Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Программное управление компьютеромСодержание книги
Похожие статьи вашей тематики
Поиск на нашем сайте
Первая вычислительная машина, способная хранить программу в своей памяти, разрабатывалась в 1943—1948 гг. в США под руководством Джона Мочли и Преснера Экерта. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств. Первый компьютер, в котором были полностью реализованы эти принципы, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. Изменяется элементная база, компьютеры становятся все более и более мощными, но до сих пор боль- гинство из них соответствуют тем принципам, которые изложил своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман. Принципы фон Неймана Устройства компьютера. В состав компьютера должны входить следующие устройства: • арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции; • устройство управления, которое организует процесс выполнения программ; • запоминающее устройство, или память, для хранения программ и данных; • внешние устройства для ввода-вывода информации. • память (запоминающее устройство — ЗУ), состоящая из перенумерованных ячеек; • процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ); • устройство ввода; • устройство вывода. Эти устройства соединены между собой каналами связи, по которым передается информация. Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на рис. 2.5. Функции памяти:
• прием информации из других устройств; * Колм запоминание информации; • выдача информации по запросу в другие устройства машины. Функции процессора:
• обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций; • программное управление работой устройств компьютера. Одна часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством, а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, — устройством управления. Обычно эти устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены. В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером (см. подразд. 2.2). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определенным образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например: • сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции (см. подразд. 2.2); • счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды. Он служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти; • регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических действий, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды расположены в памяти друг за другом, организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой ячейке, то используются команды условного и безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст 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 повтора некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты выполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Память компьютера должна состоять из некоторого числа пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, Чтобы к сохраненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с Использованием присвоенных имен. 2.3.2. Структура и виды команд Алгоритм решения задачи, заданный в виде последовательности команд на языке вычислительной машины (в кодах машины), Называется машинной программой. Команда машинной программы (машинная команда) — это ЗДементарная инструкция машине, выполняемая ею автоматически из каких-либо дополнительных указаний и пояснений. Команда — это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер. Машинная команда состоит из двух частей: операционной и адресной. Операционная часть команды — это группа разрядов в команде, предназначенная для представления кода операции машины. Адресная часть команды — это группа разрядов в команде, в которых записываются коды адреса (адресов) ячеек памяти машины, предназначенных для оперативного хранения информации, или иных объектов, задействованных при выполнении команды. Часто эти адреса называют адресами операндов, т. е. чисел, участвующих в операции. По числу адресов, записываемых в команде, команды подразделяются на трех-, двух-, одноадресные и безадресные (рис. 2.6). В трехадресной команде: al и а2 — адреса ячеек (регистров), где расположены соответственно первое и второе числа, участвующие в операции; аЗ — адрес ячейки (регистра), куда следует поместить число, полученное в результате выполнения операции. В двухадресной команде: al — это обычно адрес ячейки (регистра), где хранится первое из чисел, участвующих в операции, и куда после завершения операции должен быть записан результат операции; а2 — обычно адрес ячейки (регистра), где хранится второе участвующее в операции число. В одноадресной команде: al — в зависимости от модификатора команды может обозначать либо адрес ячейки (регистра), где хранится одно из чисел, участвующих в операции, либо адрес ячейки (регистра), куда следует поместить число — результат операции. Безадресная команда содержит только код операции, а информация для нее должна быть заранее помещена в определенные регистры машины (безадресные команды могут использоваться только совместно с командами другой адресности). Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде. Выполнение команды разбивается на следующие этапы: 1) из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; при этом содержимое счетчика команд увеличивается на длину команды; 2) выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд; 3) устройство управления расшифровывает адресное поле команды; 4) по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов; 5) УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными; 6) результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата; 7) все предыдущие этапы повторяются до команды «стоп». 2.3.3. Архитектура компьютера Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее в себя описания пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. Наиболее распространены следующие архитектурные решения. Классическая архитектура. Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство, через которое проходит поток данных, и одно устройство управления, через которое проходит поток команд — программа (см. рис. 2.5). Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с гОбщей шиной (рис. 2.7). Все функциональные блоки здесь связаны Между собой общей шиной, называемой также системной магистралью, или системной шиной. Системная магистраль (системная шина) включает в себя три Многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления. Шины представляют собой многопроводные линии. Шина данных. По этой шине данные передаются между Различными устройствами. Например, считанные из оперативной Памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а ^атем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине Рис. 2.7. Магистрально-модульное устройство компьютера данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т. е. числом двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивается и в настоящее время составляет 64 бит. Шина адреса. Выбор устройства, или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство, или ячейка оперативной памяти, имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении: от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина). Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. число ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Число адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле N = 2', где i — разрядность шины адреса. Разрядность шины адреса постоянно увеличивается и в современных персональных компьютерах составляет 32 бит. Таким образом, максимально возможное число адресуемых ячеек памяти N = 232=4 294 967 396. Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию, считывание или запись информации из памяти нужно производить; синхронизирует обмен информацией между устройствами и т.д. Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к системной магистрали через специальные контроллеры. Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с системной магистралью центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования. Существуют другие варианты построения однопроцессорных компьютеров, например применяемые известной компанией Apple jylacintosh. CISC-архитектура. Машины семейства IBM PC относятся к так называемой CISC-архитектуре компьютеров (CISC — Complete Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд). В системах команд процессоров, построенных по этой архитектуре, для каждого возможного действия предусмотрена отдельная команда. Например, система команд процессора Intel Pentium состоит более чем из 1000 различных команд. Чем шире система команд, тем больше требуется бит памяти для кодирования каждой отдельной команды. Если, например, система команд состоит всего из 4 действий, то для их кодирования требуется 2 бит памяти; для 8 возможных действий требуется 3 бит памяти; для 16 — 4 бит и т.д. Таким образом, расширение системы команд влечет за собой увеличение числа байт, выделяемых под одну машинную команду, а следовательно, и объема памяти, требуемой для записи всей программы в целом. Кроме того, увеличивается среднее время выполнения одной машинной команды, а следовательно, и среднее время выполнения всей программы. RISC-архитектура. В середине 1980-х гг. появились первые процессоры с сокращенной системой команд, построенные по так называемой RISC-архитектуре (RISC — Reduce Instruction Set Computer — компьютер с усеченной системой команд). К архитектуре RISC относятся достаточно широко известные машины компании Apple Macintosh, которые имеют систему команд, обеспечивающую им в ряде случаев более высокую производительность по сравнению с машинами семейства IBM PC. Еще одно важное отличие этих машин состоит в том, что многие возможности, которые в семействе IBM PC обеспечиваются путем Приобретения, установки и настройки дополнительного оборудования, в машинах семейства Macintosh являются встроенными и не требует никакой настройки оборудования. В качестве высокопроизводительных серверов достаточно часто используютсямашины семейств Sun Microsystems, Hewlett Packard Ш Compaq, которые также относятся к RISC-архитектуре. В качестве представителей других архитектур можно упомянуть еще и семейства переносных компьютеров классов Notebook (портативные). Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структурная схема такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 2.8. Важной составной частью аппаратной реализации любого компьютера является процессор. Центральный процессор в общем случае содержит: • арифметико-логическое устройство; • шины данных и шины адресов; • регистры; • счетчики команд; • кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт); • математический сопроцессор чисел с плавающей точкой. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или плоский керамический корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. Память компьютера построена на триггерах (хранение одного бита информации реализуется с помощью триггера, см. подразд. 2.2), объединенных в группы по 8 бит, которые называются байтами (единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.
Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — 2, 4 или 8 байт. Это не исключает использования ячеек памяти Таблица 2.16 Организация внутренней памяти
Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако допускаются переменные форматы представления информации. Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в табл. 2.16. В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип построения, который позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Такой подход еще называют принципом «открытой архитектуры». Если бы современный компьютер был сделан так же, как другие, существовавшие до его появления компьютеры, то он бы устарел через два-три года и мы бы давно уже о нем забыли. Действительно, кто сейчас помнит о моделях телевизоров, телефонов или даже автомобилей двенадцатилетней давности! На основной электронной плате компьютера (системной, или материнской, плате) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации (вычисления). Схемы, управляющие всеми остальными устройствами компьютера (монитоpoм дисками, принтером и т.д.), реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной штате — слоты. К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности |все это заключается в общий металлический или пластмассовый «корпус — системный блок. Наибольшую выгоду от открытости архитектуры получили, естественно, пользователи. Они получили возможность самостоятельно расширять возможности своих компьютеров, покупая соответствующие устройства и подсоединяя их в свободные разъемы на системной плате. При этом они не были связаны ассортиментом моделей, предлагаемых фирмой IBM, так как могли поступать дополнительные устройства, производимые независимыми фирмами. Они могли сэкономить деньги, ориентируясь при покупке компьютеров на свои сегодняшние, а не будущие потребности — ведь при необходимости компьютер можно модернизировать.
Контрольные вопросы 1.Перечислите основные устройства, обеспечивающие работу компьютера. 2.Что такое команда? Что описывает команда? 3.Сформулируйте функции памяти и процессора. 4.Что понимается под архитектурой компьютера? 5.В чем заключается принцип «открытой архитектуры»? 6.Почему именно работы американского математика Джона фон Неймана значительно изменили подходы к построению вычислительных устройств? 7.В чем состоит различие между адресным пространством процессора и объемом оперативной памяти, установленной в компьютере? 8.Найдите информацию об эволюции программ для компьютеров. Глава 3
|
||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-01-20; просмотров: 1655; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.148.108.192 (0.012 с.) |