Функционирование ЭВМ с шинной организацией

Шинная организация ЭВМ является простейшей формой организации ЭВМ. В соответствие с принципами фон-Неймана подобная ЭВМ имеет следующую упрощенную схему.

CPU (central processing unit) – основная функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Это наиболее сложный компонент ЭВМ, как с точки зрения электроники, так и с точки зрения функциональных возможностей. CPU состоит из следующих основных взаимосвязанных элементов: АЛУ (арифметико-логическое устройство), УУ (устройство управления) и регистров.

АЛУ выполняет основную работу по переработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняется арифметические и логические операции. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие ЭВМ автоматически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от получаемых результатов. АЛУ формирует по двум входным переменным одну выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание и т.д.). Выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от УУ. В своем составе АЛУ содержит устройство, которое хранит характеристику результата выполнения операции над данными и называемое флаговым регистром (регистр признаков, регистр состояний). Отдельные разряды этого регистра указывают на равенство результата операции “0”, на знак результата операции и на правильность выполнения операции (наличие переноса за пределы разрядной сетки или переполнение).

Программный анализ флагов позволяет производить операции ветвления программы в зависимости от конкретных значений и данных. Кроме того, в АЛУ имеется набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора. Регистры составляют основу архитектуры процессора. Среди обязательного набора регистров отметим следующие: регистр данных (служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операций), регистр-аккумулятор (служит для временного хранения результата выполнения команды), регистр-указатель стека (используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу LIFO – последний вошел, первый вышел; стек используется для организации подпрограмм), индексные (указательные) и базовые регистры (служат для хранения и вычисления адресов операндов памяти), регистры-счетчики (используются для организации циклических участков в программах), регистры общего назначения (используются для любых целей и их назначение определяет программист при написании программы). Количество регистров и связи между ними оказывают существенное влияние на сложность и стоимость CPU. С другой стороны наличие большого количества регистров с богатым набором возможностей упрощает программирование и повышает гибкость ПО.

УУ – это часть CPU, которая вырабатывает распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд. На этапе цикла выборки команды УУ интерпретирует команду, выбранную из программной памяти. На этапе выполнения команды в соответствие с типом реализуемой операции УУ формирует требуемый набор команд низкого уровня для АЛУ и других устройств. Эти команды задают последовательность простейших низкоуровневых операций таких, как пересылка данных, сдвиг данных, установка и анализ признаков, запоминание результатов и т.д. Такие элементарные низкоуровневые операции называются микрооперациями, а команды, формируемые УУ, называются микрокомандами. Последовательность микрокоманд соответствующих одной команде называется микропрограммой.

В простейшем случае УУ имеет в своем составе 3 устройства: регистр команд, который содержит код команды во время ее выполнения; программный счетчик, в котором содержится адрес очередной, подлежащей выполнению команды; регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти.

Для связи пользователя с ЭВМ предусмотрен пульт управления, который позволяет выполнять действия: сброс ЭВМ с начальное состояние, просмотр регистров или ячеек памяти, запись адреса в программный счетчик, пошаговое выполнение программы при ее отладке.

Память

Это устройство, предназначенное для запоминания, хранения и выборки программ и данных. Память состоит из конечно числа ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер или адрес. Доступ к ячейке осуществляется указанием ее адреса. Память способна выполнять 2 вида операций над данными – чтение с сохранением содержимого и запись нового значения со стиранием предыдущего.

В большинстве современных ЭВМ, минимально адресуемым элементом памяти, является байт (поле из 8 бит). Совокупность битов, которые АЛУ может одновременно поместить в регистр или обработать, обычно называют машинным словом.

ОП

Это функциональный блок, хранящий информацию для УУ (команды) и для АЛУ (данные). Память должна вмещать достаточно большое количество информации, т.е. иметь большую емкость. По величине емкости можно судить об использовании той или иной ОС (Windows 95 – 4-8 Мб, Windows 98 – 32-64 Мб, Windows XP – 64-256 Мб). Память должна обладать достаточным быстродействием, соответствующим быстродействию других устройств ЭВМ.

Чем больше емкость памяти, тем медленней к ней доступ, т.к. время доступа определяется временем, необходимым для выборки из памяти или записи в нее информации, поэтому в ЭВМ существует несколько запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием.

Устройство памяти	f (Мгц)	Объем (Кб, Мб)
Кэш L1	f ядра CPU	8-32Кб
Кэш L2	½:f CPU	64-512 Кб – домашний ПК 1-4 Мб - сервер
Кэш L3	½ - ¼ f CPU	4 - µ Мб
ОЗУ	f системной шины	2 - µ Мб
HDD	от 3-15 с

Дата добавления: 2014-01-06