13.1. Принципы действия цифровых компьютеров
Рассмотрим вначале вычисления с помощью калькулятора. Предварительно на листе бумаги выписываются формулы и исходные данные, а часто и таблицы для занесения промежуточных и конечных результатов. В процессе вычисления числа с листа заносятся в регистр микрокалькулятора, а затем включается нужная по формуле операция. Полученные результаты переписываются с регистра (индикатора микрокалькулятора) на лист бумаги (в таблицу).
Таким образом, микрокалькулятор выполняет арифметические операции над числами, которые в него вводит человек. Лист бумаги выполняет в данном случае роль запоминающего устройства, хранящего программу (расчетную формулу), исходные, промежуточные и конечные результаты. Человек управляет процессом вычисления, включая перенос чисел с листа в микрокалькулятор и обратно, а также выбирает нужный вариант продолжения процесса вычисления в соответствии с полученным результатом. Интересно, что в данном случае быстродействие устройства, выполняющего арифметические операции (механического или электронного), практически не влияет на скорость вычислительного процесса, так как остальные операции выполняются очень медленно.
Принципиальный эффект достигается, если к быстродействующему арифметическому устройству добавить быстродействующую память, а также быстродействующее устройство, производящее все необходимые операции по реализации программы вычислений и пересылке чисел между арифметическим устройством и памятью. Если добавить к такому комплексу аппаратуры устройства связи с внешним миром, т.е. устройства ввода исходных данных и программы и вывода результата, то придем к классической пятиблочной структуре Неймана, несколько модифицированный вид которой показан на рис. 13.1 (первоначально устройство ввода и вывода изображалось одним блоком, а память не разделялась на основную и внешнюю).
Рис.13.1. Классическая структура цифрового компьютера
АЛУ – производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т.е. двоичными кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.
Память – хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса. В ЭВМ первых поколений память состояла только из двух существенно отличных по своим характеристикам частей – быстродействующей основной, или оперативной (внутренней), памяти (ОП) и значительно более медленной внешней памяти (ВП), способной хранить очень большие объемы информации. Память современных ЭВМ имеет более сложную структуру, поскольку внутренняя память ЭВМ разделилась на ряд иерархических уровней, обладающих различным объемом и быстродействием – ОП, кэш-память, сверхоперативная память, память каналов и т.д. Однако при первоначальном рассмотрении многоуровневость памяти можно не учитывать и считать, что внутренняя память состоит из одной ОП. Внутренняя память состоит из ячеек, каждая из которых служит для хранения одного машинного слова. Номер ячейки называется адресом. В запоминающем устройстве (ЗУ) ЭВМ, реализующем функцию памяти, выполняются операции считывания и записи информации. Причем при считывании информация не разрушается и может считываться любое число раз. При записи прежнее содержимое ячейки стирается.
Непосредственно в вычислительном процессе участвует только ОП. Обмен информацией между ОП и ВП происходит только после окончания отдельных этапов вычислений. Физическая реализация ОП и ВП будет рассмотрена в последующих разделах данного курса.
Устройство управления (УУ) – автоматически, без участия человека, управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие те или иные действия, в частности заставляет ОП пересылать необходимые данные, включать АЛУ на выполнение необходимой операции, перемещать полученный результат в необходимую ячейку ОП. Следует иметь в виду, что в современных ЭВМ АЛУ и УУ всегда объединены в одно устройство, которое называется процессор.
Пульт управления – позволяет оператору вмешиваться в процесс решения задачи, т.е. давать директивы устройству управления.
Устройство ввода – позволяет ввести программу решения задачи и исходные данные в ЭВМ и поместить их в ОП. В зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения задачи вводятся непосредственно с клавиатуры (дисплей, пишущая машинка) либо должны быть предварительно помещены на какой-либо носитель – перфокарты, перфоленты, магнитные карты, магнитные ленты, магнитные и оптические диски и т.д. В системах САПР осуществляется ввод графической информации.
Устройство вывода – служит для вывода из ЭВМ результатов обработки исходной информации. Чаще всего это символьная информация, которая выводится с помощью печатающих устройств (ПчУ) или на экран дисплея. В ряде случаев это графическая информация в виде чертежей и рисунков, которые могут быть выведены с помощью графических дисплеев, графопостроителей, принтеров, и т.д.
Теперь необходимо определить понятия алгоритм и программа. Понятие алгоритма не замыкается только областью вычислительной техники (ВТ). По интуитивному определению:
Алгоритм – это совокупность правил, строго следуя которым можно перейти от исходных данных к конечному результату.
