Логическая структура ЦВМ и ВС

 Структура ЦВМ—абстрактная модель, устанавливающая со­став, порядок и принципы взаимодействия основных функциональ­ных частей ЦВМ без учета из реализации (рис. 1.1).

Функциональная часть ЦВМ — составная часть ЦВМ, имею­щая определенное функциональное назначение. В приведенной на рис. 1.1 структуре ЦВМ выделены ее следующие функциональные части: арифметическо-логическое устройство АЛУ; запоминающее устройство ЗУ; устройства ввода—вывода информации УВВ, со­стоящие из устройства (устройств) ввода информации, усройства     (устройств) вывода информации

 {spoiler=Подробнее}

Рис. 1.1. Общая логическая струк­тура ЦВМ

устройство   управления    УУ и пульт управления ПУ

Арифметически - логические устройства (АЛУ) ЦВМ. Ариф-метическо-логические    устрой­ства осуществляют

преобразо­вание кодов чисел в процессе вычислений

путем выполнения над ними арифметических, логи­ческих и прочих операций. Раз­личают   АЛУ универсального и    функционального    типов. В АЛУ универсального типа большинство логических и ариф­метических операций выполняется с помощью одних и тех же аппаратных средств (в основном сумматоре и регистрах с систе­мой передачи кодов чисел). В АЛУ функционального типа имеет­ся набор операционных блоков, предназначенных для выполнения определенных законченных действий над кодами чисел при вы­полнении команд программы, например суммирования, умноже­ния, деления, передачи и временного запоминания кода чисел и т. д. По физической реализации АЛУ—чисто электронные уст­ройства; это позволяет получить в них очень высокие скорости преобразования цифровой информации.

Запоминающее устройство (ЗУ) ЦВМ *. Запоминающие уст­ройства служат для приема, хранения и выдачи исходной команд-' ной, промежуточной и искомой информации. Абстрактно ЗУ пред­ставляется в виде совокупности запоминающих ячеек, состоящих из запоминающих элементов. Количество запоминающих элемен­тов в ячейке равно разрядности обрабатываемых цифровых кодов. Схемы управления ЗУ обеспечивают возможность обращения к отдельной ячейке для записи или считывания информации без изменения содержания соседних ячеек. При физической реализа-

* В технической литературе ЗУ иначе называют памятью ЦВМ, вкладывая в это понятие узкий смысл возможности технической реализации устройств для приема и хранения некоторых массивов информации в массиве запоминающих ячеек, а также выдачи информации ции ЗУ необходимо использовать физические явления и процессы в носителях информации, обеспечивающие фиксацию и сохране­ние во времени следов информационных воздействий при записи информации и воспроизведение последствий информационных воз­действий при считывании 'информации.

Технически достаточно сложно в большом массиве запомина­ющих ячеек реализовать высокое быстродействие ЗУ по приему и выдаче цифровых кодов. Поэтому в ЦВМ используется иерар­хический принцип построения ЗУ, когда на определенной ступени иерархии выделяются и удовлетворяются наиболее важные част­ные технико-экономические требования.

Для обеспечения приема и выдачи кодов чисел со скоростью, сравнимой со скоростью обработки информации в АЛУ, в состав ЦВМ вводят оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). ОЗУ обладает высоким быстродействием и предназначено для хране­ния умеренных массивов оперативной информации, потребляемых АЛУ в процессе выполнения программы решения задач.

Большие массивы информации, а также архивные данные раз­мещаются во внешних запоминающих устройствах (ВЗУ), работа­ющих значительно медленнее ОЗУ, но имеющих большую инфор­мационную емкость. Процессы обращения к ОЗУ и ВЗУ принци­пиально различны: ОЗУ имеет произвольный порядок доступа, т. е. запись или извлечение информации из любой запоминающей ячейки происходит за одно и то же время; ВЗУ позволяет после­довательно записывать и считывать только достаточно большие массивы информации. При этом передача отдельных единиц ин­формации внутри массива идет со значительно большими скоро­стями, чем поиск места расположения массива на носителе инфор­мации при считывании или записи. Поиск требуемого массива и передача" данных внутри массива в ВЗУ всегда происходят с меньшей скоростью, чем в ОЗУ. Однако информационная ем­кость ВЗУ значительно больше информационной емкости ОЗУ.

