Организация функционирования ЭВМ с могестральной структурой

    ЭВМ – это совокупность устройств выполненных на больших интегральных схемах имеющих функционированное назначение.

    Комплект интегральных схем называют микропроцессорным комплектом.

    В состав микропроцессорного комплекта входят:

- системный таймер

- микропроцессор

- сопроцессоры (организация математических процессов)

- контроллер прерываний

- контроллер прямого доступа к памяти

- контроллеры устройств ввода/вывода.

Все устройства ЭВМ делятся на:

1).Центральные (полностью электронные БИС).

2).Периферийные (частично-электронные, частично-электромеханические с электронным управлением).

    В центральных устройствах основным устройством является системная шина (системная магистраль).

    Системная магистраль состоит из трех узлов:

1).Шина данных (ШД)

Автор Паша_Ш

2).Шина адреса (ША)

3).Шина управления (ШУ).

    В состав системной магистрали входят также: регистры защелки, шинные арбитры.

    Интерфейс системной шины – это логика работы системной магистрали, количество линий (разрядов) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций.

    В состав центральных устройств ЭВМ входят:

- центральный процессор

- основная память

- ряд дополнительных узлов выполняющих служебные функции

- контроллер прерываний

- контроллер прямого доступа к памяти

- таймер.

Периферийные устройства делятся на:

- внешнее запоминающее устройство (НЖМД – носитель жесткий магнитный диск, НГМД – носитель гибкий магнитный диск)

- УВв

-???

-?????

-???

 

 

Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя

    Один из «прозрачных» процессов машины – это организация ввода, преобразование и отображение результатов работы системного программного обеспечения. Программа задания, написанная программистом на алгоритмическом языке называется исходным модулем.

    Перевод исходной программы на машинный язык осуществляет программа translator. Он делится на: компилятор и интерпретатор.

    Интерпретатор – после перевода на язык машины каждого оператора исходного модуля немедленно его исполняет.

    Компилятор – сначала полностью переводит всю программу исходного модуля на машинный язык, затем его исполняет.

    Объектный модуль – машинный язык.

    Полученный объектный модуль записывается в библиотеку объектных модулей или сразу исполняется.

    Для исполнения отлаженного объектного модуля к нему могут быть добавлены недостающие программы из библиотеки компиляторов. Такую связь выполняет программа редактор связи. В результате образуется загрузочный модуль.

Автор Паша_Ш

    Исполнение загрузочного модуля осуществляется программой – загрузчиком.

    Операционная система (ОС) – выполняет функцию управления.

 

 

СТРУКТУРА АДРЕСНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРОГРАММЫ НА ОСНОВНУЮ ПАМЯТЬ

 

    Для выполнении программы при ее загрузки в оперативную память (ОП) ей выделяется часть машинных ресурсов. Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом, но может производиться и ОС. Выделение ресурсов перед выполнением программы называется статическим перемещением, в результате, которого программа привязывается к определенному месту памяти.

    Если ресурсы машины выделяются в процессе выполнения программы, то это называется динамическим перемещением, здесь программа не привязана к определенному месту.

    При статическом перемещении возможны два случая:

1).Реальная память больше требуемого адресного пространства программы. В этом случае загрузка программы в реальную память производится, начиная с нулевого адреса. Эта загружаемая программа называется абсолютной программой.

2).Реальная память меньше требуемого адресного пространства. В этом случае возникает проблема организации выполнения программ.

    Существует несколько методов решения этой проблемы:

- метод оверлейной структуры, в котором программа разбивается на части вызываемые ОП по мере необходимости.

- Метод рентабельных модулей, в котором программа разбивается на временные модули доступными к исполнению по нескольким обращениям.

В мультипрограммном режиме имеются программы. А, В, С. При работе в мультипрограммном режиме может сложиться в ситуации, когда между программами остаются промежутки свободной памяти. Для того чтобы этого не было, применяют программу дефрагментации диска.

 

 

Виртуальная память

Реальную память можно «увеличить» имитируя работу с максимальной памятью. Программист предполагает, что ему предоставлена «реальная» память максимально доступная для ЭВМ. Такой режим называют режим виртуальной памяти.

Автор Паша_Ш

    Виртуальной памятью называется теоретически доступная ОП объем, которой определяется только адресной частью команды.

