Информационная модель ЭВМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЗВМ

Обработка чисел, символьной информации, логическая обработка, обработка сигналов -- это все частные случаи общего понятия под названием «обработка информации». Для ЭВМ характерен признак: информация представляется с помощью двоичных целых чисел. Существует три этапа обработки информации:

o хранение двоичной информации;

o передача от одного хранилища к другому;

o преобразование.

ЭВМ можно представить как совокупность узлов, соединенных каналом связи. Узлы соединяют в себе функции хранения и преобразования. По каналам связи передается информация от узла к узлу. Мы будем говорить' о потоках информации в каналах связи. Некоторые узлы могут иметь специальную функцию ввода информации в систему и вывода из нее.

Показанная на рисунке (рис.1) модель не имеет ограничений на связи между отдельными узлами. Реализовать такую систему весьма сложно. Реально существующие системы имеют ряд ограничений на связи и четкое функциональное назначение отдельных узлов. Функции отдельного узла могут зависеть от его состояния. Состояние узла описывается значениями его внутренних полей (регистров), может определяться процессом его функционирования или задаваться извне. Состояние узла будем называть его режимом. Физически режим может определяться значением регистра узла. Тогда установить режим узла означает присвоить регистру определенное значение.

информационный психологический политический конфликт

Рисунок 1. Информационная модель ЭВМ: У--узлы

По каналам связи узлы могут обмениваться либо значащей информацией (сообщениями), либо управляющей. Под сообщениями будем понимать последовательности двоичных цифр, сохраняемые или обрабатываемые узлом. Управляющая информация определяет режимы узлов и каналов связи.

Информационная модель позволяет определить основные характеристики ЭВМ.

1. Узлы хранения имеют:

вместимость -- максимальную, среднюю или минимальную;

скорость выборки;

разрядность выборки.

2. Преобразующие узлы имеют скорость преобразования.

3. Каналы определяются:

скоростью передачи информации (пропускная способность);

разрядностью передачи.

Рисунок 2. Различные схемы организации ЭВМ: ЭВМ с шинной организацией (а); канальная ЭВМ (б); ЭВМ с перекрестной коммутацией (в); конвейерная ЭВМ (г); KM-- коммутирующая матрица.

Из множества возможных соединений отбираются несколько типовых схем, обеспечивающих простоту, возможность реконфигурации (расширения), надежность, стандартизацию и т.д. Можно отметить следующие схемы:

o с шинной организацией;

o специализированные процессоры (каналы);

o схемы с коммутацией;

o архитектуры с распределенными функциями (распределенный интеллект);

o с конвейерной организацией.

Рассмотрим некоторые частные модели ЭВМ, имеющие широкое распространение или представляющие теоретический интерес.

Шинная организация. В этой схеме все устройства симметрично подсоединяются к одному каналу, называемому общей шиной. Симметрия подключения гарантирует свободное подключение новых устройств, т.е. система имеет теоретически неограниченное развитие. Некоторые узлы могут иметь специфические свойства, например процессор, оперативная память, внешние накопители данных. Между ними организуется обмен информации. Так как потоки информации ограничены возможностями одного канала, эта схема имеет принципиальные ограничения скорости работ.

Канальная организация. В этой схеме операции обмена данными с внешними устройствами организуются через специализированный узел -- канал ввода-вывода. Благодаря этому можно организовывать обработку информации параллельно с вводом-выводом.

Организация с перекрестной коммутацией. Идея структурной организации таких ЭВМ заключается в том, что все связи между узлами осуществляются с помощью специального устройства -- коммутирующей матрицы. Коммутирующая матрица может связывать между собой любую пару узлов, причем таких пар может быть сколько угодно -- связи не зависят друг от друга. В такой схеме нет конфликтов из-за связей, есть конфликты только из-за ресурсов. Возможность одновременной связи нескольких пар устройств позволяет достичь очень высокой производительности комплекса.

Архитектура с распределенными функциями являлась основной идеей японского проекта ЭВМ пятого поколения. В настоящее время эта идея осталась не реализованной. Суть идеи заключается в том, что обработка информации распределяется по «интеллектуальным» периферийным устройствам. Переход от ЭВМ четвертого поколения к ЭВМ пятого поколения намечалось осуществить не за счет существенного изменения элементной базы (как было ранее), а за счет резкого качественного изменения сложности и интеллектуальности различных компонент ЭВМ.