В ВТ под "совокупностью правил" понимается последовательность арифметических и логических операций. (Утверждают, что слово алгоритм произошло от имени Мухаммед аль Хорезми, написавшем в IX веке трактат по арифметике десятичных чисел.)
Программа – это запись алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Любая программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими операндами это действие производится. Программа представляет собой совокупность команд, записанных в определенной последовательности, обеспечивающих решение задачи на ЭВМ. Для того,чтобы УУ могло воспринять команды, они должны быть закодированы в цифровой форме (во всех современных ЭВМ – это двоичный код).
Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа программного управления, являющегося основной особенностью ЭВМ. (Без программного управления ЭВМ превратится в обычный быстродействующий арифмометр или калькулятор.).
Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу программа, закодированная в цифровом виде, хранится в памяти наравне с числами. Поскольку программа хранится в памяти, одни и те же команды можно извлекать и выполнять необходимое количество раз. Более того, над кодами команд можно выполнять некоторые арифметические операции и тем самым модифицировать адреса обращения к ОП.
Команды программы выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти. Однако команды безусловного и условного переходов могут изменять этот порядок соответственно безусловно или при выполнении некоторого условия, задаваемого отношениями типа больше, меньше или равно. В большинстве случаев сравниваются результаты выполнения предыдущей операции и некоторое число, указанное в команде условного перехода. Именно команды условного перехода позволяют строить не только линейные, но также ветвящиеся и циклические программы.
- Министерство образования и науки, молодёжи и спорта украины
- Одесский национальный политехнический университет
- Институт компьютерных систем
- Кафедра информационных систем
- Министерство образования и науки, молодёжи и спорта украины
- Одесский национальный политехнический университет
- Институт компьютерных систем
- Кафедра информационных систем
- Содержание
- Тема1. Формы представления информации 10
- Тема 2. Логические основы построения элементов 16
- Тема 3. Схемотехника комбинационных узлов 29
- Тема 4. Схемотехника цифровых элементов 70
- Тема 5. Схемотехника цифровых узлов 108
- Тема 6. Интегрированные системы элементов 138
- Тема 7. Схемотехника аналоговых узлов 179
- Тема 8. Схемотехника обслуживающих элементов 208
- Тема 14. Структуры микропроцессорных систем 293
- Тема 15. Схемы поддержки мп на системных платах 340
- Тема 16. Некоторые вопросы развития архитектуры эвм 357
- Тема 17. Risk – процессоры 387
- Тема 18. Суперкомпьютеры. Параллельные вычислительные системы 399
- Список литературы 450 Тема1. Формы представления информации Лекция 1. Основные понятия
- Тема 2. Логические основы построения элементов Лекция 2.
- 2.1. Основные понятия, определения и законы Булевой алгебры
- Формы задания Булевой функции
- 2.2. Простейшие модели логических элементов и система их параметров
- 2.3. Типы выходных каскадов цифровых элементов
- 2.4. Системы (серии) логических элементов и их основные характеристики
- 2.5 Контрольные вопросы
- Тема 3. Схемотехника комбинационных узлов Лекция 3
- 3.1 Общие сведения
- 3.2. Шифраторы, дешифраторы и преобразователи кодов: назначения, виды, функционирование, принципы построения
- 3.3. Синтез кс на основе дешифраторов
- 3.4. Мультиплексоры и демультиплексоры
- 3.5. Шинные формирователи
- 3.6 Синтез кс на основе мультиплексоров
- 3.7. Компараторы
- 3.8 Сумматоры
- 3.9. Арифметико-логические устройства
- 3.10. Матричные умножители
- 3.11 Постановка и методы решения задач синтеза комбинационных узлов
- 3.11.1 Синтез комбинационных узлов
