Лекция "Принципы построения технических средств информатизации"

Основные принципы построения ЭЦВМ были сформулированы в 1947г Дж.фон-Нейманом и сохранили свое значение до настоящего времени. Важнейшими из них являются следующие.

1 принцип
Для хранения информации в ЭВМ служит память, для обработки информации - процессор.

2 принцип
Иерархическое построение памяти ЭВМ: память состоит из нескольких запоминающих устройств (ЗУ), различающихся емкостью и быстродействием. Самое быстрое ЗУ - сверхоперативное (СОЗУ), имеющее емкость в несколько машинных слов (или нескольких десятков, редко - сотен или тысяч) и быстродействие, равное быстродействию процессора. Обычно СОЗУ размещается в кристалле микропроцессора. Это - одно из наиболее дорогих ЗУ.

Близка по быстродействию к СОЗУ основная память ЭВМ (ОП). Ее объем превышает десятки тысяч байт. ОП является "полностью электронной" памятью, но выполняется на отдельных микросхемах, доступ микропроцессора к которым осуществляется через системную магистраль, в связи с чем время обращения к ней по сравнению с СОЗУ увеличивается в 2-10 раз.

Для хранения больших массивов информации и редко используемых программ служат внешние ЗУ (ВЗУ) - накопители. В зависимости от конструкции носителя информации получили распространение ВЗУ трех типов: накопители на жестком магнитном диске (НМД), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на магнитных лентах (НМЛ, в качестве которых часто используются стриммеры). Все они относятся к ЗУ электромеханического типа, в связи с чем для них характерна значительно меньшая скорость работы. Но емкость этих ЗУ значительно превышает емкость ОП, а стоимость их (в расчете на единицу информации) значительно ниже.

3 принцип
Для внутреннего хранения и преобразования числовой информации должна использоваться двоичная система счисления. Для характеристики объема информации при этом используется двоичный символ - бит, который может принимать значения: 0 или 1.

При больших объемах и при выполнении специфических машинных операций используются производные от бита единицы информации:
  • триада - 3 бита (используется для перевода из двоичной в восьмиричную систему счисления и обратно);
  • тетрада - 4 бита (используется для перевода из двоичной в шестнадцатеричную систему счисления и обратно, и для представления шестнадцатеричных (Hexadecimal, или сокращенно - "Hex") цифр;
  • байт - 8 бит (используется в большинстве ЭЦВМ в качестве основной единицы информации при размещении ее в запоминающих устройствах. Восьмибитная единица информации применяется для кодирования - т.е. представления в виде двоичного числа - алфавитно-цифровых символов, математических знаков, знаков пунктуации, символов псевдографики, и специальных управляющих символов, и позволяет закодировать 256 различных символов. При работе только с шестнадцатеричными цифрами в одном байте размещается две тетрады, т.е. две шестнадцатеричных цифры).

При большом объеме запоминающего устройства применяются производные от байта единицы информации:
  • 1 Кбайт = 1024 байта (здесь буква "К" является аналогом приставки "кило", которая в физике используется для укрупнения единицы в 1000 раз. Но десятичное число "1000" при переводе в двоичную систему счисления не является"круглым" числом (т.е. не представляется единицей с нулями). Ближайшим "круглым" числом является десятичное 1024 - в двоичной системе счисления это 1 с десятью нулями);
  • 1 Мбайт = 1024 Кбайт ( "М" эквивалентно приставке "мега" в физике);
  • 1 Гбайт = 1024 Мбайт ( "Г" эквивалентно приставке "гига");
  • 1 Тбайт = 1024 Гбайт ( "Т" эквивалентно приставке "терра").
При обработке информации применяются другие машинные единицы информации, являющиеся производными бита: машинное слово, полуслово и двойное слово. Но размер этой единицы зависит от типа применяемого процессора. Так в ЭЦВМ, построенных на микропроцессоре i80486 длина машинного слова - 32 бита или 4 байта (полуслова - 16 бит, двойного слова - 64 бита).

4 принцип
Принцип адресности памяти: вся память разделена на ячейки, каждая из которых хранит одну единицу информации (чаще всего - байт, но может быть и слово, полуслово, двойное слово). Каждая ячейка имеет свой уникальный номер, который называется ее адресом. При обращении к памяти указывается адрес - т.е. номер ячейки, в которую нужно поместить или из которой нужно прочитать число.

5 принцип
Арифметическое устройство ЭЦВМ должно строиться на основе единых схем для выполнения всех операций. В этом случае не требуется отдельных устройств для выполнения операций сложения, вычитания, умножения, и др., что сокращает объем оборудования и его стоимость.

6 принцип
Принцип программного управления:
  1. работой ЭВМ управляет программа, состоящая из отдельных команд;
  2. программа размещается вместе с данными в основной памяти ЭВМ;
  3. каждая команда хранится в отдельной ячейке памяти (или группе смежных ячеек) и имеет свой адрес;
  4. все команды имеют одинаковую структуру. Они состоят из двух частей: кода операции и адресной части. Код операции определяет, какую команду нужно выполнить. Адресная часть определяет, где хранятся операнды - т.е. обрабатываемые данные, и куда необходимо поместить результат операции.
В зависимости от количества используемых в команде операндов различаются одно-, двух-, трех-, четырехадресные, и безадресные команды.

В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операндов. Второй операнд должен быть помещен заранее в арифметическом устройстве (для этого в систему команд вводятся специальные команды пересылки данных между устройствами).

В двухадресных командах оба операнда перед выполнением операции находятся в памяти, поэтому их адреса указываются в команде. После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, а находившийся там операнд теряется.

В трехадресных командах два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий - куда необходимо поместить результат.

В четырехадресных командах три адреса используются для указания исходных операндов и результата, а четвертый - для указания адреса следующей команды.

В безадресных командах обычно обрабатывается один операнд, который до и после операции находится в арифметическом устройстве (в память не пересылается). Кроме того, безадресные команды используются для выполнения служебных операций (очистить экран, заблокировать клавиатуру, снять блокировку, и др.).
  1. все команды программы выполняются последовательно, команда за командой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный порядок следования команд). Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений.
Для организации разветвлений, циклического выполнения участков программы, есть команды, нарушающие естественный порядок. К ним относятся: безусловная передача управления (или "безусловный переход"), условная передача управления (т.е. переход, если выполняется заданное условие), обращение к подпрограмме (т.е. "переход с возвратом"), циклические операции. Кроме того, естественный порядок следования команд не соблюдается в машинах, использующих четырехадресные команды - в этом случае некоторые из команд передачи управления упраздняются.

При явном указании адреса следующей команды реализуется "принудительный" порядок следования команд. Он возможен только если программа размещается в доступной процессору части основной памяти. Поскольку при этом команды (с точки зрения процессора) ничем не отличаются от данных, в процессе выполнения программы ее команды можно изменять (модифицировать), что повышает гибкость программирования и универсальность ЭВМ.


Comments