Данному образовательному сайту пришлось несколько раз менять свое имя. С 2011 года доступ к нему обеспечивается по URL
http://educomp.runnet.ru

emc.km.ru (2001-2007) ==> educomp.org.ru (2007-2011) ==> educomp.runnet.ru (2011-...)
Более подробно об истории сайта можно прочитать здесь.


Учебные модели компьютера



Модели (software):

"Е14" (parallel !!!)

Модели (hardware):






Награды сайта
Награды сайта
Опубликовано в рубрике
"На стенд"

Функциональные блоки ЭВМ

Историки утверждают, что первым человеком, сформулировавшим идею о машине, которая может производить вычисления автоматически (т.е. без непосредственного участия человека благодаря заложенной программе) был Чарльз Бэббидж 1. Он не просто провозгласил неочевидную в то время идею автоматической вычислительной машины, но и посвятил всю свою жизнь ее разработке. Одна из его заслуг состояла в том, что он предвосхитил функциональное устройство вычислительных устройств. По замыслу Бэббиджа, его аналитическая машина имела следующие функциональные узлы [1]:

  • "склад" для хранения чисел (по современной терминологии память);
  • "мельница" (арифметическое устройство);
  • устройство, управляющее последовательностью операций в машине (Бэббидж не дал ему названия, сейчас используется термин устройство управления);
  • устройства ввода и вывода данных.

Идеи Бэббиджа на десятилетия опередили появление пригодной для практической реализации вычислительных машин элементной базы – реально работающие конструкции появились лишь в середине XX века. Фундаментальные принципы архитектуры ЭВМ были обобщены и систематическим образом изложены в 1946 в классической статье А. Беркса, Г. Голдстейна и Дж. Неймана "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства" 2. В ней, в частности, четко и логично обосновывалась структура ЭВМ.

"Очевидно, что машина должна быть способна запоминать некоторым образом не только цифровую информацию, необходимую для данного вычисления..., но также и команды, управляющие программой, которая должна производить вычисления над этими числовыми данными. В специализированной вычислительной машине эти команды являются неотъемлемой частью устройства и составляют часть его конструкции. В универсальной машине должна быть возможность отдать приказ устройству произвести вообще любое вычисление… Следовательно, в машине должен быть некоторый орган, способный хранить эти приказы программы. Кроме того, должно быть устройство, которое может понимать эти команды и управлять их выполнением."
"Выше мы в принципе указали на два различных вида памяти – память чисел и память приказов. Если, однако, приказы машине свести к числовому коду..., то орган памяти можно использовать для хранения как чисел, так и приказов."
"Если память для приказов является просто органом памяти, то должен существовать еще орган, который может автоматически выполнять приказы, хранящиеся в памяти. Мы будем называть этот орган управлением."
"Поскольку наше устройство должно быть вычислительной машиной, в нем должен иметься арифметический орган" – "устройство, способное складывать, вычитать, умножать, делить. Мы увидим также, что оно может выполнять и другие операции, которые встречаются довольно часто."
"Наконец, должен существовать орган ввода и вывода, с помощью которого осуществляется связь между оператором и машиной."

Приведенная выше цитата из [2] отчетливо показывает, что все функциональные блоки ЭВМ имеют вполне естественное назначение и образуют простую и логически обоснованную структуру. Последняя оказалась настолько удачной, что во многом сохранилась вплоть до наших дней. Для нее даже используется общепринятое название фон-неймановская архитектура.

Примечание. Строго говоря, Джон фон Нейман не является автором всех принципов архитектуры (подробнее см., например, в книге [4]), но, тем не менее, в литературе данный термин широко используется.

Таким образом, любая вычислительная машина содержит в себе следующие функциональные блоки:

  • арифметико-логическое устройство АЛУ;
  • устройство управления УУ;
  • различные виды памяти;
  • устройства ввода информации и
  • устройства вывода информации.

В связи с огромными успехами в миниатюризации электронных компонентов, в современных компьютерах АЛУ и УУ удалось конструктивно объединить в единый узел – микропроцессор. Вообще термин процессор почти повсеместно, за исключением детальной литературы, вытеснил упоминания о своих составляющих АЛУ и УУ.

Если сам перечень функциональных блоков более чем за полвека практически не изменился, то способы их соединения и взаимодействия претерпели некоторое эволюционное развитие.

Согласно классической фон-неймановской схеме, преобладавшей в 1-2 поколениях, центром архитектуры ЭВМ являлся процессор (см. схему 1).

Схема ЭВМ 1-2 поколения

Схема 1. Функциональное устройство ЭВМ 1-2 поколения
(жирными стрелками показаны управляющие воздействия, а тонкими – направления информационных потоков)

Из приведенной схемы отчетливо видно, что центром такой конструкции является процессор. Во-первых, он управляет всеми устройствами, а во-вторых, через него проходят все информационные потоки. Описанной системе по определению присущ принципиальный недостаток – процессор оказывается чрезмерно перегруженным. Полностью регулируя обмен между всеми устройствами, он часто вынужден пассивно ожидать окончания ввода с медленных (как правило, содержащих механические части) устройств, что существенно снижает эффективность работы всей системы в целом.