- 3.11.2 Основные факторы, которые должны быть учтены при построении принципиальных схем
- 3.11.2.1 Питающие напряжения ис
- 3.11.2.2 Уровни логических сигналов
- 3.11.2.3 Нагрузочная способность
- 3.11.2.4 Коэффициент объединения по входу
- 3.11.2.5 Быстродействие
- 3.11.2.6 Помехоустойчивость
- 3.11.2.7 Рассеиваемая мощность
- 3.11.2.8. Использование элементов, имеющих выходы с третьим состоянием или с открытым коллектором
- 3.12 Критерии оценки качества технической реализации кс
- 3.13 Контрольные вопросы
- Тема 4. Схемотехника цифровых элементов Лекция 4
- 4.1 Последовательностные цифровые схемы
- 4.2. Схемотехника триггерных устройств
- 4.3. Асинхронные триггеры
- 4.4. Синхронные триггеры
- Rs триггер с синхронизацией по уровню
- Синхронный rs триггер с синхронизацией по фронту
- 4.5 Методы построения триггеров одного типа на базе триггеров другого типа
- Проектирование триггеров на основе rs-триггера
- Метод преобразования характеристических уравнений
- Метод сравнения характеристических уравнений
- Использование jk-триггера
- 4.6 Регистры и регистровые файлы
- 4.6.1 Регистры памяти
- 4.6.2 Сдвигающие регистры
- 4.6.3 Универсальные регистры
- 4.7 Счётчики
- 4.7.1 Счетчики с непосредственными связями и последовательным переносом
- 4.7.2 Счетчики с параллельным переносом
- 4.7.3 Реверсивный счетчик с последовательным переносом
- 4.7.4 Двоично-кодированные счётчики с произвольным модулем
- Построение счетчика методом модификации межразрядных связей
- Построение счетчика методом управления сбросом
- 4.8 Распределители тактов
- 4.8.1 Распределители импульсов и распределители уровней
- 4.8.2 Кольцевой регистр сдвига
- 4.8.3 Счётчик Джонсона
- 4.9 Контрольные вопросы
- Тема 5. Схемотехника цифровых узлов Лекция 5
- 5.1 Цифровые автоматы и их разновидности
- 5.2 Абстрактный и структурный автоматы
- 5.3. Способы описания и задания автоматов
- 5.4. Связь между моделями Мура и Мили
- 5.5. Минимизация числа внутренних состояний полностью определенных автоматов
- 5.6. Принцип микропрограммного управления. Понятия об операционном и управляющем автоматах
- Операционные элементы
- 5.7. Граф - схемы алгоритмов (гса) и их разновидности. Способы задания гса, требования к ним
- 5.8. Абстрактный синтез микропрограммных управляющих автоматов Мили и Мура
- 5.8.1. Синтез автомата Мили
- 5.8.2. Синтез автомата Мура
- 5.9. Структурный синтез микропрограммных управляющих автоматов Мили и Мура
- 5.9.1. Структурный синтез автомата Мили
- 5.9.2. Структурный синтез автомата Мура
- 5.10. Синтез автомата Мура на базе регистра сдвига
- 5.11. Контрольные вопросы
- Тема 6. Интегрированные системы элементов Лекция 6. Программируемые логические устройства
- 6.1 Основные физические принципы программирования плм и плис
- 6.1.1 Метод плавких перемычек
- 6.1.2 Метод наращиваемых перемычек
- 6.1.3 Устройства, программируемые фотошаблоном
- 6.1.4 Стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства
- 6.1.5. Электрически стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства
- 6.1.6. Flash - технология
- 6.1.7. Статическое оперативное запоминающее устройство
- 6.1.8. Сравнительная таблица технологий программирования
- 6.2 Простые и сложные плу
- 6.2.1 Ппзу
- 6.2.2 Программируемые логические матрицы
- 6.2.3. Программируемые матрицы pal и gal
- 6.2.4 Дополнительные программируемые опции
- 6.2.5 Сложные плу
- 6.3. Контрольные вопросы
- Лекция 7. Программируемые логические интегральные схемы
- 7.1 Мелко-, средне- и крупномодульные архитектуры
- 7.2 Логические блоки на мультиплексорах и таблицах соответствия
- 7.3 Таблицы соответствия, распределённое озу, сдвиговые регистры
- 7.4 Конфигурируемые логические блоки, блоки логических символов, секции
- 7.5 Секции и логические ячейки
- 7.6 Конфигурируемые логические блоки clb и блоки логических массивов lab
- 7.7. Контрольные вопросы