Конвейерная организация. Здесь обрабатывающее устройство разделяется на последовательно включенные операционные блоки, каждый из которых специализирован на выполнение строго определенной части операции. При этом работа осуществляется следующим образом:

когда i-й операционный блок выполняет i-ую часть j-й операции, (i-1)-й операционный блок выполняет (i-1)-ую часть (i+1)-й операции, а (i+1)-й операционный блок выполняет (i+1)-ую часть (j-1)-й операции. В результате образуется своего рода конвейер обработки и за счет этого повышается производительность системы.

Рисунок 3. Классическая структура связей

При классической структуре связей (рис.3) все сигналы и коды между устройствами передаются по отдельным линиям связи. Каждое устройство, входящее в систему, передает свои сигналы и коды независимо от других устройств. При этом в системе получается очень много линий связи и разных протоколов обмена информацией.

При шинной структуре связей (рис.4) все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей). Причем передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (так называемая двунаправленная передача). В результате количество линий связи существенно сокращается, а правила обмена (протоколы) упрощаются. Группа линий связи, по которым передаются сигналы или коды как раз и называется шиной (англ. bus). Понятно, что при шинной структуре связей легко осуществляется пересылка всех информационных потоков в нужном направлении, например, их можно пропустить через один процессор, что очень важно для микропроцессорной системы. Однако при шинной структуре связей вся информация передается по линиям связи последовательно во времени, по очереди, что снижает быстродействие системы по сравнению с классической структурой связей.

Рисунок 4. Шинная структура связей

Большое достоинство шинной структуры связей (рис.4) состоит в том, что все устройства, подключенные к шине, должны принимать и передавать информацию по одним и тем же правилам (протоколам обмена информацией по шине). Соответственно, все узлы, отвечающие за обмен с шиной в этих устройствах, должны быть единообразны, унифицированы.

Существенный недостаток шинной структуры связан с тем, что все устройства подключаются к каждой линии связи параллельно. Поэтому любая неисправность любого устройства может вывести из строя всю систему, если она портит линию связи. По этой же причине отладка системы с шинной структурой связей довольно сложна и обычно требует специального оборудования.

В системах с шинной структурой связей применяют все три существующие разновидности выходных каскадов цифровых микросхем:

· стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается 2С, 2S, реже ТТЛ, TTL);

· выход с открытым коллектором (обозначается ОК, OC);

· выход с тремя состояниями или (что то же самое) с возможностью отключения (обозначается 3С, 3S).

Упрощенно эти три типа выходных каскадов могут быть представлены в виде схем на рис. 12.

У выхода 2С два ключа замыкаются по очереди, что соответствует уровням логической единицы (верхний ключ замкнут) и логического нуля (нижний ключ замкнут). У выхода ОК замкнутый ключ формирует уровень логического нуля, разомкнутый -- логической единицы. У выхода 3С ключи могут замыкаться по очереди (как в случае 2С), а могут размыкаться одновременно, образуя третье, высокоимпедансное, состояние. Переход в третье состояние (Z-состояние) управляется сигналом на специальном входе EZ.

Рисунок 5. Три типа выходов цифровых микросхем

Выходные каскады типов 3С и ОК позволяют объединять несколько выходов микросхем для получения мультиплексированных (рис. 5) или двунаправленных (рис. 6) линий.

Рисунок 6. Мультиплексированная линия

Рисунок 7. Двунаправленная линия

При этом в случае выходов 3С необходимо обеспечить, чтобы на линии всегда работал только один активный выход, а все остальные выходы находились бы в это время в третьем состоянии, иначе возможны конфликты. Объединенные выходы ОК могут работать все одновременно, без всяких конфликтов.

Типичная структура микропроцессорной системы приведена на рис. 8. Она включает в себя три основных типа устройств:

· процессор;

· память, включающую оперативную память (ОЗУ, RAM -- Random Access Memory) и постоянную память (ПЗУ, ROM --Read Only Memory), которая служит для хранения данных и программ;

· устройства ввода/вывода (УВВ, I/O -- Input/Output Devices), служащие для связи микропроцессорной системы с внешними устройствами, для приема (ввода, чтения, Read) входных сигналов и выдачи (вывода, записи, Write) выходных сигналов.

