Структура и функции ЭВМ

36

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И АРХИТЕКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ

1.1 Структурная схема ЭВМ

ЭВМ - это комплекс электронного и другого оборудования, предназначенный для автоматического решения задач, представленных программами и данными в цифровой форме.

Под программой понимается алгоритм решения задач на языке машины, представляющий собой последовательность команд. В свою очередь команда - это специальное машинное слово, которое определяет операцию вычислительной машины и данные, над которыми эта операция будет выполняться.

Рассмотрим общую структуру ЭВМ, которая с той или иной степенью конкретизации воплощена в ЭВМ любого типа (рис. 1.1).

36

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]



В типовой состав ЭВМ входят:

арифметическо-логическое устройство (АЛУ);

устройство управления (УУ), вместе с АЛУ составляющие процессор ЭВМ;

внутренняя память (ВнП), включающая:

оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ);

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

внешняя память или внешние запоминающие устройства (ВЗУ), вместе с ВнП составляющие память ЭВМ;

устройство ввода информации (УВВ);

устройство вывода информации (УВыВ);

устройство обмена (УО).

Устройства ЭВМ соединяются между собой каналами связи, по которым передаются потоки информации, подлежащей обработке, и сигналы управления.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) представляет собой функциональную часть процессора и предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными. Основным узлом АЛУ является сумматор, выполняющий операции сложения чисел. Реализация остальных арифметических операций обычно сводится к выполнению сложения и некоторых других вспомогательных операций. Наряду с сумматором в состав АЛУ входят регистры, обеспечивающие временное хранение информации, подлежащей обработке в АЛУ на данном этапе вычислений.

Устройство управления обеспечивает взаимодействие всех составных частей ЭВМ в процессе решения задач в соответствии с заранее составленной программой ее решения, введенной в ОЗУ. Основной задачей УУ является выборка из ОЗУ кодов команд и их преобразование в необходимые последовательности синхронизирующих, разрешающих, стробирующих и других сигналов управления. С помощью этих сигналов и обеспечивается согласованное взаимодействие всех устройств ЭВМ в процессе автоматического выполнения программы, в том числе выборка из памяти необходимых чисел (их называют операндами), их пересылка в АЛУ, выполнение над ними арифметических действий и т.д.

Память ЭВМ служит для хранения исходных данных, программы, промежуточных и окончательных результатов вычислений. Информация, содержащаяся в памяти ЭВМ, по мере необходимости выдается в другие устройства машины. Память ЭВМ обычно состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующей внутренней (ВнП) и сравнительно медленно действующей, но способной хранить большие объемы информации внешней памяти (ВЗУ).

ОЗУ тесно связана с процессором ЭВМ и служит для хранения информации, используемой в ближайшем цикле вычислений. Информация из ОЗУ извлекается определенными порциями, для чего ОЗУ разбивается на отдельные ячейки, каждая из которых служит для хранения одного машинного слова, представляющего закодированные в двоичном коде данные. Все ячейки памяти последовательно пронумерованы. Номера ячеек являются адресами тех данных, которые хранятся в них. Тесное взаимодействие ОЗУ с АЛУ предъявляет повышенные требования к быстродействию ОЗУ, поскольку оно непосредственно влияет на быстродействие ЭВМ в целом. Современные ОЗУ характеризуются достаточно высоким быстродействием, однако гораздо меньшим, чем быстродействие современных процессоров. В этом случае в ЭВМ включают так называемую сверхоперативную память (СОЗУ), выполненную на регистрах, быстродействие которой соизмеримо с быстродействием процессора. ОЗУ и СОЗУ являются энергозависимыми видами памяти, поскольку при выключении питания информация в них уничтожается. Кроме того, в ЭВМ используется постоянная память (ПЗУ) , предназначенная для хранения различных констант и программ, необходимых для начального этапа работы ЭВМ после включения питания. ПЗУ является энергонезависимым видом памяти.

Внешняя память или ВЗУ служит для хранения больших объемов информации, подлежащей обработке на ЭВМ - данные и программы, непосредственно не участвующие в текущем цикле вычислений. В процессе вычислений между ВЗУ и ОЗУ происходит обмен информацией. Обычно такой обмен производится достаточно крупными блоками, это объясняется тем, что в ВЗУ тратится много времени на поиск нужной информации. ВЗУ строятся на магнитных дисках или лентах, а также на оптических дисках.

УВВ предназначены для ввода в ОЗУ программ и исходных данных решаемых задач, их корректировки, а также управления вычислительным процессом ЭВМ, путем ввода управляющей информации. Примерами УВВ являются: клавиатура (пульты управления), различного вида манипуляторы, а также специальные устройства, например датчики информации о состоянии (поведении) интересующего нас объекта, которым мы управляем.

УВыВ служит для автоматического вывода данных на носитель данных. Формой представления выходных данных могут быть: печатный текст и рисунки (графические изображения), визуально наблюдаемые текст и графические изображения. Наиболее типичными устройствами вывода в первом случае являются принтеры - устройства для вывода информации различного рода на бумажный носитель информации, а во втором случае - дисплей, на экране которого отображается как вводимая, так и выводимая из ЭВМ информация.

Рассмотренные выше устройства (процессор, ОЗУ, ПЗУ и т.д.) являлись основными функциональными устройствами ЭВМ первых поколений. Основным недостатком таких ЭВМ было то, что имело место противоречие между высокой скоростью обработки информации процессором и низкой скоростью работы ВЗУ, УВВ, УВыВ. Это приводило к тому, что процессору приходилось на долгое время прерывать обработку программ, так как он должен был управлять операциями ввода-вывода на этих устройствах. Для устранения указанного недостатка в структурную схему ЭВМ было введено УО, назначением которого явилось управление обменом информации между ОП и отмеченными устройствами. По существу УО (каналы ввода-вывода) являются специализированными процессорами, имеющими свое автономное УУ и даже ОЗУ. Процессор в этом случае выдает лишь команду на выполнение операций ввода-вывода, не прерывая вычислительного процесса, а обмен информацией происходит без участия процессора.

