Классическая концепция вычислительных машин фон-Неймана.

Это концепция первых вычислительных машин, основные архитектурные особенности которой были сформулированы Джоном фон Нейманом.

Эта архитектура ЭВМ, поддерживающие следующие принципы:

· двоичного кодирования,

· программного управления,

· однородности памяти,

· адресуемой памяти.

Классический вариант этой машины (рис.1.23) по концепции Д. фон Неймана должна содержать блоки:

· оперативную памяти,

· арифметико-логическое устройство,

· устройство управления,

· устройства ввода-вывода

· внешние запоминающие устройства.

Блок оперативной памяти. Оперативная память предназначена для хранения, как команд программы, так и данных. По концепции фон-Неймана принципиально важно, чтобы команды и данные в оперативной памяти были неразличимы. При этом, если код команды из оперативной памяти поступал на сумматор, то он интерпретировался, как данные, если код команды поступал на регистр команд, то он интерпретировался, как команда. Это было важно для возможности переадресации команд в цикле изменением команд на сумматоре.

Но в современных ЭВМ коды программ и данных в оперативной памяти стараются различать, например, при помощи специальных битов в специальных

структурных объектах, называемых дескрипторами сегментов.

 

Рис.1.23 Структура машины фон-Неймана

 

Блок устройства управления предназначен для формирования сигналов управления (микроопераций) и для реализации выполнения команд программы. Основными блоками устройства управления являлись: регистр указателя адреса очередной команды (счетчик команд), регистр команд, блок дешифрации команды, блоки формирования микроопераций, регистр состояния (программы).

Команды на устройства управления поступают из оперативной памяти на регистр команд по шинам передачи команд (на рис. 1.23 обозначены двойным пунктиром). Циклы выборки команд управляются не командами, а наборами микроопераций, реализованных аппаратно (прошиты в памяти микропрограмм).

Управление АЛУ и другими устройствами осуществляется формированием серий микроопераций согласно командам на все программно управляемые устройства (память, АЛУ, устройства ввода/вывода и т.д.). На рис. 1.23 линии передачи сигналов управления (микроопераций) обозначены одиночными пунктирными линиями.

После выполнения каждой команды признаки результатов и, возможно, сигналы прерываний при внештатных ситуациях во время выполнения команды посылаются от АЛУ в устройства управления (на регистр состояния программы). Коды условий используются для реализаций ветвлений, включая циклы.  На рис.1.23 линии передачи кодов условий и сигналов прерывания обозначены, как и микроопераций, одиночной пунктирной линией.

По концепции фон-Неймана команды программы должны поступать из памяти в устройство управления и выполняться строго по их порядку в программе для обеспечения корректности выполнения программ.

В современных ЭВМ допускается не только одновременное, но и внеочередное выполнение множества команд. При этом не нарушается корректность их выполнения.

Кроме этого в современных ЭВМ используются не только арифметические, но и логические операции.

Для непосредственной связи с человеком устройство управления содержало пульт управления и панель сигнализации. Но в такой конфигурации это блок схема скорее калькулятора, а не полноценной ЭВМ. В классической схеме ЭВМ предусмотрены устройства ввода и вывода. Это устройства ЭВМ, предназначенные для ввода и вывода массивов информации в форме удобные для использования человеком, например, в виде печатного текста. Кроме этого, к устройствам ввода/вывода относятся устройства хранения информации вне ЭВМ и переноса на другие ЭВМ. Это накопители на внешних носителях: перфокартах, магнитных лентах, дисках и т.д. Все эти устройства традиционно относят к внешним устройствам.

Внешними устройствами могут быть устройства:

· внешней памяти,

· ввода,

· вывода,

· связи с внешним объектом.

Устройства внешней памяти – это устройства энергонезависимой памяти, обычно на основе записи на магнитную поверхность или электронных схемах с использованием МДП (металл - диэлектрик – полупроводник) транзистров с плавающим затвором (флеш-память) для хранения и/или передачи данных на другие цифровые устройства.

Устройство ввода – это любое устройство ввода данных и программ в оперативную память ЭВМ (клавиатура, перфокарты, магнитные ленты, магнитные диски и т.д.).

Устройство вывода – это любое устройство вывода данных и программ из оперативной памяти (принтер, магнитная лента, магнитные диски и т.д.). В большинстве современных ЭВМ оперативная память – энергозависимая. По этой причине операции ввода/ выводы необходимы при включении и выключении ЭВМ.

Устройство связи с внешним объектом – это любое устройство, подключенное к ЭВМ, включая сетевые объекты.

Операции ввода/вывода – это операции передачи информации между оперативной памятью и внешними устройствами. Для её реализации требуется задать адрес источника, например, адрес на магнитном диске, адрес приемника (начальный адрес в оперативной памяти) и количество передаваемых данных. Затем следует подать серию команд чтения каждой единицы информации из источника и записи в приемник, т.е. операция ввода/вывода требует программы управления (программы драйвера).

В дальнейшем, по мере развития ЭВМ устройства УУ и АЛУ, как сильно связанные между собой устройства стали рассматриваться как одно устройство программной обработки данных под названием – процессор.