Рисунок 8.Структура микропроцессорной системы

Все устройства микропроцессорной системы объединяются общей системной шиной (она же называется еще системной магистралью или каналом). Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня:

· шина адреса (Address Bus);

· шина данных (Data Bus);

· шина управления (Control Bus);

· шина питания (Power Bus).

Шина адреса служит для определения адреса (номера) устройства, с которым процессор обменивается информацией в данный момент. Каждому устройству (кроме процессора), каждой ячейке памяти в микропроцессорной системе присваивается собственный адрес. Когда код какого-то адреса выставляется процессором на шине адреса, устройство, которому этот адрес приписан, понимает, что ему предстоит обмен информацией. Шина адреса может быть однонаправленной или двунаправленной.

Шина данных -- это основная шина, которая используется для передачи информационных кодов между всеми устройствами микропроцессорной системы. Обычно в пересылке информации участвует процессор, который передает код данных в какое-то устройство или в ячейку памяти или же принимает код данных из какого-то устройства или из ячейки памяти. Но возможна также и передача информации между устройствами без участия процессора. Шина данных всегда двунаправленная.

Шина управления в отличие от шины адреса и шины данных состоит из отдельных управляющих сигналов. Каждый из этих сигналов во время обмена информацией имеет свою функцию. Некоторые сигналы служат для стробирования передаваемых или принимаемых данных (то есть определяют моменты времени, когда информационный код выставлен на шину данных). Другие управляющие сигналы могут использоваться для подтверждения приема данных, для сброса всех устройств в исходное состояние, для тактирования всех устройств и т.д. Линии шины управления могут быть однонаправленными или двунаправленными.

Наконец, шина питания предназначена не для пересылки информационных сигналов, а для питания системы. Она состоит из линий питания и общего провода. В микропроцессорной системе может быть один источник питания (чаще +5 В) или несколько источников питания (обычно еще -5 В, +12 В и -12 В). Каждому напряжению питания соответствует своя линия связи. Все устройства подключены к этим линиям параллельно.

Если в микропроцессорную систему надо ввести входной код (или входной сигнал), то процессор по шине адреса обращается к нужному устройству ввода/вывода и принимает по шине данных входную информацию. Если из микропроцессорной системы надо вывести выходной код (или выходной сигнал), то процессор обращается по шине адреса к нужному устройству ввода/вывода и передает ему по шине данных выходную информацию.

Если информация должна пройти сложную многоступенчатую обработку, то процессор может хранить промежуточные результаты в системной оперативной памяти. Для обращения к любой ячейке памяти процессор выставляет ее адрес на шину адреса и передает в нее информационный код по шине данных или же принимает из нее информационный код по шине данных. В памяти (оперативной и постоянной) находятся также и управляющие коды (команды выполняемой процессором программы), которые процессор также читает по шине данных с адресацией по шине адреса. Постоянная память используется в основном для хранения программы начального пуска микропроцессорной системы, которая выполняется каждый раз после включения питания. Информация в нее заносится изготовителем раз и навсегда.

Таким образом, в микропроцессорной системе все информационные коды и коды команд передаются по шинам последовательно, по очереди. Это определяет сравнительно невысокое быстродействие микропроцессорной системы. Оно ограничено обычно даже не быстродействием процессора (которое тоже очень важно) и не скоростью обмена по системной шине (магистрали), а именно последовательным характером передачи информации по системной шине (магистрали).

Важно учитывать, что устройства ввода/вывода чаще всего представляют собой устройства на «жесткой логике». На них может быть возложена часть функций, выполняемых микропроцессорной системой. Поэтому у разработчика всегда имеется возможность перераспределять функции системы между аппаратной и программной реализациями оптимальным образом. Аппаратная реализация ускоряет выполнение функции, но имеет недостаточную гибкость. Программная реализация значительно медленнее, но обеспечивает высокую гибкость. Аппаратная реализация функций увеличивает стоимость системы и ее энергопотребление, программная -- не увеличивает. Чаще всего применяется комбинирование аппаратных и программных функций.

Иногда устройства ввода/вывода имеют в своем составе процессор, то есть представляют собой небольшую специализированную микропроцессорную систему. Это позволяет переложить часть программных функций на устройства ввода/вывода, разгрузив центральный процессор системы.