Рассмотренная структурная схема цифровой ЭВМ является характерной и для ряда специализированных ЭВМ, используемых в образцах ВВТ ВВС.

Вместе с тем следует отметить, что разработка БИС и СБИС позволила изготавливать микропроцессоры и другие устройства ЭВМ на одном или нескольких кристаллах, что привело к некоторой модификации структуры вычислительной машины (микроЭВМ, ПЭВМ), которая будет рассмотрена в главе 2.

Таким образом, мы рассмотрели и изучили структуру ЭВМ, состав и назначение входящих в нее устройств. Следующая наша задача - изучить каким образом организуется исполнение заложенной в ЭВМ программы, как она функционирует при выполнении команд.

1.2 Функционирование ЭВМ при выполнении команд

1.2.1 Назначение и структура процессора

Важнейшими понятиями, характеризующими работу процессора, являются частота задающего генератора fк и зависящий от нее такт работы процессора Tпр, называемый также машинным тактом. В течение машинного такта выполняется одна или несколько микроопераций процессора. Чем короче машинный такт, тем выше производительность процессора, выражаемая количеством выполняемых команд (операций) в единицу времени. Производительность процессоров современных ЭВМ достигает от нескольких миллионов до нескольких млрд. операц./с, при этом величина машинного такта Tпр = 10 100 нс.

Обычно, говоря о производительности ЭВМ, подразумевают производительность ее процессора.

Следует иметь в виду, что программа, написанная для выполнения процессором ЭВМ определенного типа, будет выполняться только этим процессором или «родственными» ему процессорами из одного семейства или построенными по одним и тем же принципам работы. Вместе с тем у всех процессоров, несмотря на структурные и временные различия, существует много общих признаков и функциональных особенностей.

Процессоры классифицируют по различным признакам.

В зависимости от принципа организации выполнения операций процессоры различают с микропрограммным (гибким) и схемным (жестким) управлением. При микропрограммном управлении в ПЗУ процессора хранятся микропрограммы, состоящие из микрокоманд, каждая из которых обеспечивает выполнение одной или нескольких микроопераций. Каждому типу машинных команд соответствует определенный алгоритм, и поэтому в ПЗУ хранятся микропрограммы, обеспечивающие выполнение всех типов команд, управляющих работой процессора. При схемном управлении все алгоритмы выполнения команд реализованы схемно, т.е. на основе логических схем. В настоящее время подавляющее большинство процессоров управляется микропрограммно, так как в этом случае удобнее вносить изменение в функционирование команд и даже расширять их состав.

По функциональному назначению различают процессоры центральные (процессоры ЭВМ) и периферийные (ввода-вывода, телеобработки, матричные для выполнения специальных функций).

В зависимости от допустимых форм представления чисел процессоры делятся на обрабатывающие числа с фиксированной или плавающей точкой (запятой), а также десятичные числа. Процессор, обрабатывающий все перечисленные формы представления чисел, называется универсальным.

В зависимости от способа выполнения машинных команд процессоры подразделяются на синхронные и асинхронные. В синхронных процессорах любая команда независимо от ее сложности занимает один машинный такт. Это приводит к неэффективному использованию машинного времени, так как величина такта резко возрастает из-за сложности команд и отрицательно сказывается на эффективности выполнения простых команд. В асинхронных процессорах любая команда занимает лишь время, необходимое для нее, после чего процессор сразу же переходит к следующей команде.

По структуре системы команд, выполняемых процессором они делятся на процессоры со сложной системой команд (CISC-процессоры) и процессоры с сокращенной системой команд (RISC-процессоры). В первом случае расширение набора команд, увеличение числа способов адресации, введение сложных команд сопровождаются увеличением длинны кода команды, в первую очередь, кода операции, что может приводить к использованию “расширяющегося кода операции”, увеличению числа форматов команд. Это вызывает усложнение и замедление процесса дешифрации кода операции и других процедур обработки команд.

В связи с этим, в конце 80-х годов сформировалось альтернативное направление построения процессров, которое предполагает реализацию в ЭВМ сокращенного набора простейших, ночасто употребляемых команд, что позволяет упростить аппаратурные средства процессора и благодаря этому получилось возможность повысить его быстродействие.

При использовании RISC-архитектуры выбор набора команд и структуры процессора (микропроцессора) направлены на то, чтобы команды набора выполнялись за один машинный цикл процессора. Выполнение более сложных, но редко встречающихся операции обеспечивают подпрограммы.

Все процессоры характеризуются разрядностью - максимальной длиной (в битах) обрабатываемых чисел. Самые современные микропроцессоры имеют разрядность более 32 бит.

Упрощенная структурная схема процессора представлена на рис. 1.2.

Она включает в себя арифметическо-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), блок управления памятью (УП), блок контроля и диагностики (КД) и блок местной памяти (МП). Рассмотрим основные функции блоков процессора.

36

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рис. 1.2 - Структурная схема процессора

Арифметическо-логическое устройство процессора служит для выполнения арифметических и логических действий над числами и кодами. В универсальных ЭВМ АЛУ процессора непосредственно производит арифметические действия над числами с фиксированной точкой, с плавающей точкой и десятичными числами, а также логические действия над алфавитно-цифровыми кодами. В состав АЛУ обязательно входят сумматор (один или несколько), сдвигатель (один или несколько), регистры для хранения промежуточных результатов, а также другое оборудование.

