Функциональная схема компьютера неймана

Функциональная схема компьютера неймана
Функциональная схема компьютера неймана
Функциональная схема компьютера неймана
Функциональная схема компьютера неймана

 
 2.
 
В основу построения подавляющего большинства вычислительных машин положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом (1900-1952). Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр, физически находящийся в процессоре, последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду.

Выборка команд из основной памяти прекращается после достижения и выполнения команды СТОП. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти: число, текст (символы) или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции - перевода с алгоритмических языков высокого уровня на язык машины.

Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует, что существует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.  

 
   
СТРУКТУРА КОМПЬЮТЕРА  
   
 
 3.
 
Вычислительные машины, построенные на перечисленных выше принципах, называются фоннеймановскими. Классическая структура компьютера (структура фон Неймана) показана на рис.5.1.

Рис. 5.1. Структура компьютера фон Неймана

   
 4.
 
Обратимся к классической структуре. Из рисунка видно, что во всякой машине можно выделить пять основных блоков.  
   
 5.
 
Входное устройство служит для ввода в машину всей необходимой информации для решения задач. Входная информация - информация (числовая, текстовая, графическая, электрические сигналы и т. п.), представленная в символах входного алфавита. Обычно эта информация состоит из некоторой программы и массива данных, с которыми программа будет работать. Программа и данные, представленные в памяти символами внутреннего алфавита, кодируются как числа в двоичной системе счисления.  
   
 6.
 
Вся вводимая информация попадает в запоминающее устройство, где она хранится до момента, пока не понадобится. Через команды программы осуществляется управление работой всей машины.  
   
 7.
 
Основные параметры, характеризующие память вычислительной машины, это емкость и время обращения к памяти.  
   
 8.
 
Емкость памяти - максимальное количество фиксированных единиц - слов информации, которое может быть размещено в запоминающем устройстве. Ячейка памяти - независимо адресуемая часть памяти, содержимое которой выбирается за одно обращение.  
   
 9.
 
Время обращения - интервал времени между началом и окончанием ввода (вывода) информации в память (из памяти). Оно характеризует затраты времени на поиск места и запись (чтение) слов в память.  
   
 10.
 
Для построения запоминающих устройств в качестве физических элементов используют электронные схемы, ферритовые магнитные материалы, магнитные ленты, диски, оптические запоминающие элементы и т.д.  
   
 11.
 
Выходное устройство осуществляет преобразование результатов решения задачи, представленных в символах внутреннего алфавита, в выходную информацию, представленную символами выходного алфавита, и выдачей информации из машины. В зависимости от вида выходной информации различают выходные устройства: печатающие, графические, отображающие и т.д.  
   
 12.
 
ЭВМ, как правило, выдает информацию в виде, удобном для человека. Специализированные ЭВМ могут выдавать на выходе электрические управляющие сигналы или другую информацию, что определяется характером системы, в которой работает машина.  
   
 13.
 
Поскольку во входном устройстве кодирование осуществляется в машинное представление, а в выходном - из машинного представления, то средства эти могут быть общими. Именно поэтому входное и выходное устройства часто объединяются в единое устройство ввода-вывода. С его помощью реализуется интерфейс (общение) пользователя с машиной.  
   
 14.
 
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - функциональная часть компьютера, выполняющая логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти.

АЛУ характеризуется:

временем выполнения элементарных операций; средним быстродействием, т.е. количеством арифметических и логических действий (операций), выполняемых в единицу времени (секунду); набором элементарных действий, которые оно выполняет; видом алфавита или системы счисления, в которой производятся действия (выбор системы счисления оказывает влияние на все технические характеристики устройства).    
 15.
 
Устройство управления - функциональная часть ЭВМ, предназначенная для автоматического управления ходом вычислительного процесса, обеспечивающая взаимодействие всех частей машины в соответствии с программой решения задачи.

