Лекция 3 Вычислительные машины

Цель лекции:
Рассмотреть систематизированные основы знаний по организации обработки данных, структуре и архитектуре ЭВМ
Лекция 3
Алгоритмическая модель фон-Неймана

Учебные вопросы
Многоступенчатая обработка данных
Структурная организация и архитектура ЭВМ

Язык человеческого
общения (образы)
Машинный язык
(0010…101010)
1. Многоступенчатая обработка данных
Участники вычислительного процесса
Транслятор

Участники процесса обработки данных
Пользователь
Системный программист
Инженер системотехник
Инженер проектировщик
Программирование
Компиляция
Трансляция
Компиляция / трансляция
Микропрограммирование
Логическое проектирование

Уровни обработки данных
Анализ задачи. Формирование спецификации обработки.
Изучение алгоритма. Написание программы на ЯВУ
Программа, ориентированная на ресурсы ЭВМ
Мультипрограммная обработка. Управление памятью
Преобразование программы в набор машинных команд
Представление маш. команды в виде совокупности микроопераций, выполняемых в тракте данных (АЛУ+Рг)
Выполнение микроопераций в комбинационных и последовательностных схемах

Структура:
Характеристики, определяющие детали аппаратной реализации:
• количество функциональных блоков (БОД),
• принципы построения УУ,
• набор сигналов управления,
• технология функционирования памяти.
Архитектура:
Характеристики системы, доступные извне (со стороны программы):
• набор машинных команд,
• формат машинных команд,
• формат данных,
• способы адресации и т.д.
2. Структурная организация и архитектура ЭВМ

Архитектура компьютера
Архитектура – принципы действия и взаимосвязи основных устройств компьютера (процессора, ОЗУ, внешних устройств).
Принстонская архитектура (фон Неймана):
процессор
ОЗУ
(программа
и данные)
устройства
вывода
устройства
ввода
прямой доступ
к памяти
Гарвардская архитектура – программы и данные хранятся в разных областях памяти.
прямой доступ
к памяти
скорость (одновременно читаем команду и данные)
нужно больше контактов у процессора

Архитектуры компьютеров
фон Неймана
многомашинная
(независимые задачи)
многопроцессорная
(части одной задачи,
по разным программам)
параллельные процессоры
(части одной задачи, по одной программе)

Концепция ВМ с хранимой в памяти программой
принципы фон-Неймана (John von Neumann) :
• Принцип двоичного кодирования: вся информация (команды и данные) кодируются двоичными цифрами 0 и 1 и имеют свой формат,
• Принцип программного управления: программа описывает выполняемые действия и представлена последовательностью управляющих слов – команд,
• Принцип однородности памяти: команды и данные хранят в одной памяти и внешне они неразличимы (принстонская и гарвардская архитектуры),
• Принцип адресности: память состоит из ячеек, в которых хранят единицы информации (слова). Для доступа к информации используют адрес – номер соответствующей ячейки.

Структура и функции компьютера
Структура – набор компонентов системы и способ объединения их в единое целое.
Функции - операции, выполняемые каждым компонентом в процессе реализации команды.
Рассмотрение сложных систем
Анализ – с точки зрения описания,
Синтез – с точки зрения проектирования.

Подходы анализа и синтеза
Восходящий (снизу вверх) – рассматривают функции элементов самого низкого уровня, поднимаясь затем по уровням иерархии (p-n-переход, транзистор, БЛЭ, сумматор, АЛУ, процессор, ЭВМ).
Нисходящий (сверху вниз) – рассматривают систему в целом, выделяя в ней независимые подсистемы (ЭВМ, процессор, ...).

Функции компьютера (верхний уровень абстракции)
• обработка данных,
• хранение данных,
• перемещение данных,
• управление процессами.

Структура компьютера (верхний уровень абстракции)
• центральный процессор
(обработка данных),
• оперативная память
(хранение данных),
• системная магистраль
(перемещение данных),
• устройство управления
(управление процессами).

Устройства
ввода-
вывода
Системная
магистраль
Оперативная
память
Центральный
процессор
Регистры
АЛУ
Внутренние
шины
Устройство
управления
Иерархическая структура компьютера
Микро-
программная
память
Управляющий
автомат
Регистры и
дешифраторы