ОСНОВНЫЕ КОМАНДЫ ЭВМ

Большое изумление у человека, не знакомого с вычислительной техникой вызывает тот факт, что все разнообразие решаемых на ЭВМ задач реализуется с помощью небольшого набора очень простых команд. Система команд у типичной ЭВМ включает в себя всего 60-- 150 базовых команд. Все команды в основном служат для выполнения очень простых действий, таких, как прочитать, запомнить, сложить, сдвинуть, сравнить и т.д. Интеллектуальность ЭВМ достигается за счет того, что ЭВМ способна выполнять программы, состоящие из большого числа таких простых действий с огромной, не достижимой для человека скоростью. В данном разделе кратко рассмотрим набор команд, используемых в типичных ЭВМ, и действия, реализуемые этими командами.

При описании системы команд ЭВМ обычно принято классифицировать команды по функциональному назначению, длине, способу адресации и другим признакам. Классификации команд по различным признакам показаны на рис.9. Рассмотрим основные группы команд, придерживаясь классификации команд на группы по функциональному признаку.

Команды передачи данных. Данная группа команд включает в себя подгруппы команд передачи

кодов между регистрами внутри процессора, из регистров процессора в память, из памяти в регистры процессора, из одних ячеек памяти в другие и передачи данных между процессором и портами внешних устройств. Отдельную подгруппу составляют команды работы со стеком. Они позволяют включать данные в стек для временного хранения и извлекать данные из стека при необходимости их использования. Подробное назначение и принципы использования стеков в ЭВМ рассмотрим ниже при обсуждении работы с подпрограммами и прерываниями.

Рисунок 9. Классификация команд ЭВМ

Команды обработки данных. Данную группу команд с точки зрения выполняемых над данными операций можно подразделить на арифметические (сложить, вычесть, умножить и т.д.), логические (операции И, ИЛИ, НЕ и т.д.) и команды сдвига. Команды этого типа могут иметь один или два операнда. Операнды могут храниться в регистрах центрального процессора, в памяти или в самой команде. Результат операции формируется в регистре-приемнике или в специализированном регистре-аккумуляторе. Команды данной группы формируют признаки результатов, устанавливаемые в регистре флагов процессора: перенос из старшего разряда, переполнение, нулевой результат и др. К арифметическим командам относят также и команды сравнения. Обычно для сравнения двух чисел процессор выполняет операцию вычитания. По результату вычитания устанавливаются флаги во флаговом регистре процессора. Очевидно, что если сравниваемые величины равны, результат вычитания будет нулевым и во флаговом регистре установится флаг нулевого результата. Если первая из сравниваемых величин больше -- результат вычитания будет отрицательным и установится флаг отрицательного результата и т.д. Результат вычитания не сохраняется в памяти, по состоянию флагового регистра можно судить о результатах сравнения двух величин. Многие процессоры имеют команды сравнения операнда с нулем. В некоторых процессорах имеются команды проверки или установки состояния отдельных битов в операнде.

Команды передачи управления. Они имеют важное значение, так как используются для изменения естественного порядка следования команд и организации циклических участков в программах.

Простейшей командой передачи управления является команда безусловного перехода JMP <адрес>, которая загружает адрес перехода, указанный в команде, в программный счетчик. Команды условного перехода проверяют указанное в команде условие и модифицируют программный счетчик, если условие истинно. Обычно команды условного перехода используются после команд, изменяющих состояние флагового регистра (например, команд сравнения). При проверке условия производится сравнение состояния одного или нескольких флагов из флагового регистра с комбинацией, указанной в коде команды условного перехода. Модификация программного счетчика может производиться либо загрузкой в него нового значения, либо сложением его со смещением, указанным в команде. Например, оператор IF IF(A>B) then go to L; некоторого языка высокого уровня может быть реализован, примерно, такой последовательностью команд:

СРАВНИТЬ А и В

ПЕРЕЙТИ ЕСЛИ БОЛЬШЕ К АДРЕСУ L

Первая из команд (сравнение) производит, как отмечалось выше, вычитание значения операнда В из операнда А. Если А>В, то результат будет положителен и соответственно флаг знака во флаговом регистре не установится. Вторая команда (условный переход) анализирует состояние флага знака и, если он не установлен, модифицирует программный счетчик так, чтобы его значение указывало на адрес L.

