Концепция машины с хранимой в памяти программой

Алгоритм — одно из фундаментальных понятий математики и вычислитель­ной техники. Международная организация стандартов (ISO) формулирует понятие алгоритм как «конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций» (ISO 2382/1-84).

Основными свойствами алгоритма являются: дискретность, определенность, массовость и результативность.

Дискретность выражается в том, что алгоритм описывает действия над диск­ретной информацией (например, числовой или символьной), причем сами эти дей­ствия также дискретны.

Свойство определенности> означает, что в алгоритме указано все, что должно быть сделано, причем ни одно из действий не должно трактоваться двояко.

Массовость алгоритма подразумевает его применимость к множеству значений исходных данных, а не только к каким-то уникальным значениям.

Наконец, результативность алгоритма состоит в возможности получения ре­зультата за конечное число шагов.

Рассмотренные свойства алгоритмов предопределяют возможность их реали­зации на ВМ, при этом процесс, порождаемый алгоритмом, называют вычислитель­ным процессом.

В основе архитектуры современных ВМ лежит представление алгоритма реше­ния задачи в виде программы последовательных вычислений. Согласно стандарту ISO 2382/1-84, программа для ВМ — это «упорядоченная последовательность ко­манд, подлежащая обработке».

ВМ, где определенным образом закодированные команды программы хранят­ся в памяти, известна под названием вычислительной машины с хранимой в памя­ти программой. Идея принадлежит создателям вычислителя ENIАС Эккерту, Моч-ли и фон Нейману.

Сущность фон-неймановской концепции вычислительной машины можно све­сти к четырем принципам:

· двоичного кодирования;

· программного управления;

· однородности памяти;

· адресности.

Классическая схема ЭВМ.

Изложенные принципы программного управления (фон Неймана) реализовывались в аппаратном обеспечении, структура которого постепенно оформилась а приведенную ниже схему, ставшую к настоящему времени классической и включающую:

- блок для выполнения логических и арифметических операций (АЛУ);

- блок для хранения информации (память) или ОЗУ;

- устройства для ввода и вывода данных.

Для обеспечения согласованной работы вышеперечисленных устройств преобразования информации требуется устройство управления (УУ).

Рисунок 1.1.

На этой схеме линиями разной толщины отмечены потоки:

информации

управляющих сигналов

Используемые в изложении аббревиатуры означают следующее:

УУ – устройство управления,

Увв – устройства ввода,

Увыв – устройства вывода

АЛУ – арифметико-логическое устройство,

ЗУ – запоминающее устройство, память ЭВМ,

ПК –персональный компьютер.

Кратко функционирование устройств ЭВМ можно описать так.

УУ инициирует работу Увв, давая ему команду на выполнение ввода в ЗУ, аналогично инициируется работа Увыв.

УУ указывает, из какой ячейки памяти ЗУ необходимо передавать информацию в АЛУ, какую операцию над этой информацией должно выполнять АЛУ, в какую ячейку памяти должен быть занесен результат операции.

Современные ЭВМ имеют отличия, обусловленные развитием ВТ.

Основные отличия:

- ЗУ представляется несколькими уровнями: Внутреннее или оперативное ЗУ (ОЗУ) и внешнее или ВЗУ. Внутреннее ЗУ содержит информацию, обрабатываемую в определенный промежуток времени, включающий и текущий момент. Внешние ЗУ служит хранилищем всей информации для конкретного пользователя. В современной ЭВМ внешние ЗУ насчитывают несколько уровней.

- АЛУ и УУ объединены в одно устройство, называемое центральным процессором (ЦП);

- в современных ЭВМ и ПК имеется довольно большой арсенал Увв и Увыв.

Структурно современные. ЭВМ и ПК состоит из 2-х частей: центральной и периферийной. К центральной части относят процессор и ОЗУ.

ЦП называют устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. В его состав входят АЛУ, УУ, и собственная память процессора. В современных ПК, ЦП реализован в виде большой интегральной схемы и называется микропроцессором.