При работе ЦВМ некоторая часть информации остается неиз­менной. Поэтому часто используемые физические константы, таб­лицы коэффициентов некоторых специальных функций или стан­дартные подпрограммы могут быть записаны в постоянное запо­минающее устройство (ПЗУ), допускающее только быстрое счи­тывание информации по произвольным адресам информационного поля. Запись информации в ПЗУ осуществляется электрическим или механическим способом в процессе изготовления ПЗУ. В по-лупостоянных или перепрограммируемых запоминающих устрой­ствах (ППЗУ) информация может многократно изменяться вне машины или в ней, но со скоростью, как правило, значительно меньшей скорости считывания.

В высокопроизводительных ЦВМ в состав АЛУ также вклю­чают сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ), име­ющие сравнительно малую информационную емкость и цикл ра­боты, приблизительно равный циклу выполнения арифметических и логических операцийИспользование иерархии ЗУ позволяет организовать движе­ние информации в машине таким образом, чтобы АЛУ всегда име­ло возможность использовать необходимую информацию без. потери времени на ожидание. На верхних ступенях иерархии ЗУ применяются чисто электронные полупроводниковые или быстро­действующие магнитные СОЗУ и ОЗУ. В качестве внешних запо­минающих устройств (ВЗУ) наибольшее применение нашли элек­тромеханические запоминающие устройства на магнитных носите­лях информации.

Устройства ввода—вывода информации (УВВ) ЦВМ. Устрой­ства ввода — вывода обеспечивают считывание с носителей инфор­мации и передачу в ЗУ исходной и командной информации, а так­же вывод результатов в документальной форме, т. е. зафиксиро­ванными на носителе информации. В состав УВВ входят устрой­ства ввода и устройства вывода информации. Эти устройства по своей природе в основном являются электромеханическими и име­ют низкую скорость работы.

Как правило, наборы УВВ, а также ЗУ зависят от выполняе­мых машиной функций и определяются в каждом конкретном слу­чае отдельно. В типичном случае используется от десяти до сотни УВВ в одной ЦВМ.

Устройство управления (УУ) ЦВМ. Устройство управления предназначено для приема и интерпретации кода команды, а так­же выработки последовательности всех функциональных управ­ляющих сигналов для выполнения операций, задаваемых коман­дой. Кроме того, УУ анализирует ход решения задач, производит по мере необходимости модификацию команд и управляет после­довательностью выполнения машиной команд программы в соот­ветствии с заданным алгоритмом. Работа УУ обеспечивает авто­матическую обработку, цифровой информации. УУ является чисто электронным быстродействующим устройством.

Пульт управления (ПУ) ЦВМ. Пульт управления служит для связи оператора с машиной .посредством приема и индикации сиг­налов на технических средствах пульта, а также считывания и уче­та в процессе работы сигналов, набираемых оператором на его клавиатуре.

Взаимодействие устройств ЦВМ. Программа работы ЦВМ. и исходные данные записываются на носитель информации с по­мощью устройств подготовки данных. Затем на устройстве ввода (УВв) информация считывается и передается в • память машины. В программе заложены команды, обеспечивающие контроль пра­вильности информации, записываемой в память. Поскольку ОЗУ имеет ограниченную информационную емкость, часть' информации размещается в ВЗУ, откуда извлекается по мере необходимости в процессе вычислений. Процесс вычислений начинается после пе­редачи оператором вручную с ПУ в УУ номера ячейки ЗУ, где записана первая команда программы. УУ вырабатывает сигналы, по которым в ОЗУ находится требуемая ячейка и из нее извле­кается код первой команды. Последняя определяет, что должна сделать ЦВМ над кодами чисел, адреса которых в ОЗУ опреде­лены командой; адрес ячейки ОЗУ, куда надо отправить резуль­тат операции, и номер ячейки ОЗУ, где необходимо взять код сле­дующей команды программы. Если анализ результата операции требует изменения хода вычислений, то УУ автоматически изме­няет адрес ОЗУ, по которому извлекается код следующей команды.