Возникшее противоречие между постоянно растущей производительностью процессора и относительно низкой скоростью обмена с внешними устройствами стало отчетливо заметно уже во время расцвета вычислительной техники второго поколения. Поэтому при проектировании следующего, третьего, поколения инженеры начали принимать специальные меры для "разгрузки" процессора и его освобождения от детального руководства вводом/выводом.

На схеме 2, взятой из [5], приведена типичная схема ЕС ЭВМ – большой вычислительной машины коллективного пользования 3 поколения. На ней появляются новые устройства – каналы, которые руководят работой внешних устройств. Для всех медленных устройств (типа перфокарточных или алфавитно-цифрового печатающего устройства АЦПУ) предназначается отдельный мультиплексный канал, а для более быстродействующих устройств на магнитных лентах МЛ и магнитных дисках МД – несколько селекторных. По заданию центрального процессора каждый из каналов способен осуществлять операции обмена информацией, причем уже без дополнительного участия процессора.

Схема ЭВМ 3 поколения

Схема 2. Функциональное устройство ЕС ЭВМ, принадлежащей к 3 поколению

Описанным образом центральный процессор освобождается от постоянного руководства работой внешних устройств: он только «выдает задание» необходимому каналу, и последний берет на себя полный контроль за деталями обмена.

Переход к четвертому поколению ЭВМ не только сопровождался многократным повышением плотности монтажа в микросхемах, но и изменением общей стратегии применения вычислительной техники. На смену громоздким ЭВМ коллективного пользования пришли персональные компьютеры, предназначенные прежде всего для индивидуальной работы отдельных пользователей. Архитектура при этом продолжила свое развитие и совершенствование в направлении освобождении процессора от руководства процессами ввода/вывода. В результате современный ПК приобрел структуру, приведенную на схеме 3.

Схема ЭВМ 4 поколения

Схема 3. Функциональное устройство ПК 4 поколения

Главной особенностью такой схемы является наличие выделенной шины (магистрали) для передачи информации между функциональными узлами компьютера. Она состоит из трех частей:

  • шина адреса, определяющая, куда именно направляется информация по шине;
  • шина данных, по которой передается информация;
  • шина управления, определяющая особенности обмена и синхронизирующая его.

К шине подсоединяются все устройства компьютера, начиная от процессора и кончая устройствами ввода и вывода. Существенной особенностью архитектуры ПК является наличие специализированных процессоров ввода/вывода, которые называются контроллерами. Их роль заключается в поддержке процессов обмена информацией для данного устройства, а также в согласовании со стандартной шиной всевозможных внешних устройств различных производителей.

Примечание. На схеме 3 пунктиром показана видеопамять, которая присоединена к общей магистрали. Подобное архитектурное решение применяется, например, на некоторых интегрированных платах. Однако в большинстве компьютеров видеопамять входит в состав контроллера дисплея (его плату в быту обычно называют видеокартой). При первоначальном знакомстве данный блок можно не рассматривать.

Благодаря шинной архитектуре в конфигурацию компьютера легко внести любые требуемые конкретному пользователю изменения.

Описанная схема также имеет "узкое место" – она требует высокой пропускной способности шины. Для преодоления указанной трудности в современных конструкциях используется несколько шин, каждая из которых связывает процессор с определенным устройством или группой устройств.

Литература

  1. Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. От абака до компьютера. М.: Знание, 1975, 192 с.
  2. Беркс А., Голдстейн Г., Нейман Дж. Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства // Кибернетический сборник, вып. 9. М.: Мир, 1964.
  3. Еремин Е.А. Развитие принципов фоннеймановской архитектуры (От "Предварительного рассмотрения..." до современных достижений). / Информатика, N 24, 2004, с.1-32.
  4. Частиков А.П. Архитекторы компьютерного мира. СПб.: БХВ-Петербург, 2002, 384 с.
  5. Кетков Ю.Л., Максимов В.С., Рябов А.Н. Введение в системное программирование на языке ассемблера ЕС ЭВМ. М.: Наука, 1982, 264 с.


1 в литературе встречаются различные варианты русского написания фамилии Babbadge

2 русский перевод опубликован в [2]; читатели газеты могут также обратиться к подробному анализу статьи в прошлогоднем летнем номере [3]


Продолжение см. в материалах для учителя.


© Е.А.Еремин, 2005
Публикация:
Еремин Е.А. Функциональные блоки ЭВМ. "Информатика", 2005, N 3, с.24-25.


Автор сайта - Евгений Александрович Еремин (Пермский государственный педагогический университет). e_eremin@yahoo.com