Характер исполняемой АЛУ операции задается командами программ.

Устройство управления выполняет следующие функции:

производит дешифрацию кодов команд, поступающих из оперативной памяти;

вырабатывает последовательность управляющих сигналов, необходимых для выполнения команд;

управляет последовательностью выборки команд и операндов из оперативной и местной памяти;

управляет запросами на вмешательство в процесс вычислений, поступающими от блоков ЭВМ и из внешней среды.

Блок управления памятью обеспечивает управление передачей информации из оперативной памяти (ОП) в буферную память (БП) и оттуда в УУ, АЛУ и КД, и наоборот (следует отметить, что БП входит в состав УП). УП также управляет передачей информации из ОП в каналы ввода-вывода и обратно, организует работу ОП.

Блок контроля и диагностики служит для фиксации и диагностирования сбоев и отказов оборудования процессора, оперативной памяти и каналов ввода-вывода. Важнейшей функцией блока КД является выполнение записи состояния основных регистров процессора в оперативную память по фиксированным адресам, что позволяет производить восстановление хода вычислений с момента, предшествовавшего возникновению сбоя, или отказа, оборудования. Кроме того, оборудование блока КД позволяет в значительной степени автоматизировать поиск неисправности.

1.2.2 Основные стадии выполнения команды

Прежде чем рассмотреть общие принципы функционирования ЭВМ при выполнении команд введем определения основных необходимых для этого понятий.

ЭВМ оперируют с данными, представленными в цифровой форме в двоичном алфавите. Это связано с тем, что в современных цифровых устройствах используются физические элементы с двумя устойчивыми состояниями, которые обозначаются символами 0 и 1.

В качестве основных структурных единиц информации в современных ЭВМ - приняты следующие (рис. 1.3):

бит или двоичный разряд, является наименьшей единицей данных и может принимать значения 0 или 1;

поле - последовательность битов, имеющая некоторый смысл;

байт - восемь бит, используется как основной структурный элемент информации, адресуемый, передаваемый и обрабатываемый как целое;

машинное слово - последовательность байтов, имеющая определенный смысл.

36

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рис. 1.3 - Основные структурные единицы информации

Алгоритмом решения задачи называется последовательность логических и арифметических операций, которые надо произвести над исходными данными и промежуточными результатами для получения решения задачи. Поэтому алгоритм можно задать указанием, какие следует произвести операции и над какими машинными словами. Описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ, называется программой. Программа состоит из отдельных команд. Команда - это специальное машинное слово, которое определяет операцию ЭВМ и данные над которыми эта операция будет выполняться. Таким образом, процесс обработки данных в ЭВМ заключается в выполнении команд, предписанных программой.

Операция задается условным кодом, называемым кодом операции (КОП), а операнды - данные, над которыми выполняется операция, адресами (А) ячеек ОП, в которых они хранятся. Любая команда состоит, таким образом, из двух основных частей - операционной и адресной. Количество адресов операндов, содержащихся в команде, называется адресностью команды и определяет

адресность ЭВМ. Наибольшее распространение получили одно-, двух- и трехадресные команды.

В трехадресной команде А1 и А2 - адреса ячеек ОП , содержащих исходные операнды, а А3 - адрес ОП, по которому помещается результат. В двухадресной команде А3 отсутствует, поэтому результат операции либо остается в процессоре ЭВМ, либо записывается в ячейку ОП с адресом А1 или А2. В одноадресной команде содержится только адрес одного операнда А1. Операция выполняется над числом, находящимся в определенном регистре процессора (например, это результат предыдущей операции) и числом, считанным из ОП по адресу А1. Результат операции остается в процессоре.

Современные ЭВМ выполняют несколько сотен команд (операций). Перечень всех команд, их кодов и задаваемых операций называется системой команд ЭВМ. В систему команд ЭВМ обычно входят следующие виды команд:

арифметические команды - по ним вычисляются результаты основных арифметических действий над числами;

логические команды осуществляют поразрядные операции булевой алгебры над операндами;

команды передачи управления - производят передачу управления какой-либо команде программы или другой программе;

команды передачи кодов - команды пересылки;

команды ввода-вывода - обеспечивают передачу массивов данных из ВЗУ или устройств ввода-вывода в ОП и наоборот.

Таким образом, программа представляет собой последовательность команд, следующих в соответствии с заданной алгоритмом логикой вычислений и обеспечивающих решение задачи на ЭВМ.

Чтобы УУ могло воспринять команды, они должны быть закодированы в цифровой форме. Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа микропрограммного управления, в соответствии с которым для каждой команды, выбранной процессором для выполнения, в УУ имеется программа ее реализации, называемая микропрограммой. Микропрограмма, в свою очередь, состоит из микрокоманд, описывающих самые элементарные операции, выполняемые элементами, из которых состоит АЛУ и другие устройства ЭВМ. В соответствии с последовательностью микрокоманд УУ вырабатывает электрические управляющие сигналы в определенной последовательности, заставляющие различные элементы АЛУ выполнять элементарные действия.

Другим важным принципом организации работы процессора является принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу команды программы, закодированные в цифровой форме, хранятся в ОП наравне с исходными данными для этой программы. В команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а адреса ячеек ОП, в которых они находятся, куда помещается результат операции.

При выполнении программы процессор выбирает из ОП очередную команду и по КОП определяет предписываемую ею операцию. Если эта операция состоит в выполнении арифметических или логических действий над операндами, то на следующем этапе происходит считывание из ОП операндов и далее производится непосредственно выполнение команды. После этого осуществляется формирование адреса в ОП следующей предписываемой программой команде. Если команда, выбранная процессором относится к командам передачи управления, то процессор считывает очередную команду по адресу, указанному в адресной части команды передачи управления. Если выбрана команда ввода-вывода, то процессор управляет обменом информацией между ОП и ВЗУ или устройствами ввода-вывода.