Выполнив считывание из ОЗУ одного или двух числовых ко­дов, УУ направляет их в АЛУ. Затем туда же подается совокуп­ность распределенных в пространстве и времени функциональных импульсов, вызывающих передачу информации внутри АЛУ таким образом, чтобы получить заданное командой преобразование информации. По мере переработки информации промежуточные результаты хранятся в ОЗУ, а окончательные—'в ОЗУ или ВЗУ. Последние команды программы определяют операции передачи • информации из ЗУ в устройства вывода информации, где "инфор­мация фиксируется на некоторый носитель информации в форме, удобной для восприятия человеком или машиной, если есть необ­ходимость последующего ввода полученной информации в ЦВМ.

В ЦВМ первых поколений рассмотренный выше последователь­ный характер выполнения команд программы вычислений приво­дил к недостаточной эффективности использования аппаратных средств машины и к ее низкой производительности. Практически в любой отрезок времени свои рабочие функции осуществляет лишь одно устройство, остальную ^асть времени оно находится в режиме ожидания. При вводе или выводе информации в неко­торых ЦВМ цифровые коды передавались через АЛУ, причем аппаратные средства АЛУ при этом использовались только ча­стично. Сами операции ввода—вывода выполнялись с невысокой скоростью вследствие низкого быстродействия УВВ. Таким обра­зом, использование ЦВМ первых поколений позволило выявить и поставить две проблемы, определяющие неэффективное исполь­зование аппаратных средств ЦВМ: противоречие между высокой скоростью преобразования информации в АЛУ и низкой скоро­стью работы УВВ и последовательный характер работы основных устройств.

Для освобождения АЛУ от 'непосредственного участия в про­цессе ввода—вывода информации необходимо было развить мест­ные средства управления оперативной памятью и осуществить ввод—вывод информации по цепям, минуя аппаратные средства АЛУ.

На рис. 1.2 приведена логическая структура ЦВМ первых по­колений, на которой в отличие от структуры, изображенной на рис. 1.1, показана прямая связь устройства ввода УВв информа­ции с ОЗУ (жирными стрелками представлены потоки информа­ции, подлежащие обработке, а тонкими стрелками—направления передачи командной информации и управляющих сигналов, У Выв—устройство вывода).

В ЦВМ третьего поколения, логическая структура которых приведена на рис. 1.3, достигнуто существенное повышение эффек­тивности аппаратных средств и производительности ЦВМ. В ло­гической структуре ЦВМ третьего поколения можно отметить сле­дующие основные устройства и группы устройств: процессоры П, обычно имеющие название центральных процессоров, секционные ОЗУ, состоящие из нескольких функционально законченных уст­ройств, селекторные С/С и мультиплексные каналы МК, местные устройства управления МУУ устройствами (аппаратами) ввода— вывода информации (ABB).

Централизованное управление работой всех устройств маши­ны, приводящее к их последовательному функционированию, заме няется автономным управлением в каждом функциональном устройстве таким образом, чтобы оно могло осуществлять свои специфические функции независимо от остальных частей ЦВМ или ВС. Основная часть ЦВМ, непосредственно осуществляющая процесс обработки данных и управляющая им, называется про­цессором. Процессор структурно содержит 'в себе арифметическо-логическое устройство АЛУ, выполняющее арифметические и ло­гические действия над данными, и устройство управления УУ, выполняющее функции управления для обеспечения взаимодей­ствия составных частей ЦВМ. Один из процессоров (или един­ственный процессор ЦВМ или ВС) обычно называют централь­ным процессором (часть функций УУ, централизующих работу всех устройств машины или системы, оставлена за этим процес­сором) . В ЦВМ и ВС могут быть и другие процессоры — перифе­рийные процессоры, осуществляющие функции предварительной обработки информации, вводимой и выводимой с УВВ.

Рис. 1.3. Логическая структура ЦВМ третьего поколения

Рис. 1.2. Логическая структу­ра ЦВМ первых поколений

{/spoilers}