ЦП взаимодействует с ОЗУ или просто оперативной памятью (ОП). ОП предназначена для приема, хранения и выдачи информации (чисел, символов, команд, констант) – всей информации для выполнения вычислений по программе.

Кроме ОП во всех ПК имеется внутренняя постоянная память для хранения постоянных данных и программ. ОП - дорогая часть аппаратуры. Объем ее ограничен, поэтому большие массивы или таблицы информации хранятся в ВЗУ. К ним относят: накопители на магнитных дисках (НМД), накопители на магнитных лентах (НМЛ), накопители на оптических и магнитооптических дисках.

В современных ПК реализована виртуальная память, которая позволяет пользователю работать с расширенным пространством памяти компьютера. Виртуальная память представляет совокупность ОП и ВЗУ, а также комплекса программно-аппаратных средств, обеспечивающих динамическую переадресацию данных, в результате чего пользователь не заботится о своевременной передаче информации из ВЗУ в ОП. Функции по требуемому перемещению берет на себя вычислительная система.

ВЗУ, Увв и Увыв образуют периферийную часть ПК. Состав устройств может сильно отличаться в разных экземплярах, поэтому говорят о конфигурации ПК.

Производительность и эффективность использования ПК определяется не только процессором и ОП, но в большой степени и техническими данными периферийных устройств, а также способом их совместной работы с центральной частью ПК. Связь между центральной и периферийной частями осуществляется с помощью сопряжений, которые называются интерфейсами.

Интерфейс – совокупность стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информации между устройствами. В основе построения интерфейсов лежит унификация и стандартизация (использование единых способов кодирования данных, форматов данных, использование единых разъемов и т.п.). Наличие интерфейсов позволяет унифицировать передачу данных между устройствами независимо от их особенностей. Особенности учитывают контроллеры – устройства управления периферийных устройств.

В настоящее время в ПК используется структура с одним общим интерфейсом, называемым системной шиной. При такой структуре все устройства ПК обмениваются информацией и управляющими сигналами через системную шину. Физически она представляет собой систему функционально объединенных проводов, по которым передается 3 потока данных:

- непосредственно информация (данные);

- управляющие сигналы;

- адреса.

На рисунке 2.2 приведена схема обмена информацией между устройствами в ЭВМ с общей шиной.

Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи информации называется разрядностью шины.

Поскольку шина является общей, использоваться она может в каждый определенный момент времени только одним каким-либо устройством. Для этих целей предусмотрена система приоритетных прерываний, которая отдает шину для использования устройству с наибольшим приоритетом.

ЦП – процессор, ОП –память, ПП –постоянная память, К – контроллер, ПУ- периф. Устр-во

Рисунок 1.2.

По назначению ЭВМ делятся на универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых разных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и других задач. Их характерными чертами являются:

- высокая производительность;

- разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных – и большие диапазоны их изменения наряду с высокой точностью представления;

- обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических и логических, так и специальных;

- большая емкость оперативной памяти;

- развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения достаточно узкого класса задач, связанных с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой небольшого объема данных; выполнением расчетов по несложным алгоритмам. Они обладают по сравнению с универсальными ЭВМ ограниченными аппаратными и программными ресурсами при сравнительно невысокой стоимости.

Специализированные ЭВМ предназначены для решения определенного узкого класса задач или реализации строго определенной группы функций. Узкая ориентация позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности. К таким ЭВМ относятся программируемые микропроцессоры специального назначения, адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами.

По размерам и вычислительной мощности ЭВМ делят на сверхбольшие (суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ). В таблице 2.2 приводятся основные технические характеристики ЭВМ разных классов.

Таблица 2.2.

Техн. характеристики	СуперЭВМ	Большие ЭВМ	Малые ЭВМ	МикроЭВМ
Производительность, MIPS	1000-1000000	100- 10000	10-1000	10-100
Емкость ОП, Мбайт	2000-100000	512-10000	128-2048	32-512
Емкость ВЗУ, Гбайт	500-50000	100-10000	20-500	10-50
Разрядность шины, бит	64-256	64-128	32-128	32-128

Дата добавления: 2014-01-07