- Лекция 8
- 8.1 Дополнительные встроенные функции
- 8.1.1 Схемы ускоренного переноса
- 8.1.2 Встроенные блоки озу
- 8.1.3 Встроенные умножители, сумматоры и блоки умножения с накоплением
- 8.1.4 Аппаратные и программные встроенные микропроцессорные ядра
- 8.2 Дерево синхронизации и диспетчеры синхронизации
- 8.2.1 Дерево синхронизации
- 8.2.2 Диспетчер синхронизации
- 8.3. Системы с перестраиваемой архитектурой
- 8.4. Программируемый пользователем массив узлов
- 8.4.1. Технология picoArray компании picoChip
- 8.4.2 Технология адаптивных вычислительных машин компании QuickSilver
- 8.5. Контрольные вопросы
- Тема 7. Схемотехника аналоговых узлов Лекция 9. Операционные усилители
- 9.1. Идеальный операционный усилитель
- 9.2. Основные схемы включения операционного усилителя
- 9.2.1. Дифференциальное включение
- 9.2.2. Инвертирующее включение
- 9.2.3 Неинвертирующее включение
- 9.3 Функциональные устройства на операционных усилителях
- 9.3.1 Схема масштабирования
- 9.3.2 Схема суммирования
- 9.3.3 Схема интегрирования
- 9.3.4 Схема дифференцирования
- 9.3.5 Источники напряжения, управляемые током
- 9.3.6 Источники тока, управляемые напряжением
- 9.4 Активные электрические фильтры на оу
- 9.5 Схемы нелинейного преобразования на оу
- 9.6 Генераторы сигналов на оу
- 9.7. Контрольные вопросы
- Лекция 10
- 10.1. Изолирующие усилители
- 10.2. Аналоговые компараторы
- 10.3. Источники опорного напряжения
- 10.4. Аналоговые коммутаторы
- 10.5. Оптореле
- 10.6. Устройства выборки-хранения
- 10.7. Цифроаналоговые преобразователи
- 10.8. Аналого-цифровые преобразователи
- 10.9. Контрольные вопросы
- Тема 8. Схемотехника обслуживающих элементов Лекция 11
- 11.1 Сопряжение цифровых микросхем, изготовленных по разным технологиям, и сопряжение с интерфейсами
- 11.2 Управление входами ттл и кмоп
- 11.3 Дискретное управление нагрузкой от элементов ттл и кмоп
- 11.4 Передача цифровых сигналов на небольшие расстояния
- 11.5 Контрольные вопросы
- Тема 9. Источники питания. Схемотехника комбинаторных узлов Лекция 12
- 12.1. Схемотехника линейных стабилизаторов напряжения
- 12.2 Импульсные стабилизаторы напряжения
- 12.3 Инверторные схемы
- 12.4 Контрольные вопросы
- Тема10. Цифровые компьютеры Лекция 13
- 13.1. Принципы действия цифровых компьютеров
- 13.2. Понятие о системе программного (математического) обеспечения эвм
- 13.3. Большие эвм общего назначения
- 13.3.1. Каналы
- 13.3.2. Интерфейс
- 13.4. Малые эвм
- 13.5. Контрольные вопросы
- Тема 11. Запоминающие устройства Лекция 14
- 14.1 Структура памяти эвм
- 14.2 Способы организации памяти
- 14.2.1 Адресная память
- 14.2.2 Ассоциативная память
- 14.2.3 Стековая память (магазинная)
- 14.3. Структуры адресных зу
- 14.3.1. Зу типа 2d
- 14.3.2. Зу типа 3d
- 14.3.3. Зу типа 2d-m
- 14.4 Постоянные зу (пзу, ппзу)
- 14.5. Флэш-память
- 14.6. Контрольные вопросы
- Тема 12. Процессоры Лекция 15
- 15.1 Операционные устройства (алу)
- 15.2 Управляющие устройства
- 15.2.1. Уу с жёсткой логикой
- 15.2.2 Уу с хранимой в памяти логикой
- 15.2.2.1. Выборка и выполнение мк
- 15.2.2.2. Кодирование мк
- 15.2.2.3. Синхронизация мк
- 15.3. Контрольные вопросы
- Тема 13. Универсальные микропроцессоры Лекция 16. Архитектура процессора кр580вм80
- 16.1. Регистры данных
- 16.2. Арифметико-логическое устройство
- 16.3. Регистр признаков
- 16.4. Блок управления
- 16.5. Буферы
- 16.6. Мп с точки зрения программиста
- 16.7. Форматы данных в кр580вм80
- 16.8. Форматы команд в кр580вм80
- 16.9. Способы адресации
- 16.10. Контрольные вопросы
- Лекция 17. Система команд кр580вм80
- 17.1. Пересылки однобайтовые
- 17.2. Пересылки двухбайтовые
- 17.3. Операции в аккумуляторе
- 17.4. Операции в рон и памяти
- 17.5. Команды управления
- 17.6. Контрольные вопросы
- Тема 14. Структуры микропроцессорных систем Лекция 18. Общие принципы