Команды для работы с подпрограммами. Стеки. В практике программирования широко используется такой прием, как организация подпрограмм. Подпрограмма описывается один раз, а использоваться (вызываться) может из различных мест программы. При этом, после того как подпрограмма закончила свою работу, управление должно быть передано туда, откуда подпрограмма была вызвана на команду, следующую в памяти сразу за командой обращения к подпрограмме. Адрес команды, на которую управление передается после окончания работы подпрограмм, называется адресом возврата. Очевидно, для того, чтобы начать выполнять подпрограмму, в программный счетчик необходимо загрузить адрес первой команды подпрограммы. Для осуществления возврата из подпрограммы необходимо запомнить в каком-то месте адрес возврата. Можно, например, сохранить адрес возврата в одном из регистров процессора. Такой способ сохранения адреса возврата очень прост и легко реализуется. Однако он обладает одним существенным недостатком. Достаточно часто встречаются подпрограммы, которые вызывают другие подпрограммы. Пусть основная программа вызвала подпрограмму А. Она в свою очередь обратилась к подпрограмме В. Если адрес возврата для подпрограммы А хранится в регистре процессора, то куда девать адрес возврата при вызове подпрограммы В?

Для организации подпрограмм большинство ЭВМ используют аппаратно поддерживаемую структуру данных, называемую стеком. Стек -- это структура данных, организованная по принципу: последним вошел -- первым вышел, т.е. последние записанные в стек данные извлекаются из него первыми. В переводе с англ. stack -- стопка. Аналогом стека может служить стопка тарелок. Положить тарелку в стопку можно только сверху, извлечь опять-таки только верхнюю тарелку. В ЭВМ для организации стека выделяется область оперативной памяти, а для ее адресации и доступа к стеку используется упоминавшийся выше регистр -- указатель стека. Указатель стека хранит адрес ячейки памяти, содержащей последнее помещенное в стек значение. При записи числа в стек указатель стека модифицируется так, чтобы он указывал на следующую свободную ячейку, и в нее записываются данные. При извлечении из стека данные считываются из ячейки, на которую указывает указатель стека, затем указатель стека модифицируется так, чтобы указывать на предпоследнее запомненное значение. Обычно стеки растут в сторону уменьшения адресов, т.е. при записи числа указатель стека уменьшается, при извлечении -- увеличивается. Работа стека проиллюстрирована ниже (рис.10):

Рисунок 10. Работа стека: а) начальное состояние; б) в стек записаны два двухбайтовых числа 1234 и 5678; в) из стека извлечено одно двухбайтовое число.

Изначально указатель стека содержал значение 1000. После проталкивания в стек двух величин размером в два байта указатель стека будет содержать значение 996. После выталкивания одного двухбайтового числа указатель стека содержит 998.

При организации работы с подпрограммами для сохранения адреса возврата используется стек. Команды вызова подпрограмм CALL <адреc> работают следующим образом. Когда процессор считывает из памяти команду вызова подпрограммы, программный счетчик увеличивается и показывает на команду, следующую за командой вызова подпрограммы. С этой команды выполнение программы должно продолжиться после окончания работы подпрограммы. Таким образом, программный счетчик после выборки команды вызова подпрограммы содержит адрес возврата. При выполнении обращения к подпрограмме процессор сохраняет содержимое программного счетчика в стеке. Адрес, с которого начинается подпрограмма, вычисляется процессором по адресному полю команды вызова подпрограммы и помещается в программный счетчик. Процессор приступает к выполнению подпрограммы. Если подпрограмма в процессе своей работы вызовет другую подпрограмму, новое значение адреса возврата будет также включено в стек поверх старого адреса возврата.

Для возврата из подпрограммы в основную программу служат команды возврата RETURN. Команды возврата из подпрограммы извлекают из стека верхний элемент и помещают его в программный счетчик. Если имели место несколько вложенных вызовов подпрограмм, то возврат произойдет по адресу возврата, сохраненному после последнего вызова, так как для хранения адресов возврата используется стек и последний сохраненный адрес возврата будет использован первым.

Прочие команды. В ЭВМ могут быть дополнительные (специальные) команды. К их числу можно отнести команды остановки центрального процессора, сброса внешних устройств, установки или сброса отдельных признаков и т.д.

Размещено на Allbest.ru