Принцип автоматического исполнения программ в ЭВМ

Содержание:

Введение

В 1945 году математик Джон фон Нейман разработал основные принципы функционирования ЭВМ. С той поры компьютерные технологии прошли огромный путь и достигли совершенства по многим направлениям развития, как аппаратных, так и программных средств.В последнее десятилетие в России бурно осуществляется информатизация и компьютеризация всех сфер человеческой деятельности. Компьютеры или электронные вычислительные машины (ЭВМ), оснащенные специальным программным обеспечением, являются технической базой и инструментом для вычислительных, информационных и автоматизированных систем во всех сферах жизни. Это предопределило запуск в реализацию нацпроекта "Цифровая экономика".

В нацпроекте "Цифровая экономика" выделяются девять "сквозных" цифровых технологий: "большие данные" (big data), нейротехнологии и искусственный интеллект, системы распределенного реестра (блокчейн), квантовые технологии, новые производственные технологии, промышленный интернет, компоненты робототехники и сенсорика, технологии беспроводной связи (в частности, 5G), технологии виртуальной и дополненной реальности (VR и AR). Эти технологии считаются наиболее перспективными, их применение ведет к радикальным изменениям существующих рынков, а также к появлению новых. Президентом России поставлена очень амбициозная задача вхождения России в число стран широко использующих перечисленные технологии, включая искусственный интеллект. Основой реализации всех этих программ является использование компьютеров. Рассмотрим их характеристики, существенные параметры и принципы выполнения программ.

Схема построения и принципы работы ЭВМ

Любая ЭВМ неймановской архитектуры содержит следующие основные устройства:

• • арифметико-логическое устройство (АЛУ);
• • устройство управления (УУ)
• • запоминающее устройство (ЗУ, ОЗУ, ПЗУ, ВЗУ);
• • устройства ввода-вывода (УВв, УВыв);
• • систему управления (ПУ).

В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором. Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений, отвечающая программному принципу управления, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователь вводит в ЭВМ программы и данные. Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) - жесткий диск, предназначенное для длительного хранения информации в виде файла. Кроме того, для хранения и первоначальной загрузки операционной системы информация хранится в постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ).При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программа команда за командой считывается в устройство управления (УУ). Устройство управления предназначается для автоматического выполнения программ путем синхронизации всех остальных устройств ЭВМ. Управляющие сигналы показаны на рис.1 малыми штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяется код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции. Ядро ЭВМ образуют: процессор и основная память (ОП) (поскольку на их основе реализуется ППУ), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается через соответствующие контроллеры - специальные устройства управления периферийными устройствами. При построении и обеспечения взаимодействия между различными устройствами в современных ЭВМ используется система шин. Большинство технологических усовершенствований определяющих в значительной степени поколения процессоров, связано прежде всего именно с изменениями в шинной организации. Схема поясняющая место системной шины в общей иерархии приведена на рис.2.

Рис. 2. Структурная схема ЭВМ

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ: модульность построения, магистральность, иерархия управления.Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком диске и другие).Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность увеличения вычислительной мощности, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей. В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились вычислительные системы, содержащие несколько вычислителей, работающих согласованно и параллельно. Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более мощную. Это обеспечивается информационной, аппаратурной и программной совместимостью. Программная совместимость в семействах устанавливается по принципу снизу- вверх, т. е. программы, разработанные для ранних и младших моделей, могут обрабатываться и на старших, но не обязательно наоборот. Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ЭВМ. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессор использует собственную намять небольшого объема, именуемую местной, или сверхоперативной, или регистровой. Использование такой памяти в процессе выполнения команд исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ.Микропроцессоры отличаются друг от друга прежде всего типом, разрядностью, быстродействием, системой организации внутренних шин и процессов обработки и взаимодействия. Наиболее распространены модели процессоров компании Intel, выпускающей уже несколько поколений процессоров. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций(тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции (например, сложение или умножение) за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода информации в ЭВМ и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с машиной. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти ЭВМ. Иногда устройства ввода-вывода называют периферийными, или внешними, устройствами ЭВМ. К ним относятся, в частности, дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы типа «мышь», алфавитно-цифровые печатающие устройства (принтеры), графопостроители, сканеры и др. Для управления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устройствами, адаптеры или контроллеры. Связь между устройствами ЭВМ осуществляется с помощью сопряжений, которые в ВТ называются интерфейсом. Интерфейс представляет собой совокупность стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информацией между устройствами. В основе построения интерфейсов лежит унификация и стандартизация. Системный интерфейс - это конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для взаимодействия ее устройств и обмена информацией между ними. В больших, средних и супер-ЭВМ в качестве системного интерфейса используются сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода, именуемые каналами. Такие устройства обеспечивают высокую скорость обмена данными между компонентами ЭВМ. Отличительной особенностью малых ЭВМ является использование в качестве системного интерфейса системных шин. Различают ЭВМ с многошинной структурой и с общей шиной. В первых для обмена информацией между устройствами используются отдельные группы шин, во втором случае все устройства ЭВМ объединяются с помощью одной группы шин, в которую входят подмножества шин для передачи данных, адреса и управляющих сигналов. При такой организации системы шин обмен информацией между процессором, памятью и периферийными устройствами выполняется по единому правилу, что упрощает взаимодействие устройств машины. В персональных компьютерах, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, используется структура с шинным интерфейсом: все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через шину. Шина представляет собой систему функционально объединенных проводов, обеспечивающих передачу трех потоков: данных, адресов и управляющих сигналов (рис. 2). Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи данных, называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет число битов информации, которые могут передаваться по шине одновременно. Количество проводов для передачи адресов, или адресных линий, определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Как уже было отмечено выше ядро вычислительной системы, наряду с процессором входит электронная память. Внутренняя, или основная_у память - это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины. Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память. Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимое постоянной заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы, и данные, к примеру, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется. Для построения ОЗУ, ПЗУ, регистровых ЗУ в настоящее время широко применяют полупроводниковые интегральные микросхемы, выполняемые по специальной полупроводниковой технологии с применением интегральных схем (ИС). Принципы организации элементов памяти на базе ИС приведены на рис.3.