- 18.1. Системный интерфейс микро-эвм. Цикл шины
- 18.2. Промежуточный интерфейс
- 18.3. Принципы организации ввода/вывода информации в микропроцессорную систему
- 18.4. Контрольные вопросы
- Лекция 19. Принципы организации систем прерывания программ
- 19.1. Характеристики систем прерывания
- 19.2. Возможные структуры систем прерывания
- 19.3. Организация перехода к прерывающей программе
- 19.3.1. Реализация фиксированных приоритетов
- 19.3.2. Реализация программно-управляемых приоритетов
- 19.4. Контрольные вопросы
- Лекция 20. Принципы организации систем прямого доступа в память
- 20.1. Способы организации доступа к системной магистрали
- 20.2. Возможные структуры систем пдп
- 20.3. Организация обмена в режиме пдп
- 20.3.1. Инициализация средств пдп
- 20.3.2. Радиальная структура ( Slave dma)
- 20.3.3. Радиальная структура (Bus master dma)
- 20.3.4. Цепочечная структура ( Bus master dma)
- 20.3.5. Принципы организации арбитража магистрали
- 20.4. Микропроцессорная система на основе мп кр580вм80а
- 20.5. Контрольные вопросы
- Тема 15. Схемы поддержки мп на системных платах Лекция 21
- 21.1. Эволюция шинной архитектуры ibm pc
- 21.1.1. Локальная системная шина
- 21.1.2. Шина расширения
- 21.1.2.1. Шина расширения isa
- 21.1.2.2. Шина расширения mca
- 21.1.2.3. Шина расширения eisa
- 21.1.3. Локальные шины расширения
- 21.1.3.1. Локальная шина vesa (vlb)
- 21.1.3.2. Локальная шина pci
- 21.2. Современные схемы поддержки мп на системных платах
- 21.2.1. Чипсет GeForce 9300/9400 фирмы nvidia
- 21.2.3. Чипсет Intel z68 для платформы Socket 1155
- 21.3. Контрольные вопросы
- Тема 16. Некоторые вопросы развития архитектуры эвм Лекция 22
- 22.1. Теги и дескрипторы. Самоопределяемые данные
- 22.2. Методы оптимизации обмена процессор-память
- 22.2.1. Конвейер команд
- 22.2.2. Расслоение памяти
- 22.2.3. Буферизация памяти
- 22.3. Динамическое распределение памяти. Виртуальная память
- 22.3.1. Виртуальная память
- 22.3.2. Сегментно-страничная организация памяти
- 22.4. Контрольные вопросы
- Лекция 23. Защита памяти
- 23.1. Защита отдельных ячеек памяти
- 23.2. Метод граничных регистров
- 23.3. Метод ключей защиты
- 23.4. Алгоритмы управления многоуровневой памятью
- 23.5. Контрольные вопросы
- Тема 17. Risk – процессоры Лекция 24
- 24.1. Общая характеристика risk - процессоров
- 24.2. Arm архитектура
- 24.2.1. Дополнительные технологии
- 24.2.2. Ядро arm7tdmi
- 24.2.3. Семейство arm10 Tumb
- 24.3. Контрольные вопросы
- Тема 18. Суперкомпьютеры. Параллельные вычислительные системы Лекция 25
- 25.1. Смена приоритетов в области высокопроизводительных вычислений
- 25.2. Сферы применения многоядерных процессоров и многопроцессорных вычислительных систем
- 25.3. Классификация архитектур вычислительных систем по степени параллелизма обработки данных
- 25.4. Архитектуры smp, mpp и numa
- 25.5. Организация когерентности многоуровневой иерархической памяти
- 25.6. Pvp архитектура
- 25.7. Контрольные вопросы
- Лекция 26. Кластерная архитектура
- 26.1. Архитектура связи в кластерных системах
- 26.2. Коммутаторы для многопроцессорных вычислительных систем.
- 26.2.1. Простые коммутаторы
- 26.2.2. Составные коммутаторы
- 26.2.2.1. Коммутатор Клоза
- 26.3. Контрольные вопросы
- Лекция 27. Высокопроизводительные многоядерные процессоры для встраиваемых приложений
- 27.1. Процессоры Tile-64/64Pro компании Tilera
- 27.4. Мультипроцессор Cell
- 27.4.1. Общая структура процессора Cell
- 27.4.2. Структура процессорного элемента Power (ppe)
- 27.4.3. Структура spe — "синергичного" процессорного элемента
- 27.5. Альтернативная технология построения многоядерных систем на кристалле — atac
- 27.5.1. Основные идеи архитектуры atac
- 27.5.2. Ключевые элементы технологии атас
- 27.5.3. Структура межъядерных связей
- 27.5.4. Передача данных и согласование кэш-памяти
- 27.6. Контрольные вопросы
- Список литературы