Поскольку программа хранится в памяти, одни и те же команды могут нужное количество раз извлекаться из памяти и выполняться. Более того, так как команды представляются в памяти в цифровом виде, то над ними как и над числами могут выполняться операции, называемые модификацией команд. Команды выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти, кроме команд передачи управления, изменяющих этот порядок безусловно или только при выполнении некоторого условия. Именно благодаря наличию команд передачи управления ЭВМ может автоматически изменять соответствующим образом ход вычислительного процесса, решать сложные логические задачи.

Интервал времени, в течение которого происходит выборка из ОП команды, операнда и выполнение команды, т.е. полностью выполняется одна команда, называется рабочим циклом ЭВМ. Если предположить, что имеем дело с одноадресной командой, то рабочий цикл состоит из трех тактов: такта выборки команды, такта выборки операнда, такта выполнения операции. Длительность такого рабочего цикла (см. рис. 1.4) определяется следующим соотношением:

ТЦ 2ТО+ТОП,

где ТО и ТОП - время обращения к ОП и время выполнения операции в АЛУ.

Рис. 1.4 - Рабочий цикл



Время ТОП зависит от типа выполняемой операции. Например, время сложения двух операндов в десятки раз меньше времени умножения или деления. Поэтому длительность рабочего цикла является величиной переменной и изменяется в широких пределах. Существует три способа организации рабочегоцикла (см. рис. 1.5): синхронный, асинхронный и смешанный.

Рис. 1.5 - Способы организации рабочего цикла

При синхронном способе ТЦ=const, т.е. на выполнение любой команды отводится строго определенное время. Это время определяется по самой длинной команде. На рисунке 1.6,а показано, что при синхронном способе на выполнение трех команд: сложение, умножение и деление, отводится одинаковое время, несмотря на реальное время их выполнения. Недостатком этого способа является нерациональное использование рабочего времени процессора.

При асинхронном способе формирования рабочего такта длительность рабочего цикла является величиной переменной и начало выполнения следующей операции осуществляется по сигналу окончания предыдущей операции (см. рис. 1.5,б). Достоинством метода является большое быстродействие, недостатком - сложность аппаратно-программной реализации.

При смешанном способе все команды разбиваются на группы с равным или примерно равным временем выполнения. При расшифровке КОП в УУ определяется к какой группе принадлежит выполняемая команда и в зависимости от этого формируется необходимая длительность рабочего цикла. Другой разновидностью смешанного способа является следующий - для команд, требующих малого и среднего времени выполнения устанавливается фиксированная длительность рабочего цикла. Для более длительных команд используется асинхронный метод (см. рис. 1.6,в).

Для повышения быстродействия в современных ЭВМ используется совмещение тактов, предполагающее одновременную работу ОП, УУ, АЛУ и позволяющее сократить время на выполнение одной операции т.е. повысить быстродействие ЭВМ.

1.3 Общая характеристика запоминающих и периферийных устройств ЭВМ

1.3.1 Периферийные устройства

Согласно ГОСТ 13699-80, носитель информации - это физическое тело, используемое при записи для сохранения в нем или на его поверхности сигналов информации.

В процессе записи производится преобразование сигналов информации в пространственное изменение состояния или формы носителя с целью сохранения и последующего считывания записанной информации. Считывание информации - процесс получения записанной информации от носителя в любой сигнальной форме.

В практике получил распространение термин “машинные носители”, т.е. носители, информация с которых может быть воспроизведена с помощью относительно простых технических средств и которые являются унифицированными, легко транспортируемыми и обмениваемыми документами. К таким носителям относятся: магнитные ленты, съемные магнитные и оптические диски.

Видоизменение носителя в процессе записи может сводиться к созданию различных неоднородностей на носителе (магнитной - в носителях с магнитным слоем, злектрической - при записи электростатическим или электрофотографическим способом и т.п.).

По конструктивному исполнению различают носители ленты и диски.

По характеру использования носители делят на однократного и многократного пользования (последние допускают многократную перезапись информации).

Важнейшими характеристиками носителей являются - линейная, поверхностная и объемная плотность записи информации, которая непосредственно влияет на скорость записи и считывания информации, а также на стоимость хранения единицы (например, бита) информации.

В качестве магнитных носителей информации используются магнитные ленты и диски. Информация на этих носителях представляется в виде намагниченных участков магнитного слоя, нанесенного на поверхность носителя. Изменение магнитного состояния слоя производится с помощью магнитных головок. Важнейшие преимущества магнитных носителей - высокая плотность записи информации и возможность многократного использования.

Магнитные ленты, используемые в вычислительной технике, обычно изготовляются на лавсановой основе, которая отличается гибкостью, прочностью, малыми остаточными деформациями, термо- и влагостабильностью. Для создания резервных копий информации, размещенной на жестких дисках компьютера, широко используются стримеры - устройства для записи информации на кассеты (картриджи) с магнитной лентой. Стримеры просты в использовании и обеспечивают самое дешевое хранение данных. Разные стримеры отличаются по емкости (от 20 Мбайт до 40 Гбайт на одной кассете), типу используемых кассет, исполнению (внутреннему или внешнему), интерфейсу, скорости чтения-записи данных (от 100 Кбайт/с до 5 Мбайт/с и более), надежности записи на ленту и т.д.

Магнитные диски представляют собой кольцеобразные носители с магнитным слоем на торцевой поверхности. Различают диски на жесткой и гибкой основе.

