Архитектуры вычислительных машин.

Архитектура фон-Неймана.

 

ЗУ - запоминающего устройства (памяти); АЛУ - арифметико-логического устройства; УУ - устройства управления; УВВ - устройства ввода и вывода.

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы. Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными. Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку. УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии. Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера. В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.

ЗУ программ

АЛУ

УВВ

Гарвардская архитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

Архитектура фон-Неймана с прерыванием

 

 

УВВ

Int

 

Прерывание – первое отличие современных архитектур от машин фон-Неймана. Работа прерывания заключается в том, что при поступлении сигнала прерывания процессор обязан прекратить выполнение текущей программы и немедленно начать обработку процедуры прерывания.

Архитектура фон-Неймана с ПДП

Канал ПДП

 

Режим, при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия центрального процессора, называется прямым доступом к памяти. Для его реализации необходим специальный контроллер. Режим прямого доступа к памяти в машинах первого и второго поколений не существовал. Поэтому встречающаяся иногда схема ЭВМ, на которой данные из устройств ввода напрямую поступают в ОЗУ, не соответствует действительности: данные при отсутствии контроллера прямого доступа к памяти всегда сначала принимаются во внутренние регистры процессора и лишь затем в память.

Передача информации в микропроцессорных системах (МПС).

В МПС существует три способа передачи информации:

· асинхронный - сигналы передаются с произвольными промежутками времени.

· синхронный - сигналы передаются строго периодично во времени.

· смешанный - байты передаются асинхронно, а биты внутри байтов синхронно.

 

Асинхронный способ.

Асинхронный способ обеспечивает передачу информации по единственной линии. Для надежной синхронизации обмена в асинхронном режиме:

1) передатчик и приемник настраивают на работу с одинаковой частотой;

2) передатчик формирует стартовый и стоповый биты, отмечающие начало и конец посылки;

3) передача ведется короткими посылками (5..9 бит), а частоты передачи выбираются сравнительно низкими.

Асинхронный способ по методу регистрации сигналов делится на:

· стробируемый

Строб – дополнительный сигнал является подтверждением действительности других сигналов. Стробирование может осуществляться по фронту или по уровню.

· «запрос-ответ».

Синхронный способ.

Синхронизация:

· внутренняя

Достоинства:

ü достаточно двух линий - сигнал и земля

ü высокая частота

ü высокая надежность связи

ü длина пакета определяется взаимной синхронностью передатчики и приемника.

· внешняя

Сигналы синхронизации поступают вместе с данными. В этом случае форма сигналов может быть неправильной. Поэтому внешняя синхронизация используется только при передаче на небольшие расстояния, т.е. внутри платы.

Изохронный метод

В этом методе передачи информации возможна потеря данных. Здесь сам приемник определяет, какие данные принимать, а какие нет (например, для звуковой информации).