Устройство управления обращается в память машины, выбирает очередную команду, расшифровывает ее и вырабатывает сигналы, указывающие другим устройствам, что им надлежит делать.

Управление от программы решения задачи, которое хранится в памяти компьютера, обеспечивает полную автоматизацию процесса решения. Поэтому компьютеры - универсальные ЭВМ - называют программно-управляемыми автоматами.  

   
 16.
 
Оператор может вмешаться в ход решения задачи через пульт, соединенный с устройством управления.  
   
 17.
 
Комплекс устройств, охватывающий арифметико-логическое устройство, часть памяти (назовем ее оперативным запоминающим устройством - ОЗУ) и устройство управления, называется процессором. Процессор - самое важное устройство компьютера.  
   
 18.
 
Большинство процессоров современных компьютеров слишком сложны, чтобы их можно было достаточно легко и просто описать в этой книге. Поэтому основные особенности внутренней организации и функционирования мы будем последовательно изучать на его упрощенном варианте.  
 
   
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРОЦЕССОРА  
   
 
 19.
 
Структурная схема процессора без соединений между основными узлами приведена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Основные узлы процессора

   
 20.
 
Функции АЛУ: а) выполнение арифметических операций, например, сложения и вычитания; б) выполнение логических операций, например, операций И, ИЛИ, НЕ. АЛУ выполняет операцию над словом данных, которое было "загружено" в специальный внутренний регистр процессора - аккумулятор. Наш гипотетический компьютер имеет один аккумулятор разрядностью 16 бит (длина машинного слова).  
   
 21.
 
В качестве примера рассмотрим выполнение операции ОТРИЦАНИЕ. На рис.5.3 показано, как АЛУ выполнит эту операцию над данными в аккумуляторе.

Рис. 5.3. Операция ОТРИЦАНИЕ.

   
 22.
 
Другие операции, как, например, СЛОЖЕНИЕ, ВЫЧИТАНИЕ, И и ИЛИ требуют два операнда.

Допустим, что число 610 загружено в аккумулятор (оно в действительности будет загружаться в двоичной форме, т.е. 0000 0000 0000 0110), и мы хотим прибавить к нему число 510 (0000 0000 0000 0101), которое находится в ОЗУ в ячейке с адресом 2. Данное из ОЗУ должно быть считано в специальный Регистр Данных (РгД).

Выполнение операции иллюстрируется рис. 5.4.

Рис. 5.4. Взаимодействие блоков процессора (команда СЛОЖЕНИЕ).

   
 23.
 
Будем счтитать, что адрес текущей команды или данного в нашем процессоре хранится в специальном регистре адреса памяти (РгАП). Теперь структуру процессора иллюстрирует рис. 5.5.

Рис. 5.5. Регистр адреса памяти в процессоре.

 
 
   
ВЫПОЛНЕНИЕ КОМАНДЫ  
   
 
 24.
 
Основную функцию по координации аппаратных средств при выполнении последовательности команд и каждой команды программы осуществляет устройство управления.  
   
 25.
 
Команды, представленные в форме, в которой они непосредственно используются устройством управления, называются машинными командами, а о программах, написанных машинными командами, говорят, что они написаны в машинном коде.  
   
 26.
 
Машинная команда имеет несколько составных частей. Что касается нашего гипотетического процессора, то первая часть каждой его команды содержит код операции, которую нужно выполнить. Остальная часть команды адресует операнд.

Например, команда СЛОЖЕНИЕ начинается с кода операции - 00102, далее идет адрес операнда - 0000 0000 00102 (рис. 5.6). Один из операндов всегда находится в аккумуляторе (второе слагаемое). Результат всегда помещается в аккумулятор.

Рис. 5.6. Формат команды СЛОЖЕНИЕ.

   
 27.
 
Обратим внимание на то, что каждая ячейка в ОЗУ может содержать данные или команды, и эти данные и команды с точки зрения двоичного кода неразличимы. Программист, работающий в машинном коде, несет ответственность за то, где в ОЗУ находятся данные, и где команды, чтобы данные не были использованы как команды и наоборот.  
   