    Виртуальная память имеет сигментоно-страничную организацию и реализована в иерархической системе ЭВМ. Часть ее размещается в блоках основной памяти, а часть в ячейках внешней памяти. Записываемая область во внешней страничке памяти называется ячейкой или слотом. Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной памяти.

    Загрузить программу в виртуальную память – это, значит, перезаписать несколько страниц из внешней страничной памяти в основную.

 

 

Система прерываний ЭВМ

 

    ЭВМ – это комплекс автономных устройств каждое, из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимого от других устройств.

    Включает в работу центральный процессор (ЦП), передавая устройству команды и необходимые параметры. Таким образом, ЦП переключает свое «внимание» поочередно с устройства на устройство. Для того чтобы ЦП работал, создана система прерываний.

    Принцип действия системы прерываний заключается в том, что при выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяется содержание регистра.

    Прерывания делят на три типа:

- аппаратурные

- логические

- программные

 

 

ЦЕНТРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ

 

Основная память и состав устройства

 

    Запоминающими устройствами (ЗУ) называются комплекс программных средств, реализующих функции памяти.

    ЗУ делят на:

1).Основную память (ОП)

2).Сверх оперативная память (СОЗУ)

3).Внешняя память (ВЗУ)

    ОП включает в себя два типа устройств:

- ОЗУ (RAM – random aces memory)

- ПЗУ (ROM – read only memory)

ОЗУ – предназначено для хранения переменной информации.

Автор Паша_Ш

ПЗУ – содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислений.

    Функциональные возможности ОЗУ шире ПЗУ, но ПЗУ – энергонезависимо и имеет большее быстродействие.

    В современных ЭВМ микросхемы памяти изготовляют из кремния по полупроводниковой технологии, с высокой интеграцией элементов на кристалле.

    Основной составной частью микропроцессора является массив элементов памяти объединенных в матрицу накопителя. Каждый элемент памяти может хранить 1 бит памяти. Каждый бит имеет свой адрес в ЗУ, позволяющий обращаться по адресу к любому элементу памяти – называется ЗУ с произвольным доступом.

            2 байта - полуслово

 

                      4 байта – слово

 

                                        8 байт – двойное слово

                                             переменной длины

 

 

    При матричной ориентации памяти реализуется координатный принцип адресации элементов памяти, когда адрес делится на X и Y. На пересечении этих элементов находятся элементы памяти, которые должны быть прочитаны.

Микросхемы памяти могут строиться на SRAM (статических) и DRAM (динамических).

    В качестве статического элемента памяти (ЭП) обычно выступает статический триггер, а в качестве динамического ЭП используется электрический конденсатор внутри кремневого кристалла.

    ОЗУ характеризуется объемом и быстродействием. ОЗУ в современных ЭВМ имеет модульную структуру. Сменные модули имеют различное конструктивное строение: SIM, ZIM, SIMM, DIMM. Увеличение объема ОЗУ связано с установкой дополнительных модулей, которые выпускаются в 30-контактном (30 pin) или 72-конктактном (72 pin) на 1,4,8,16,32,64 Мбайта. Время доступа к DRAM составляет 60-70 н.сек.

    На производительность ЭВМ влияет тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали (СМ). Если тактовая частота не достаточно высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения и наоборот.

    Харак4теристикой производительности ОЗУ является пропускная способность, измеряемая в Мбайт/сек.

Автор Паша_Ш

    Микросхемы ПЗУ построены по принципу матричной структуры, но функции элементов памяти выполняют перемычки в виде полупроводниковых диодов. Процесс занесения информации в микросхемы ПЗУ называют программированием, а устройство – программатор.

    СОЗУ пользуются для хранения не больших объемов информации, в результате скорость считывания уменьшается в 10-20 раз. СОЗУ строят на регистрах, они бывают адресные и без адресные. Регисторные структуры делятся на память магазинного типа и память с выборкой по содержанию.

 

 

 

Структурная схема ОЗУ

 

 

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР ЭВМ

 

Структура базового микропроцессора

 

    Микропроцессор (МП) составляет основу центрального процессора ПВМ. Это обрабатываемое устройство служит для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к основной памяти, внешним устройствам и для управления хода вычислительных процессов.

Автор Паша_Ш

    Существует большое число МП различающихся: названием, функциональными возможностями, структурой, исполнением. Основное различие – количество разрядов обрабатываемой информации.