Гибкие диски (дискеты) позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, а также хранить информацию, не используемую постоянно на компьютере. Практически все компьютеры (кроме сетевых рабочих станций и компьютеров специального назначения) имеют хотя бы один дисковод для дискет. Однако как носитель информации дискеты используются все меньше, поскольку они недостаточно надежны и имеют малую по современным меркам емкость.

Накопители на жестком диске (винчестеры) предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, редакторов документов, трансляторов с языков программирования и т.д. Из всех устройств хранения данных (если не считать оперативную память) жесткие диски обеспечивают наиболее быстрый доступ к данным, высокие скорости чтения и записи данных. Для пользователя накопители на жестком диске отличаются друг от друга прежде всего следующими характеристиками:

* емкостью, то есть тем, сколько информации помещается на диске;

* быстродействием, то есть временем доступа к информации и скоростью чтения и записи информации;

* интерфейсом, то есть типом контроллера, к которому должен подсоединяться жесткий диск.

Середина 80-х годов ознаменовалась введением в практику оптических запоминающих устройств, носителем информации в которых является оптический диск (ОД). Информация на ОД представляется участками на дорожке - спирали с неоднородной отражающей способностью, что позволяет относительно просто воспроизводить ее с помощью лазерных устройств.

Плотность записи информации на ОД в десять раз превышает плотность записи на МД. Поэтому ЗУ на ОД отличаются большой емкостью и малой стоимостью хранения одного бита. Часто ОД в обиходе называют компакт-дисками или CD-ROM.

С помощью накопителей для CD-ROM компьютеры могут считывать специальные компьютерные компакт-диски, а также (при наличии звуковой карты) проигрывать аудиокомпакт-диски. CD-ROM можно использовать только для чтения содержащейся на них информации. Ранее запись данных на CD-ROM осуществлялась при их изготовлении.

В настоящее время существуют записывающие накопители CD-ROM, с использованием которых пользователь может самостоятельно записывать компакт-диски. Стандартом таких накопителей стали устройства CD-R, а накопители CD-RW позволяют перезаписывать информацию на соответствующих оптических дисках до нескольких тысяч раз.

Компьютерные компакт-диски очень дешевы в производстве и содержат до 700 Мбайт информации, поэтому сейчас большинство программ, в особенности большие программные комплексы распространяются на компакт-дисках. Дисководы для компакт-дисков стали практически обязательным атрибутом современного компьютера.

1.3.2 Устройства ввода и отображения служебной информации

К основным устройствам ввода-вывода информации современных ЭВМ относятся: клавиатура, устройство отображения информации (дисплей), указатели информации ("мышь"), устройства документирования информации (принтеры, плоттеры), устройства свяи с внешними объектами (модемы, факс-модемы) и другие. Рассмотрим назначение и виды данных устройств.

Клавиатура предназначена для ввода в компьютер информации от пользователя.

Каждая клавиша клавиатуры представляет собой крышку для миниатюрного переключателя (механического или мембранного). Содержащийся в клавиатуре небольшой микропроцессор отслеживает состояние этих переключателей, и при нажатии или отпускании каждой клавиши посылает в компьютер соответствующее сообщение (прерывание), а программы компьютера (операционная система) обрабатывают эти сообщения.

Указательные устройства. Для работы со многими современными программами практически обязательным является использование мыши или иного заменяющего ее устройства (трекбола, сенсорной панели и т.д.). Эти устройства называются указательными устройствами, так как они позволяют указывать на те или иные элементы на экране компьютера.

На настольных компьютерах наиболее часто используемым указательным устройством является мышь - манипулятор, представляющий собой небольшую коробочку (обычно серого цвета) с двумя или тремя кнопками, легко умещающуюся в ладони. При перемещении мыши по столу или иной поверхности на экране компьютера соответствующим образом передвигается указатель мыши (обычно - стрелка). Когда необходимо выполнить то или иное действие, например выполнить пункт меню, на который установлен указатель мыши, пользователь нажимает ту или иную кнопку мыши. Некоторые пользователи предпочитают применять не мышь, а трекбол - манипулятор в форме шара на подставке.

Монитор. Монитор (дисплей) компьютера предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Монитор похож на телевизор, поскольку оба они формируют изображение с помощью кинескопа (электроннолучевой трубки), но внутренне они сильно отличаются. Монитор может показывать более четкое и детальное изображение, чем любой телевизор, так как в отличие от него, получает видеосигнал в готовом виде по кабелю от видеоконтроллера.

Мониторы бывают цветные и монохромные, отличаются друг от друга по размеру (обычно диагональ кинескопа - от 14 до 21 дюйма). В зависимости от назначения мониторы оснащаются разными средствами регулировки, цветокорректировки и т.д. Различные мониторы могут поддерживать разные разрешения, то есть количества точек в выводимом изображении по горизонтали и вертикали - от 640х480 точек до 1600х1280 точек на самых больших профессиональных мониторах. Чем выше разрешение, тем более детальным может быть изображение на экране.

Электронные схемы компьютера, обеспечивающие формирование видеосигнала и тем самым определяющие изображение, показываемое монитором, называются видеоконтроллером. Видеоконтроллер обычно выполняется в виде специальной платы, вставляемой в разъем системной шины компьютера. Видеоконтроллер получает от микропроцессора компьютера команды по формированию изображения, конструирует это изображение в своей служебной памяти - видеопамяти, и одновременно преобразует содержимое видеопамяти в сигнал, подаваемый на монитор - видеосигнал.

Принтер (печатающее устройство) предназначен для вывода информации на бумагу. Обычно принтеры могут выводить не только текстовую информацию, но также рисунки и графики. Одни принтеры позволяют печатать только в одном цвете (черном), другие могут выводить также и цветные изображения.