 28.
 
Взаимодействие блоков процессора при выполнении команды СЛОЖЕНИЕ схематично показано на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Взаимодействие блоков процессора при выполнении команды СЛОЖЕНИЕ.

   
 29.
 
Для временного хранения машинной команды используется специальный регистр, содержимое которого интерпретируется как команда - Регистр Команды (РгК).  
   
 30.
 
Итак, команда, записанная в РгК, имеет две части: функциональную и адресную.  
   
 31.
 
Последовательность выполнения команды: а) устройство управления декодирует функциональную часть команды, интерпретируя ее как операцию сложения; б) адрес операнда из адресной части РгК пересылается в РгАП; в) устройство управления инициирует чтение операнда из ячейки, адрес которой находится в РгАП, и загрузку операнда в РгД. Таким образом, 5 из второй ячейки оказывается в регистре данных; г) АЛУ выполняет операцию (сложение) над содержимым РгД и аккумулятора. А результат по сигналу устройства управления будет занесен в аккумулятор. Таким образом, к концу команды сложения содержимое аккумулятора равно 11.

Этим завершается выполнение команды.

 
   
ВЫБОРКА СЛЕДУЮЩЕЙ КОМАНДЫ  
   
 
 32.
 
Когда устройство управления завершит выполнение команды, оно должно выбрать следующую команду из памяти в РгК. Адрес следующей команды содержится в специальном регистре, называемом Счетчиком Команд (СчК). Всякий раз при выборке команды устройство управления одновременно увеличивает содержимое СчК на единицу, чтобы после выполнения команды можно было произвести выборку следующей. Таким образом, устройство управления работает с командами в порядке, в котором они помещены в ОЗУ. Подобная ситуация иллюстрируется на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Структура цепей выборки команды

   
 33.
 
Последовательность выборки команды: а) копируется адрес следующей команды из СчК в РгАП (адрес 8 в примере на рис.5.8); б) прибавляется 1 к содержимому СчК СчК:=СчК+1 ( 9 ); в) содержимое ячейки (команда), которая адресуется РгАП, пересылается в РгД; г) содержимое РгД копируется в РгК.

Этим выборка завершается.

   
 34.
 
Цикл процессора - процесс обработки каждой команды, состоящий из двух этапов: выборка и исполнение.  
   
 35.
 
В примере выполнения операции СЛОЖЕНИЕ считалось, что одно из слагаемых уже в аккумуляторе. Как оно попадает туда? Для этой цели существует команда ЗАГРУЗКА в аккумулятор. Если данное из памяти необходимо иметь в аккумуляторе, его надо скопировать в РгД, а затем в аккумулятор. Этот процесс называется загрузкой данных в аккумулятор. Команда ЗАГРУЗКА состоит из кода операции загрузки и адреса операнда (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Формат команды ЗАГРУЗКА

   
 36.
 
Запоминание содержимого аккумулятора - команда СОХРАНИТЬ. Содержимое аккумулятора пересылается по адресу, определенному в адресной части команды.  
 
 
   
КОМАНДЫ ПЕРЕХОДОВ  
   
 
 37.
 
Ранее было сказано, что устройство управления имеет дело с командами в порядке, в котором они помещены в ОЗУ, значение СчК увеличивается на 1 после выполнения очередной выборки. Тем не менее эта последовательность может быть изменена посредством специальных команд, называемых командами перехода (или ветвления). Есть два типа команд перехода: а) команда безусловного перехода; б) команда условного перехода.    
 38.
 
Команда безусловного перехода. Когда устройство управления выполняет команду безусловного перехода, оно заменяет адрес в СчК адресом операнда, указанным в команде перехода. Когда производится следующая выборка, команда будет выбираться по новому адресу (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Безусловный переход

   
 39.
 
Команда условного перехода изменяет СчК, если встречается определенное состояние. Это проиллюстрировано рис. 5.11.