Рис.3 Рис.4

На рисунках 3 и 4 изображены микросхемы памяти как функциональных узлов: рис.3 ОЗУ, рис. 4 ПЗУ. Основной составной частью микросхемы ОЗУ является массив элементов памяти, объединённых в матрицу накопителя. Элемент памяти (ЭП) может хранить один бит информации. Каждый ЭП обязательно имеет свой адрес. Для обращения к ЭП необходимо его “выбрать” с помощью кода адреса, сигналы которого подводят к соответствующим выводам микросхемы. ПЗУ построено аналогично, а функции ЭП в микросхемах ПЗУ выполняют перемычки в виде проводников. Понимание процессов хранения и считывания данных в памяти машины является важнейшим условием для понимания принципов программного управления ЭВМ.

Принцип программного управления

Вычислительные процессы в любой ЭВМ представлены в виде программы, представляющей собой - последовательности инструкций (команд), записанных в требуемом порядке выполнения в память машины. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же и выбирает из из ЗУ необходимые данные – операнды, подлежащие обработке. Таким образом формируется так называемое машинное слово, содержащее несколько различных полей данных. Несколько вариантов различных машинных слов и общий вид команды приведены на рис.5.

а

Операционная Адресная часть

часть

б

в

г

д

е

Рис.5 Структуры команд:

а – обобщенная; б – четырехадресная; в – трехадресная;

г – двухадресная; д – одноадресная; е – безадресная

Общий вид команды машины может быть таким: К А1 А2 А3, где К - код действия, а А1, А2, А3 - адреса ячеек памяти. Для выполнения команд служит специальное арифметико-логическое устройство (АЛУ) . Оно состоит из двух особых ячеек - счётчика команд и регистра команд, а также сумматора. При выполнении ЭВМ программы в счётчик команд последовательно заносятся номера ячеек, где содержатся исполняемые команды, сами команды помещаются в регистр команд, а в сумматоре происходят арифметические действия. Сумматор также имеет свою ячейку - для промежуточных результатов вычислений. Отметим, что команды современных ЭВМ могут занимать несколько ячеек памяти. Кроме представленного счётчика команд могут использоваться и другие способы определения порядка выполнения команд, хранящихся в памяти машины. Так широко используется принцип микропрограммного управления, при котором часть машинного слова определяет адрес ячейки хранящей следующую команду, либо регистровую или косвенную регистровую адресацию на основании информации которых вычисляется адрес следующей команды. В общем случае память машины в упрощенном виде можно представить как длинную страницу, состоящую из отдельных строк. Каждая такая строка, как было показано выше, называется ячейкой памяти, и в свою очередь, разделяется на разряды. Все ячейки памяти занумерованы. Наличие у каждой ячейки адреса позволяет отличать ячейки друг от друга, обращаться к любой ячейке, чтобы записать в неё новую информацию или извлечь ту информацию, которая в ней хранится. Содержимым любого разряда может быть либо нулём 0, либо единицей 1. Значит, в любую ячейку памяти записывается некоторый набор нулей и единиц, составляющих машинное слово. Таким образом наличие пронумерованных ячеек памяти, содержащих машинные слова кодов программы и способности процессоров интерпретировать и определять адрес следующей исполняемой команды, реализуют принцип автоматического программного выполнения команд программы без участия человека.

Современные процессоры имеют разветвленную систему команд, которая очень упрощенно может быть разделена на команды:

1. АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ - это такие операции, как сложение, вычитание, умножение, деление и другие.

2. ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ - это такие операции, как сравнение, отредактировать и отметить, логическое И и логическое ИЛИ, исключение, проверка по маске и прочее.

3. ОПЕРАЦИИ ВВОДА-ВЫВОДА - это такие операции, как начать, остановить, опросить устройства ввода-вывода, опросить каналы и так далее.

4. ОПЕРАЦИИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СОСТОЯНИЯ - это такие операции, как проверить и установить, загрузить реальные адреса и так далее.

Любую задачу компьютер разбивает на отдельные логические операции, производимые над двоичными числами, причем в одну секунду осуществляются сотни тысяч или миллионы таких операций. Сложение, вычитание, умножение и деление элементарные операции, выполняемые А Л У ЭВМ. Помимо арифметического устройства АЛУ включает и логическое устройство, предназначенное для операций, при осуществлении которых отсутствует перенос из разряда в разряд. Иногда эти операции называют логическое И и логическое ИЛИ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах специально отведенных ячейках АЛУ. Время выполнения простейших операций определяется минимальным временем сложения двух операндов, находящихся в регистрах. В случае, если одно или оба слагаемых находятся не в регистра, а в запоминающем устройстве (ЗУ) , учитывается также время пересылки слагаемых в регистры и время записи полученной суммы в ЗУ. В большинстве современных микропроцессоров это время составляет от нескольких сотен наносекунд до нескольких микросекунд.

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.

Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоминающем устройстве - памяти ЭВМ, куда они вводятся через устройство ввода. Функционально память машины делится на две части: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, или основная_у память - это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины. Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимое постоянной заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы, и данные, к примеру, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется. Современные компьютеры позволяют держать в памяти машины с целью экономии машинного времени и повышения производительности компьютеров сразу несколько программ. При этом внутри машины организовываются сложные циклы с возможностью прерывания и возврата к выполнению программ в зависимости от присвоенных им приоритетов. При этом реализуется принцип так называемой мультипрограммной работы ЭВМ. Этот метод был признан очень удобным, так как при организации мультипрограммного цикла:

1. Машина не простаивала зря: при одновременном выполнении нескольких программ и команд в работе процессора появлялась новая функция анализ и распределение машинного времени, отведённого на выполнение каждой программы;

2. За каждый машинный такт (вследствие с очередностью или уровнем приоритета, общим временем, требующимся на выполнения команды) выполнялась одна или несколько команд.

Действительно, метод мультипрограммной работы оказался потрясающе эффективным, но для его успешной реализации требовалось очень много оперативной памяти, так как всякая программа, которая может быть вызвана впоследствии, оставляет небольшую (а иногда и очень большую!) свою часть резидентной в оперативной памяти. Возможны два варианта: сохранить большую часть ОЗУ свободной, по надобности загружая в ОП ту или иную программу, требующую непосредственного выполнения и, после этого, отработав с данной программой, отчистить содержимое ОП для загрузки новой программы. Либо второй вариант состоит в том, чтобы сразу загрузить в ОП Машины все требующиеся программы, таким образом заполнив её до основания и потом дать процессору команду на выполнение. Первый вариант не является примером мультипрограммной организации и существенно уступает ему в эффективности. Таким образом в памяти машины одновременно исполняется огромное количество процессов, каждый из которых реализует принцип автоматического программного управления.

Заключение

Рассмотренный принцип автоматического программного управления, составляет основу построения и реализации вычислительных процессов внутри ЭВМ. В целях повышения эффективности использования машинного времени, быстродействия и функциональности современные ЭВМ используют мультипрограммную параллельную организацию выполнения программ.

Список используемой литературы:

1. А. Г. Кушниренко, Г. В. Лебедев, Р. А. Сворень. "ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ. " МОСКВА "ПРОСВЕЩЕНИЕ" 1990

2. А. Г. Гейн, В. Г. Житомирский, Е. В. Линецкий, М. В. Сапир, В. Ф. Шолохович. "ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ. " МОСКВА "ПРОСВЕЩЕНИЕ" 1994.

3. А. М. Кенин, Н. С. Печенкина. "РАБОТА НА IBM PC. " МОСКВА "КНИГА, ЛТД" 1993

4. В. Э. Фигурнов. "IBM PC ДЛЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ. " САНКТ-ПЕТЕРБУРГ АО "КОРУНА" 1994

5. О. Е. Вершинин. "ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА ИНФОРМАТИКИ. " МОСКВА "ПРОСВЕЩЕНИЕ" 1992

6. Р. В. Дробышевский, А. П. Лифенко. "ПК ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ" ЛЕНИНГРАД ИМА-пресс, АПН 1990

7. Чередов А.Д. Организация ЭВМ и систем: учебное пособие / А.Д. Чередов; Томский политехнический университет. – 3-е изд., пере-раб. и доп. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 200 с.

8. Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: учебник для вузов / С.А. Орлов, Б.Я. Цилькер. – 3-е изд. – СПб.: Питер, 2014. – 688 с.

9. Новожилов О.П. Архитектура ЭВМ и системы. Учебное пособие для бакалавров. – М.: Изд-во Юрайт, 2015. – 527 с.

10. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуника-ции: учебное пособие для вузов / В.Л. Брайдо, О.П. Ильина. – 4-е изд. – СПб.: Питер, 2011. – 555 с.