    К группе 8-битовых процессоров относятся:

- I 8080 (INTEL) – Integrated Electonus

- I 8085

- фирма Zelog (z)

Наибольшее распространение получили:

- I 80386

- I 80486

Каждая следующая модификация имеет более расширенную систему команд и архитектурное строение (Например, в I 80486 появился встроенный сопроцессор). Все усовершенствования ставят с целью сделать ПЭВМ многофункциональными.

 

Характеристика микропроцессора

Каждый МП имеет свое наименование, тактовую частоту, ICOMP – показывает стандарт, разрядность шины данных, адресуемая память, т.е. разрядность шины адреса, наличие сопроцессора, потребляемая энергия, различные примечания.

    Персональным ЭВМ фирмы INTEL аналогов МП (clone) являются фирмы:

1).Cyrix

2).AMD

    Условно МП можно разделить на две части:

1).EU – исполнительный блок

2).BIU – устройство сопряжения СМ

    В исполнительном блоке находятся арифметический блок и регистр общего назначения.

    Во втором составляет адресные регистры.

    Семейство МП фирмы INTEL имеет базовую систему команд, в которую входит:

1. Команды пересылки данных.

2. Арифметические данные.

3. Логические команды.

4. Команды обработки строковых данных.

5. Команды передачи управления.

6. Команды управления.

Работой МП управляет программа, записанная в ОП ЭВМ. Особое место занимает организация прерываний. Программа оболочки прерываний могут находиться в различных частях ОП, и имеет разное управление для разных DOS.

 

 

Автор Паша_Ш

УПРАВЛЕНИЕ ВНЕШНИМИ УСТРОЙСТВАМИ

 

Принципы управления

 

    Передача информации с периферийного устройства в ЭВМ называется операция ввода, а передача из ЭВМ – операция вывода.

    При разработке системы ввода/вывода решают проблемы:

1).Обеспечить возможность реализации машин с переменным составом оборудования.

2).Необходимо реализовать одновременную работу процессора над программой и выполнения процедур ввода/вывода.

3).Упростить для пользователя работу с устройствами ввода/вывода.

 

    Первый шаг в решении этих проблем был сделан при разработки ЭВМ второго поколения, когда впервые была обеспеченность автономной работе внешних устройств (интерфейс).

    Интерфейс – устройство соединения центральных и периферийных устройств (устр. сопряжения).

    Стандартизация интерфейса привела к возможности гибко изменять структуру ЭВМ. Затем появилась концепция виртуальных устройств позволяющая совмещать различных типов ЭВМ ОС. Дальнейшее развитие интерфейсов потребовало созданию новых устройств (сканер) и как следствие возникла необходимость распознавания, идентификации, преобразования из графического вида в символьный. Анализ снимков из космоса потребовал автоматической системы наблюдаемых объектов. Все это привело к тому, что во внешнее устройство встраивали память. В машинах 5-поколения заложено интеллектуализация и общение.

    Все это легло в основу совершенствования систем сопряжения. Для создания такого интерфейса требуется:

1).Специальные управляющие сигналы и их последовательность.

2).Устройство сопряжения

3).Линии связи.

4).Программа, реализующая обмен.

    Интерфейсом называется комплекс линий и шин, сигналов, электрических схем, алгоритмов и программ, предназначенных для осуществления обмена информации.

    В зависимости от типов соединительных устройств различают:

1. Внутренний интерфейс

2. Интерфейс ввода/вывода

3. Интерфейсы межмашинного обмена

4. Интерфейс человек-машина.

Для каждого интерфейса характерно наличие специального комплекса.

 

 

 

    Внутренний интерфейс делается параллельным или последовательно-параллельным.

    При использовании программно-технических средств интерфейсы ввода/вывода делятся на:

- физические

- логические.

 

 

 

    В зависимости от степени участия ЦП в управлении, различают:

1).Режим сканирования (асинхронный)

2).Синхронный режим

3).Прямой доступ к памяти.

    Режим сканирования предусматривает опрос ЦП периферийного устройства. Режим сканирования прост, но имеет недостатки:

-

Автор Паша_Ш

процессор постоянно занят и не может выполнять другую работу

- при большом быстродействии периферийных устройств, процессор не успевает обработать информацию.

В синхронном режиме ЦП запрашивает периферийные устройства, но не ждет ответа, а выполняет другую работу.