ввода) и Увыв (устройство вывода) в ПК составляют подсистему ввода-вывода. Увв — для ввода исполняемых программ, оперативных настроек операционной системы, прикладных программ, исходных данных для вычислений и команд оперативного управления вычислительным процессом. Увыв — для вывода оперативной информации, результатов вычислений (на дисплей, печатающие устройства, удаленные терминалы, абонентам сетей и т . д.), различных программных файлов, данных для резервного хранения и т. п.

ЗУ (запоминающее устройство) включает в себя ОЗУ и ПЗУ (RAM и ROM BIOS). ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) предназначается для хранения рабочей программы в процессе вычислений, а также для оперативного хранения исходных данных, промежуточных и конечных результатов вычислений до завершения выполняемой программы. Если в качестве автоматического вычислительного устройства иметь в виду конкретно компьютер , то в ОЗУ компьютера хранятся, при его работе, еще и операционная система, программы-драйверы управления периферийными устройствами и ряд других служебных программ и оперативных настроек системы. В ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) ROM BIOS персонального компьютера хранятся, в основном, служебные программы-драйверы, необходимые, по крайней мере, для загрузки операционной системы. ПЗУ нужно потому, что ОЗУ, выполняемое обычно на динамических полупроводниковых элементах памяти, при выключении питании компьютера теряет всю информацию.

Система ввода-вывода в компьютерах, в свою очередь, распадается на подсистемы: консоли (KBD и видеоподсистема), дисковую подсистему, коммуникационные COM- и LPT-порты и т. д.

Несколько слов о консоли. Видеомонитор и клавиатура по традиции, берущей начало от системы IBM-360 и ЕС ЭВМ, принято называть консолью ЭВМ или ПЭВМ. Это уже давно устоявшееся название используется и сейчас. Так, в ROM BIOS PCDOS есть драйвер CON (Console) — системный драйвер клавиатуры и дисплея.

Конструктивно подсистемы видео, дисковая, коммуникации, периферийных устройств и клавиатура, в большинстве случаев, располагаются не на системной плате и соединяются с ней посредством системной шины через разъемы — слоты расширения. Именно это и позволяет аппаратно реконфигурировать систему, подключая, при необходимости, к слотам расширения системной шины разные виды контроллеров, адаптеров, а к ним — и нужные устройства ввода-вывода. Впрочем, отдельные типы РС, такие как LapTop, Note-Book имеют встроенные видеосистему, клавиатуру, дисковую систему, а некоторые из моделей и DeskTop, выполняющиеся по принципу BabyBoard, имеют непосредственно на системной плате многие из контроллеров ВУ и ПУ и даже НЖМД. Это ухудшает способность РС к реконфигурированию, но снижает себестоимость и, соответственно, цену РС.

1. Каково назначение АЛУ?

2. Каково назначение блока УУ?

3. Где должна находиться программа для автоматического выполнения вычислений?

4. Для чего предназначены блоки Увв и Увыв?

5. Как может быть реализован блок УУ?

6. Какие пять основных частей составляют компьютер?

7. Какие основные функции возложены на CPU?

8. Какое конструктивное решение позволяет легко реконфигурировать РС?

9. Что понимается под аппаратной конфигурацией и реконфигурацией компьютера?

10. Какие устройства входят в понятие консоли ЭВМ и ПЭВМ?

1. Электромагнитная волна (в религиозной терминологии релятивизма — «свет») имеет строго постоянную скорость 300 тыс.км/с, абсурдно не отсчитываемую ни от чего. Реально ЭМ-волны имеют разную скорость в веществе (например,

200 тыс км/с в стекле и

3 млн. км/с в поверхностных слоях металлов, разную скорость в эфире (см. статью «Температура эфира и красные смещения»), разную скорость для разных частот (см. статью «О скорости ЭМ-волн»)

2. В релятивизме «свет» есть мифическое явление само по себе, а не физическая волна, являющаяся волнением определенной физической среды. Релятивистский «свет» — это волнение ничего в ничем. У него нет среды-носителя колебаний.

3. В релятивизме возможны манипуляции со временем (замедление), поэтому там нарушаются основополагающие для любой науки принцип причинности и принцип строгой логичности. В релятивизме при скорости света время останавливается (поэтому в нем абсурдно говорить о частоте фотона). В релятивизме возможны такие насилия над разумом, как утверждение о взаимном превышении возраста близнецов, движущихся с субсветовой скоростью, и прочие издевательства над логикой, присущие любой религии.

4. В гравитационном релятивизме (ОТО) вопреки наблюдаемым фактам утверждается об угловом отклонении ЭМ-волн в пустом пространстве под действием гравитации. Однако астрономам известно, что свет от затменных двойных звезд не подвержен такому отклонению, а те «подтверждающие теорию Эйнштейна факты», которые якобы наблюдались А. Эддингтоном в 1919 году в отношении Солнца, являются фальсификацией. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.