Матричные (или точечно-матричные) принтеры в 80-х и в начале 90-х годов были наиболее распространенными принтерами для ПЭВМ. Сейчас эти принтеры сильно потеснены струйными и лазерными, так как обеспечивают значительно худшее качество печати, сильно шумят при работе и мало пригодны для цветной печати. Однако матричные принтеры применяются до сих пор, так как они недороги, а стоимость отпечатанной страницы у них самая низкая.

Принцип печати матричных принтеров таков: печатающая головка принтера содержит вертикальный ряд тонких металлических стержней (иголок). Головка движется вдоль печатаемой строки, а стержни в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту. Это и обеспечивает формирование на бумаге символов и изображений.

Струйные принтеры сейчас являются одним из наиболее распространенных типов принтеров. В струйных принтерах изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выбрасываемыми на бумагу через сопла в печатающей головке (обычно в печатающей головке содержится от 50 до 200 сопел). Как и в матричных принтерах, печатающая головка струйного принтера движется по горизонтали, а по окончании печати каждой горизонтальной полосы изображения бумага продвигается по вертикали. В отличие от матричных принтеров, струйные принтеры работают с гораздо меньшим шумом, обеспечивают лучшее качество печати и самую дешевую цветную печать приемлемого качества. Однако стоимость отпечатанной страницы на них - выше, чем на матричных принтерах.

Лазерные принтеры обеспечивают наилучшее (близкое к типографскому) качество черно-белой печати, а цветные лазерные принтеры - также и очень высокое качество цветной печати. В этих принтерах для печати используется принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички краски (тонера). Отличие от обычного ксерокопировального аппарата состоит в том, что печатающий барабан электризуется с помощью лазера по командам из компьютера. Лазерные принтеры обеспечивают самую высокую среди всех принтеров скорость печати и не требуют специальной бумаги.

Для получения высококачественных цветных изображений используются специальные виды принтеров. Наилучшие изображения (практически фотографического качества) получаются на так называемых сублимационных принтерах. В них красящие ленты нагреваются до температуры около 400°, при этом краситель испаряется и переносится на специальную бумагу. Однако эти принтеры и расходные материалы для них стоят очень дорого.

Модемы и факс-модемы для всех пользователей, желающих использовать глобальные электронные сети типа INTERNET, работать с электронной почтой, получать извне доступ к локальной сети своей организации, посылать и получать факсы с помощью компьютера и т.д., необходим модем или факс-модем. Модем - это устройство для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть. Факс-модем - устройство, сочетающее возможности модема и средства для обмена факсимильными изображениями с другими факс-модемами и обычными телефаксными аппаратами. Большинство современных модемов являются факс-модемами. Некоторые модемы обладают голосовыми возможностями и могут, например, использоваться в качестве автоответчика.

Модемы бывают внутренними - в виде электронной платы, подключаемой к шине компьютера и внешними - в виде отдельного устройства. Модемы отличаются друг от друга максимальной скоростью передачи данных (2400, 9600, 14400, 19200, 28800, 33600 бит в секунду) и поддерживаемыми протоколами связи.

1.4 Задачи, решаемые с использованием ЭВМ в составе информационных систем военного назначения

К настоящему времени накоплен значительный опыт применения современных ЭВМ в управлении войсками ПВО.

Рассмотрим лишь некоторые направления использования ЭВМ и, в частности - при подготовке боевых действий.

Известно, что подготовка боевых действий начинается с получения и уяснения боевой задачи.

Получение боевой задачи может автоматизироваться с помощью ЭВМ путем приема по телекодовым каналам связи и отображения на терминальных устройствах текстовой и графической части боевого приказа (оперативной директивы). При этом за счет выдачи информации на рабочие места исполнителей может значительно сократиться время, затрачиваемое на получение задачи, по сравнению с неавтоматизированным способом.

Уяснение боевой задачи с использованием ЭВМ осуществляется командиром (командующим) с привлечением начальника штаба и других должностных лиц путем изучения боевого приказа (оперативной директивы), содержание которого может при необходимости отображаться на средствах индивидуального пользования (например, дисплеях), а также на средствах группового пользования (электронных планшетах, экранах, табло, графопостроителях).

В ходе уяснения боевой задачи может возникнуть, необходимость в проведении ряда неотложных мероприятий (например, по передислокации или изменении подчиненности войск). С целью выдачи обоснованных предварительных распоряжений на проведение таких мероприятий офицеры штаба и аппаратов начальников родов войск могут осуществлять решение отдельных информационных и расчетных задач.

Повышение оперативности уяснения боевой задачи за счет использования ЭВМ позволяет сократить сроки подготовки и представления командиру (командующему) данных, необходимых для оценки обстановки.

Оценка обстановки и определение замысла действий осуществляются па основе решения информационных и расчетных задач, а также математического моделирования по запросам, вводимым в ЭВМ командиром (командующим), начальником и офицерами штаба, а также офицерами других отделов (управлений) и служб.

При этом, например, в интересах начальника разведки решаются задачи, связанные с определением возможного построения и наиболее вероятных способов действия средств воздушно-космического нападения противника. В интересах начальников родов войск производится решение задач по определению боевых возможностей подчиненных войск и т.д.

Использование ЭВМ позволяет осуществить более полную и всестороннюю оценку каждого элемента обстановки и всех их в совокупности, так как необходимые для этого данные могут быть оперативно вызваны и в наглядной форме отображены на АРМ офицеров, имеющих допуск к соответствующим сведениям. Возможности быстрого получения результатов, решения сложных расчетных задач и двустороннего моделирования боевых действий позволяют командиру (командующему) и штабу произвести объективную опенку сильных и слабых сторон противника и своих войск и, соответственно этому, выработать замысел боевых действий и возможные варианты их ведения, а в конечном счете прийти к обоснованному решению.

