Элементы архитектуры вычислительных систем

Упрощенная структура ЭВМ представлена на рис. 1.1 ЭВМ содержит следующие основные устройства: арифметико-логическое устройство, память, управляющее устройство, устройство ввода данных в машину, устройство вывода из нее результатов расчета и пульт ручного управления.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т. е. кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.

Память хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую в машину извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса. Память машины в большинстве случаев состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующей основной или оперативной (внутренней) памяти (ОП) и сравнительно медленно действующей, но способной хранить значительно больший объем информации внешней памяти (ВнП).

Оперативная память содержит некоторое число ячеек, каждая из которых служит для хранения машинного слова или его части. Ячейки нумеруются, номер ячейки называется адресом.

В запоминающих устройствах, реализующих в ЭВМ функцию памяти, выполняются операции считывания хранимой информации для передачи в другие устройства и записи информации, поступающей из других устройств. При считывании слова из ячейки содержимое последней не меняется и при необходимости слово может быть снова взято из той же ячейки. При записи хранившееся в ячейке слово стирается и его место занимает новое.

Непосредственно в вычислительном процессе участвует только ОП, и лишь после окончания отдельных этапов вычислений из ВнП в ОП передается информация, необходимая для следующего этапа решения задачи.

Рис. 1.1 Структура ЭВМ

Управляющее устройство (УУ) автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие им те или иные действия, в частности включает АЛУ на выполнение нужной операции.

Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа программного управления, являющегося основной особенностью ЭВМ.

Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу команды программы, закодированные в цифровом виде, хранятся в памяти наравне с числами. В команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а адреса ячеек ОП, в которых они находятся, и адрес ячейки, куда помещается результат операции.

Поскольку программа хранится в памяти, одни и те же команды могут нужное число раз извлекаться из памяти и выполняться. Более того, так как команды представляются в машине в форме чисел, то над командами как над числами машина может производить операции (“модификации команд”).

Команды выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти, кроме команд безусловного и условного переходов, изменяющих этот порядок соответственно безусловно или только при выполнении некоторого условия, обычно задаваемого в виде равенства нулю, положительного или отрицательного результата предыдущей команды или отношения типа >, =, < для указываемых командой чисел. Именно благодаря наличию команд условного перехода ЭВМ может автоматически изменять соответствующим образом ход вычислительного процесса, решать сложные логические задачи.

Перед решением задачи на ЭВМ программа и исходные данные должны быть помещены в ее память. Предварительно эта информация обычно заносится во внешнюю память. Затем при помощи устройства ввода программа и исходные данные считываются в ОП.

Устройство вывода служит для выдачи из машины результатов расчета, например, путем печатания их на печатных устройствах или отображения на экране дисплея. При помощи пульта управления оператор пускает и останавливает машину, а при необходимости может вмешиваться в процесс решения задачи.

1.2.2. Понятие о системе программного обеспечения ЭВМ.
Понятие об архитектуре ЭВМ.

Для придания ЭВМ определенных свойств используют средства двух видов: аппаратные и программные. Последние называются также средствами программного (математического) обеспечения.

Часть свойств ЭВМ приобретает благодаря наличию в ее составе электронного или электромеханического оборудования, специально предназначенного для реализации этих свойств. Арифметико - логическое устройство машины является примером аппаратных средств.

Ряд других свойств реализуется без специальных аппаратных средств программным путем, при, этом используются имеющиеся аппаратурные средства машины, работающие в предписанном порядке в соответствии с программой, обеспечивающей выполнение машиной данной функции.

Заметим, что при помощи аппаратных средств соответствующие функции выполняются значительно быстрее, чем программным путем.

Таким образом, средства программного обеспечения и аппаратные средства являются двумя взаимосвязанными компонентами современной вычислительной техники.

Система программного (математического) обеспечения ЭВМ представляет собой комплекс программных средств, в котором можно выделить операционную систему, комплект программ технического обслуживания и пакеты прикладных программ. Первые два класса ПО принято также называть системным программным обеспечением.

Машинная зависимость является одной из характеристик, которая обычно отличает системное ПО от прикладного. Прикладная программа интересует нас главным образом с точки зрения решения некоторой задачи. При этом ЭВМ используется как инструмент, и основное внимание сосредоточено на предметной стороне дела, а не на вычислительной системе. С другой стороны, системные программы предназначены скорее для обеспечения управления собственно ЭВМ, чем для решения какой-то конкретной задачи. Вследствие этого они обычно тесно связаны со структурой машины, для которой созданы.

Операционные системы являются важнейшей и центральной частью программного обеспечения ЭВМ, предназначенной для эффективного управления вычислительным процессом, планирования работы и распределения ресурсов ЭВМ, автоматизации процесса подготовки программ и организации их выполнения при различных режимах работы машины, облегчения общения оператора с машиной.

Пользователи и операторы не имеют прямого доступа к устройствам ЭВМ. Связь пользователей и операторов с ЭВМ (точнее, с ее аппаратурными средствами) производится при помощи операционной системы, обеспечивающей определенный уровень общения человека с машиной.

Уровень общения в первую очередь определяется уровнем языка, на котором оно происходит, или, иными словами, уровнем пользовательского интерфейса системы.

Комплект программ технического обслуживания, предназначенный для уменьшения трудоемкости эксплуатации ЭВМ, содержит программы проверки работоспособности ЭВМ и отдельных ее устройств, определения (диагностирования) мест неисправностей.

Пакеты прикладных программ (ППП) представляют собой структурированные комплексы программ (часто со специализированными языковыми средствами), предназначенные для решения определенных достаточно широких классов задач (научно-технических, планово-экономических и др.), а также для расширения функций операционных систем (управление базами данных, реализация режимов телеобработки данных, реального времени и др.).

Аппаратные средства ЭВМ и система ее программного обеспечения в совокупности образуют вычислительную систему.

Сложность современных вычислительных машин закономерно привела к понятию архитектуры вычислительной машины, охватывающей комплекс общих вопросов ее построения, существенных в первую очередь для прикладного или системного программиста, интересующегося главным образом возможностями машины, а не деталями ее технического исполнения.

Круг вопросов, подлежащих решению при разработке архитектуры ЭВМ, можно условно разделить на вопросы общей структуры, организации вычислительного процесса и общения пользователя с машиной, вопросы логической организации представления, хранения и преобразования информации и вопросы логической организации совместной работы различных устройств, а также аппаратных и программных средств машины.