В первых ЭВМ использовали чисто программные методы организации процедуры ввода/вывода. По этой причине на рис.1.23 устройства ввода/вывода соединены с оперативной памятью, не на прямую, а через процессор. Процессор осуществлял операции ввода/вывода, выбирая каждую единицу передаваемых данных на свои регистры по одной команде программы драйвера, а затем, по другой команде, пересылал ее по адресу приемника, подсчитывая количество передаваемых данных и модифицируя адреса источника и приемника.

В более поздних моделях для организации процедур ввода/вывода (вместо процессора) стали использовать дополнительные специализированные процессоры ввода/вывода. Примером может служить модели семейства ЭВМ IBM 360 (см. рис.1.24).

Рис.1.24. Структура однопроцессорных моделей ЭВМ общего назначения

(IBM 360)

 

Это первое семейство программно совместимых моделей с явно выделенными процессорами ввода/вывода (канальными процессорами или просто каналами). Каждая модель семейства ЭВМ IBM 360 является системой с изменяемой конфигурацией. Она содержит ядро и систему ввода/вывода изменяемой конфигурации. В свою очередь ядро системы предусматривает наращивание блока оперативной памяти.

Система ввода/вывода содержит ряд специализированных процессоров ввода (каналов), по возможности адресации – до 31 канала. К одному каналу может быть подключено до 256 устройств ввода/вывода (абонентов). Абоненты (или группа однотипных абонентов) подключаются к интерфейсу ввода/вывода через индивидуальные устройства управления для каждого типа абонента.

Операции ввода вывода задаются программой канала. Команда программа определяет единичную операцию. Операция канала – это запись или чтение массива чисел или операция управления. Операции управления задают адреса данных в устройствах ввода/вывода, например, номер дорожки диска и т.д..

Каждая процедура ввода вывода задается набором команд канала (программой канала). Каждая команда определяет единичную операцию. Это может быть команда записи или чтения массива чисел, команда управления (задание адреса, например дорожки диска и т.д.).

Устройства ввода/вывода связанны с каналами ядра ЭВМ с использование стандартных интерфейсов ввода вывода.

Процессор и канал не различает тип конкретных устройств, подсоединенных к интерфейсу ввода/вывода через соответствующий контроллер.

Управление вводом /выводом производится со стороны канала на логическом уровне командами стандартного интерфейса общими для всех типов подключаемых устройств. Но, в зависимости от физической основы конкретного устройства ввода/вывода, эти команды интерпретируются контроллерами индивидуально в зависимости от физики работы периферийного устройства.

Применение стандартного интерфейса позволило очень просто изменять конфигурацию периферийного окружения ядра ЭВМ с использованием общего для всех моделей семейства парка периферийных устройств.

Программа канала начинается по команде процессора SIO – (старт в/в).

Эта команда передает каналам, через ячейку оперативной памяти начало программы канала. Каналы проверяют возможность выполнения первой команды и, если все корректно, сообщает процессору о начале выполнения программы или отказа кодом условия (КУ). По завершении выполнения программы ввода/вывода, канал сохраняет в 64 ячейке памяти результаты выполнения программы в виде "слова состояния канала" и посылает в процессор сигнал прерывания. В процедуре прерывания определяется корректность выполнения процедуры ввода/вывода.

В качестве сервисной подсистемы используется ЭВМ класса PC как средства управления ЭВМ системным инженером (например, для управления операциями тестирования) и системным оператором (например, для управления последовательности включения питания, настройки операционной системы).

К классическому типу архитектуры относится также и архитектура персонального компьютера с общей шиной, блок схема которой представлена на рис. 1.25. на примере семейства моделей ЭВМ PDP 11 корпорации DEC. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Рис. 1.25. Структура моделей семейства мини-ЭВМ PDP 11 (DEC)

 

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Семейство программно совместимых мини ЭВМ PDP 11 корпорации DEC является знаковым по следующим причинам:

· это первое семейство ЭВМ с системным интерфейсом,

· это программная модель процессора с очень эффективными режимами адресации,

· это программная модель процессора, в которой, за счет использования новых режимов адресации, отдельные части оперативной памяти можно использовать в качестве отдельных стеков.

ЭВМ этой программной модели прошла стадии 16-ти битовой архитектуры, 32-х битовой (семейство VAX-11) и 64-х битовой (семейство Alpa).

Вопросы для самопроверки:

1. Структура вычислительной машины фон-Неймана,

2.Назначение блока оперативной памяти,

3. Причины постулата о неразличимости в ячейках памяти команд и данных,

4. Основные блоки устройства управления,

5. Сигналы, поступающие из АЛУ на устройство управления.,

6. Назначение кодов условия,

7. Концепция фон-Неймана относительно порядка выполнения команд в программе,

8. Понятие внешние устройства,

9. Понятие операции ввода-вывода,

10. Понятие драйвер,

11. Организация ввода/вывода в ЭВМ,

12. Состав ядра процессора,

13. Сервисная подсистема IBM -360,

14. Назначение каналов ввода/вывода,

15. Назначение контролера устройств ввода-вывода,

16. Понятие структуры и архитектуры компьютера.