Понятие архитектуры эвм. Представление информации в эвм

Для автоматизации технологических процессов используют различные ЭВМ, начиная от больших и заканчивая микроЭВМ, встраиваемыми в приборы. Выбор ЭВМ в каждом конкретном случае определяется рядом факторов: сложностью решаемой задачи, уровнем организации работ по автоматизации, стоимостью оборудования и т.п. Дадим краткую классификацию ЭВМ и определим класс машин, о которых будет идти речь в дальнейшем.

ЭВМ, входящие в вычислительные системы, подразделяются на сверхбольшие, большие, средние, мини и микроЭВМ. Первые три вида в основном применяются для выполнения сложных расчетов, в информатике, в системах коллективного пользования и редко используются непосредственно для целей автоматизации. Типичными представителями больших и средних ЭВМ являются 'Эльбрус", "Грей" и ЕС-1066. Основная часть систем автоматизации создается на базе мини и микроЭВМ. В связи с прогрессом в области микропроцессорной техники и появлением новых моделей мини и микроЭВМ деление машин часто отражает лишь размеры вычислительной системы, определяемые в основном периферийными устройствами, а не возможностью самой машины. В середине 80-х годов резко возросло производство различных типов персональных компьютеров: IBM-XT, IBM-AT, Apple, Macintoch и др., отличающихся малыми размерами и снабженных компактной периферией. Вычислительные возможности наиболее развитых моделей ПК находятся на уровне возможностей мини-ЭВМ. ПК так же широко используются для целей автоматизации.

Мини и микроЭВМ образуют программно-совместимые семейства. Модели внутри каждого семейства различаются по возможностям, предоставляемым пользователям: по быстродействию, объему памяти и т.п. Объединяет их то, что программа, написанная для одной из моделей, может быть выполнена на другой того же семейства. Модели внутри семейства обычно совместимы снизу вверх, т.е. программа, написанная для модели, обладающей меньшими возможностями, может быть без изменения выполнена на модели с большими возможностями, но не наоборот.

Работу ЭВМ можно рассматривать на трех уровнях. Самый низкий уровень составляют технические или аппаратные средства - электронные схемы и элементы, из которых состоит ЭВМ, их функциональное назначение, способы соединения и т.д. Эти сведения необходимы при разработке, как самой ЭВМ, так и систем автоматизации, в состав которых она входит.

Следующий уровень - архитектура и организация. Термин "архитектура" используется для описания функциональных возможностей, предоставляемых пользователю аппаратными средствами ЭВМ. Архитектура отображает доступные пользователю элементы структуры (набор регистров, адресное пространство, элементы памяти и т.п.), а также средства и возможности, необходимые для программирования работы ЭВМ (способы представления информации, система команд, способы адресации и т.д.). Организация ЭВМ определяет, каким образом реализуются возможности, заложенные в архитектуре.

Верхний уровень – программное обеспечение, которое в свою очередь подразделяется на системное и прикладное.

В России де-факто сложилась ситуация, когда 95% компьютерного рынка занимают IBM PC совместимые машины, построенные на процессорах Intel или их аналогах с расширенной системой команд. Аналогичная ситуация и с компьютерами промышленного назначения. Поэтому мы будем рассматривать этот класс машин.

В ЭВМ используется двоичный способ представления информации: сигнал может принимать только два значения, низкий уровень напряжения условно принимается за нуль, высокий за единицу. Любое сообщение, передаваемое по линиям данные/адрес магистрали, есть совокупность нулей и единиц, которую можно интерпретировать как число, записанное в двоичной системе счисления. Каждый двоичный разряд называется битом. Бит может принимать только два значения 0 или 1. Биты объединяются в байты (8 бит=2⁸=256 значений) и слова. Термин «слово» по разному трактуется в руководствах по микро – ЭВМ. Мы будем под словом понимать максимальное число бит, которые могут быть одновременно (параллельно) переданы по линиям данных процессора. В микро-ЭВМ PC-AT286 длинна слова равна 16 битам, поскольку для передачи данных в магистрали выделяется 16 линий. В компьютерах класса Pentium длина слова равна 32 битам.

Двоичная система счисления, в которой работают все электронные устройства ЭВМ, неудобна для восприятия человеком и слишком громозка для записи. Для наглядности и удобства представления двоичного содержимого слова широко используется шестнадцатеричная и восьмеричная системы счисления. В восьмеричной системе каждый разряд может принимать восемь значений от 0 до 7. Для шестнадцатеричной системы требуется 16 значений, так что наряду с десятичными цифрами от 0 до 9 используются латинские буквы A, B, C, D, E, F. В основе шестнадцатеричной системы счисления лежит максимально возможное число комбинаций для четырех двоичных разрядов (4 электрических проводников). Кодовая таблица шестнадцатеричной системы приведена ниже:

	A
	B
	C
	D
	E
	F

Выделенная часть составляет восьмеричную систему.

Поскольку каждая тройка (четверка) двоичных разрядов эквивалентна одной восьмеричной (шестнадцатеричной) цифре, то перевод двоичного числа в восьмеричное (шестнадцатеричное) заключается в разбивке справа налево двоичных разрядов на группы из 3 (4) бит с последующей заменой каждой группы соответствующей восьмеричной (шестнадцатеричной) цифрой. С целью получения общего числа бит в слове, кратного трем или четырем, к двоичному числу нужно добавить слева необходимое число нулей

00 1110100011101001 = 164351 (8) = E8E9 (16)

Содержимое любой ячейки памяти может интерпретироваться как машинная команда или как данные, Целые числа интерпретируются в ЭВМ либо как числа без знака, либо как числа со знаком. Беззнаковое представление удобно использовать для работы с адресами, которые не могут быть отрицательными. Число без знака, записанное в машинном слове, не может выходить за диапазон 0000÷FFFF (16), 0÷65535 (10). При необходимости использовать в программе как положительные, так и отрицательные целые числа, самый старший двоичный разряд слова отводится под знак (0 означает плюс, 1- минус), а под значащую часть числа отводят оставшиеся 15 разрядов. Отрицательные числа записываются в дополнительном коде, который образуется из прямого путем замены всех нулей на единицы и наоборот (это так называемый обратный код) и прибавления к полученному числу единицы:

0000 0000 0000 1100 = 000C (16) прямой код числа 12 (10)

1111 1111 1111 0011 = FFF3 (16) обратный код числа 12 (10)

1111 1111 1111 0100 = FFF4 (16) дополнительный код числа 12 (10) или код числа -12.

Если число со знаком записывается в машинном слове, то положительные числа лежат в диапазоне 0000÷7FFF (0÷32767), а отрицательные в диапазоне FFFF÷8000 (-1÷-32768). Многие аналого-цифровые преобразователи представляют результаты измерений для отрицательных чисел в дополнительном коде.