Рис. 5.11. Условный переход

 
 
   
ВВОД И ВЫВОД  
   
 
 40.
 
Подробное изложение того, как центральный процессор вводит данные с периферийных устройств или выводит их сложно для простого объяснения. Следующие понятия могут дать некоторое представление: а) обычная команда ввода/вывода - передача символа на устройство. Периферийные устройства имеют номера (или адреса), которые указываются в адресной части команды; б) в медленных устройствах, например, на экран дисплея, данные передаются блоками как потоки символов. Эти передачи инициируются машинными командами, но завершаются автоматически аппаратными средствами.  
   
СПОСОБЫ АДРЕСАЦИИ  
   
 
 41.
 
В приведенных ранее примерах адреса, помещенные в адресной части команды, передавались в РгАП без изменений. Данный способ адресации носит название - непосредственная (или абсолютная) адресация.

Данное в адресной части команды - исполнительный адрес операнда. Непосредственная адресация - простая, быстрая и эффективная, но адресуемое пространство ограничено. В выше указанном примере 12 битов позволяют определить 212 - 409610 ячеек памяти для адресации. Эту проблему можно преодолеть:

а) использованием более длинных слов; б) использованием более чем одного слова для адреса, например, следующую ячейку (расширенный адрес); в) использованием альтернативных методов.    
 42.
 
Косвенная адресация. Если используется косвенная адресация, то содержимое адресной части команды не является адресом операнда. Этот адрес содержит адрес ячейки, в которой находится адрес операнда.  
   
 43.
 
Индексная адресация. Для этого способа характерно то, что необходимый адрес получается сложением содержимого адресной части команды с числом, загруженным в специальный регистр, называемый индексным регистром (РгИ), или регистром модификации (рис.5.12).

Рис. 5.12. Блоки процессора, связанные с индексной адресацией

Загрузка в индексный регистр может производиться целым рядом методов в соответствии с используемым компьютером. В нашем гипотетическом компьютере мы будем считать, что индексный регистр может быть загружен из аккумулятора посредством специальной команды.  
   
 44.
 
Прямая адресация. В этом способе данные помещаются в аккумулятор непосредственно с помощью команды, т.е. без обращения к памяти. Поэтому вводится команда загрузки в аккумулятор числа (код операции должен отличаться от кода команды загрузки из ОЗУ в аккумулятор, описанной ранее).  
   
 45.
 
Суммируя вышеизложенное, представим элементы и связи процессора компьютера - структурную схему - в следующем виде (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Структурная схема процессора

 
 
   
КРАТКО О ГЛАВНОМ  
   
 
 1.
 
Классическая структура компьютера - структура фон Неймана содержит пять основных блоков.  
   
 2.
 
Оперативное запоминающее устройство, устройство управления и АЛУ составляют процессор компьютера.  
   
 3.
 
Основная функция процессора - обработка команды. Цикл обработки состоит из двух этапов: выборки и исполнения.  
   
 4.
 
Для изменения следования команд вводятся команды переходов: условного и безусловного.  
   
 5.
 
Команды ввода - вывода предназначены для взаимодействия процессора с периферийными устройствами.  
   
 6.
 
Основные способы адресации: непосредственная, косвенная, индексная, прямая.  
 
  Функциональная схема компьютера неймана Функциональная схема компьютера неймана Функциональная схема компьютера неймана Функциональная схема компьютера неймана Функциональная схема компьютера неймана Функциональная схема компьютера неймана Функциональная схема компьютера неймана Функциональная схема компьютера неймана Функциональная схема компьютера неймана Функциональная схема компьютера неймана Функциональная схема компьютера неймана Функциональная схема компьютера неймана

Изучаем далее:



Макияж глаз молодых девушек

Маникюр и педикюр со скидкой минск

Вязание свитер кофта жакет

Как сделать стеллаж своими руками для книги

Поздравление профсоюзу в россии