Выработка решения осуществляется на основе всесторонней количественной оценки возможных вариантов ведения боевых действий. Реализуя с помощью ЭВМ комплекс оперативно-тактических расчетов и используя результаты моделирования боевых действий, офицеры групп планирования и отработки документов отбирают наиболее целесообразные варианты ведения боевых действий, о которых начальник штаба докладывает командиру (командующему). При необходимости наиболее важные результаты расчетов и моделирования могут быть выданы на АРМ командира (командующего). Командир анализирует варианты ведения боевых действий, выбирает те из них, которые наилучшим образом соответствуют поставленной задаче, вносит в них своп коррективы и принимает окончательное решение.

Оформление решения обычно осуществляется оперативным отделом на карте с краткой пояснительной запиской. При этом с целью ускорения и повышения качества оформления решения используются такие периферийные устройства ЭВМ, как графопостроители, принтеры и т.п.

С помощью графопостроителя на карту наносятся вероятные направления действий противника с указанием ожидаемого состава сил ВКН на каждом из них, предполагаемые рубежи пуска ракет «воздух - земля», возможные маршруты полета СВН к обороняемым объектам и другие данные, полученные в результате решения задач прогнозирования действий СВКН противника.

Кроме того, с помощью графопостроителя наносятся на карту зоны поражения частей и соединений ЗРВ, рубежи ввода в бой ИА, границы радиолокационного поля, секторы и рубежи электронного подавления и другие данные, рассчитанные с помощью ЭВМ с учетом последних изменений в группировке сил и средств ПВО.

На принтер выдаются фрагменты текстовой части пояснительной записки, а также таблицы, содержащие, например, данные об ориентировочном распределении средств воздушно-космического нападения противника по обороняемым объектам, о распределении сил и средств ПВО по направлениям, полосам и эшелонам оперативного построения войск, о соотношении сил па предполагаемых направлениях ударов воздушного противника и т.п.

Сокращение времени на получение и уяснение задачи, оценку обстановки, определение замысла боевых действий, на принятие и оформление решения, получаемое за счет использования ЭВМ, дает возможность приступить к планированию боевых действий значительно раньше, чем это делалось без применения средств автоматизации.

Планирование боевых действии осуществляется штабом с привлечением офицеров аппаратов начальников родов войск, управлений, отделов и служб.

В интересах обоснования планируемых мероприятий, особенно при разработке планов по всем видам обеспечения, планов взаимодействия и управления, а также при оформлении текстовых и графических частей боевых документов широко используются возможности ЭВМ по решению информационных и расчетных задач, моделированию различных процессов и изготовлению документов.

После принятия решения и разработки плана боевых действий осуществляется постановка боевых задач подчиненным войскам и реализуются мероприятия по организации боевого дежурства, взаимодействия, управления и всех видов обеспечении, совершенствованию группировок войск, оборудованию боевых порядков и территории, созданию резервов и запасов материальных средств, совершенствованию боевой готовности и боевой выучки войск. На этом этапе в ЭВМ по каналам связи от подчиненных войск поступают данные, отражающие результаты проводимых мероприятий. Осуществляемая на их основе коррекция общесистемных и локальных баз данных позволяет поддерживать ЭВМ в состоянии, отражающем реальную обстановку. Офицеры штаба, пользуясь информационно-справочной подсистемой ЭВМ, осуществляют контроль своевременности и полноты выполнения запланированных мероприятий.

При проведении мероприятий по совершенствованию боевой выучки войск ЭВМ может быть использована в качестве средства имитации данных об обстановке для тренировки боевых расчетов автоматизированных командных пунктов.

Автоматический подыгрыш боевой обстановки с помощью ЭВМ, осуществляемый в реальном масштабе времени, позволяет создать на средствах отображения индивидуального и коллективного пользования для должностных лиц органа управления войсками условия, в наибольшей степени соответствующие характеру ожидаемых боевых действий. За счет этого создаются возможности проигрывания предлагаемых острых, кризисных ситуаций, требующих от должностных лиц органов управления проявления творчества, инициативы и решительности.

Это не только полезно в отношении подготовки личного состава к предстоящим боевым действиям, но и целесообразно для проверки осуществимости и действенности мероприятий, предусмотренных при планировании боевых действий.

При необходимости в документы плана могут быть внесены требуемые изменения.

Таким образом, применение ЭВМ при подготовке боевых действий в определенной степени позволяет разрешить проблему - увеличить количество обрабатываемой информации при существенном сокращении времени на ее обработку и доведение до пользователя.

ГЛАВА 2. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В СОСТАВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

2.1 Структура и основные блоки ПЭВМ

2.1.1 Назначение и структура микропроцессора

В структуре современных микропроцессоров можно выделить следующие сравнительно автономные устройства (см. рис. 2.1):

устройство шинного интерфейса или просто шинный интерфейс;

внутренняя кэш-память;

устройство опережающей выборки (предвыборки) команд;

двухступенчатый дешифратор команд;

устройство управления;

целочисленное устройство;

устройство с плавающей точкой;

устройство сегментации;

устройство страничного преобразования адреса.

Шинный интерфейс. Это устройство учитывает приоритеты обращений к шине и координирует передачу данных, осуществляет предвыборку команд и выполняет функции согласования действий между внутренними устройствами процессора и внешней системой. На внутренней стороне это устройство взаимодействует с кэш-памятью и устройством предвыборки команд. На внешней

стороне шинный интерфейс формирует сигналы шины процессора. За исключением сигналов определения цикла все циклы внешней шины (считывание из памяти, предвыборки команд, заполнения строк кэш-памяти и др.) выглядят для внешних схем обычными циклами процессора, причем все циклы имеют одинаковую временную диаграмму.

Для поддержки кэш-памяти шинный интерфейс считывает из оперативной памяти кэшируемые операнды, команды и другие данные на шину процессора и передает их во внутреннюю кэш-память. Когда содержимое кэш-памяти обновляется от внутреннего источника, например из регистра, шинный интерфейс записывает обновленную информацию в оперативную память.

В ходе предвыборки команд шинный интерфейс считывает команды с шины процессора и передает их в устройство предвыборки команд и кэш-память. Устройство предвыборки команд после этого может получать команды непосредственно из кэш-памяти.

Внутренняя кэш-память. КЭШ-память хранит копии последних считанных команд, операндов и других данных. Когда процессор запрашивает информацию, уже находящуюся в кэш-памяти (попадание), цикл шины не нужен. Когда же процессор запрашивает информацию, отсутствующую в кэш-памяти (промах), информация считывается в кэш-память из оперативной памяти. Этот процесс называется заполнением строки кэш-памяти. Если формируется запрос записи в область, находящуюся в кэш-памяти, выполняются два действия: обновляется кэш-память и записываемые данные передаются в основную память.



36

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рис. 2.1 - Упрощенная структура микропроцессора

Эти действия называются сквозной записью. КЭШ-память передает данные в другие устройства по двум 32-битным шинам. Она воспринимает линейные адреса по 32-битнной шине и соответствующие физические адреса по 20-битной шине. КЭШ-память и устройство предвыборки команд тесно связаны. 16-байтные блоки команд из кэш-памяти можно быстро передать в устройство предвыборки. Оба устройства считывают информацию 16-байтными блоками. К кэш-памяти можно обращаться в каждом такте синхронизации.

Устройство предвыборки команд. Предназначено для опережающей выборки (предвыборки) команд. Считывая команды заранее, процессор редко должен ожидать в цикле предвыборки команды на шине процессора.

Циклы предвыборки команд считывают блоки команд, начиная по адресу, численно большему адреса последней выбранной команды. Начальный адрес формирует устройство предвыборки. Блоки предварительной выборки одновременно подаются в устройство предвыборки и кэш-память. В устройстве предвыборки имеется очередь предвыборки, которая хранит несколько команд. Когда каждая команда считывается из очереди, ее код операции подается в устройство дешифрирования команд, а смещение т.е. константа в команде, подается в устройство сегментации, где участвует в вычислении адреса. Устройство предвыборки очищается, когда нарушается естественный порядок выполнения команд, например при переходах, переключениях задач, особых случаях и прерываниях.

Устройство дешифрирования команд. Устройство дешифрования команд получает команды от устройства предвыборки, производит их дешифрацию, обработку и формирует на выходе аппаратные микрокоманды для устройства сегментации, целочисленного устройства и устройства с плавающей точкой. Рассматриваемое устройство очищается при каждой очистке устройства предвыборки команд.

Устройство управления. Устройство управления интерпретирует слово команды и точки входа микрокода, полученные от устройства дешифрирования команд. Оно имеет выходы для управления целочисленным устройством и устройством с плавающей точкой, а также управляет сегментацией, так как команды могут определять выбор конкретного сегмента.

Устройство управления содержит микрокод (управляющие микропрограммы) процессора. Многие команды имеют всего одну строку микрокода, поэтому в среднем они выполняются за один такт синхронизации.

Целочисленное устройство. Целочисленное операционное устройство идентифицирует, где хранятся данные, и выполняет все арифметические и логические команды. Оно имеет восемь программно-доступных регистров общего назначения, несколько специализированных регистров, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и параллельный сдвигатель, обеспечивающий сдвиг в любом направлении и на любое число разрядов. Команды загрузки, сохранения, сложения, вычитания, логических операций и сдвигов выполняются за один такт.

Устройство с плавающей точкой. Устройство с плавающей точкой предназначено для выполнения арифметических и логических операций над числами, представленными в форме с плавающей точкой.

Устройство сегментации. Под сегментом понимается защищенное независимое адресное пространство. Сегментация применяется для изолирования прикладных программ, вызова процедур восстановления и локализации влияния ошибок программирования.

Устройство сегментации преобразует сформированный программой сегментированный адрес, называемый логическим или виртуальным адресом, в несегментированный линейный адрес. Местонахождения и атрибуты сегментов в линейном адресном пространстве хранятся в структурах данных, называемых дескрипторами сегментов. Устройство сегментации производит вычисление адреса, привлекая дескрипторы сегментов и смещения, выделенные из команд. После этого линейные адреса посылаются в устройство страничного преобразования и кэш-память. Параллельно с вычислением линейного адреса производится контроль атрибутов сегмента.

Устройство страничного преобразования. Устройство страничного преобразования обеспечивает доступ к структурам данных, которые больше имеющегося пространства памяти, храня их частично в памяти и частично на диске. При страничном преобразовании линейное адресное пространство разделяется на блоки по 4 Кбайт, называемые страницами, а для отображения линейного адреса в физический применяются структуры данных в памяти, называемые таблицами страниц. Физические адреса используются кэш-памятью и/или выдаются на шину процессора. Устройство страничного преобразования фиксирует такие ситуации, как обращение к странице, отсутствующей в памяти, и формирует особые случаи, называемые страничными нарушениями. При страничном нарушении операционная система должна передать нужную страницу с диска в память. При необходимости она может освободить пространство в памяти, отсылая некоторую другую страницу на диск (такая замена одной страницы на другую называется свопингом). Если страничное преобразование программно запрещено, физический адрес совпадает с линейным адресом.

...