Информатика и программное обеспечение ПЭВМ

Лекция 2. АРХИТЕКТУРА ЭВМ

2.1 Арифметические и логические основы ЭВМ

2.1.1 Представление данных в ЭВМ

Для оценки количества информации и упорядочения процесса ее обработки используются структурные единицы информации.

За единицу информации принимается один бит.

Бит определяет количество информации, посредством которой выделяется одно из двух альтернативных состояний. В одном бите с помощью цифр 0 и 1 может быть представлен один двоичный разряд числа или одна логическая переменная, принимающая соответственно значения "ложь" или "истина".

Последовательность битов, имеющая определенный смысл, называется полем.

Поле длиной 8 бит называется байтом.

Байт, как правило, является минимальной (неделимой) единицей информации, с которой оперирует ЭВМ. Все остальные единицы информации являются его производными (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структурные единицы информации

Основной структурной единицей информации, обрабатываемой ЭВМ, является машинное слово.

В современных ЭВМ длина машинного слова обычно составляет два байта. Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно число, либо одна команда. Для обеспечения требуемой точности вычислений и экономии памяти большинство ЭВМ могут оперировать также с двойным словом.

Последовательность полей, байтов или слов, имеющих одинаковый смысл, образуют массив.

Группа массивов может объединяться в сегмент. Количество информации в больших массивах оценивается с помощью производных единиц, кратных количеству байтов в степени числа два (1кбайт = 1024 байт = 2¹⁰байт; 1Мбайт = 1 048 576 байт = 2²⁰байт).

Вычислительная машина оперирует с двумя видами информации: управляющей информацией и числовыми данными.

Для представления числовых данных в ЭВМ используются естественная и нормальная формы записи чисел.

В вычислительной технике принято отделять целую часть от дробной точкой. Так как в этом случае положение точки между целой и дробной частями четко определено, то такое представление чисел называют представлением с фиксированной точкой (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Представление чисел с фиксированной точкой

Недостатком представления чисел с фиксированной точкой является их малый диапазон. Поэтому, как правило, в такой форме записывают только целые числа. В этом случае отпадает необходимость отводить поле для дробной части числа.

Максимальным по абсолютному значению целым числом, представляемым в естественной форме, будет число, определяемое по формуле (2^m - 1) (рис. 2.3).

Нормальная форма записи числа имеет вид N = m Ч q ^p, где m  мантисса числа (m<1); p порядок; q основание системы счисления.

Порядок указывает местоположение в числе точки, отделяющей целую часть числа от дробной.

Рис. 2.3. Представление целых чисел

Такая форма представления чисел называется формой с плавающей точкой. В этом случае машинное слово делится на два основных поля. В одном поле записывается мантисса числа, во втором указывается порядок числа с учетом знака порядка (характеристика числа). Один разряд отводится для представления знака числа. Распределение разрядов в четырехбайтовом слове для случая с плавающей точкой приведено на рисунке 2.4.

Диапазон представления чисел с плавающей точкой значительно больше диапазона представления чисел с фиксированной точкой. Однако быстродействие ЭВМ при обработке чисел с плавающей точкой гораздо ниже, чем при обработке чисел с фиксированной точкой. Это объясняется тем, что при работе с плавающей точкой для каждой операции необходимо время на определение местоположения точки.

Рис. 2.4. Представление чисел с плавающей точкой

В современных ЭВМ используются обе формы представления чисел.

2.1.1.1 Представление команд в ЭВМ

Программа работы машины, определяющая процесс обработки информации в ЭВМ, состоит из последовательности команд.

Под командой ЭВМ понимается информация, обеспечивающая выработку управляющих сигналов для выполнения машиной определенного действия.

Поле команды состоит из двух частей: операционной и адресной. В операционной части указывается код операции (КОП), определяющий действие (арифметическое или логическое), которое должна выполнить машина. Адресная часть команды содержит адреса операндов (величин), участвующих в операции. Под адре-сом "А" понимается номер (цифровой код) машинного слова (или другого поля памяти ЭВМ), где записана необходимая для выполнения команды информация. Количество указываемых в команде адресов может быть различным. Соответственно числу адресов определяются следующие форматы команд: одноадресные, двухадресные, трехадресные и четырехадресные (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Форматы команд ЭВМ

Трехадресная команда, выполняющая, например, операцию сложения, должна содержать код операции сложения и три адреса. Действия, выполняемые такой командой, определяются примерно следующей последовательностью:

1) взять число, хранящееся по первому адресу;

2) взять число, хранящееся по второму адресу, и сложить его с первым числом;

3) результат сложения записать по третьему адресу.

В случае двухадресной команды третий адрес отсутствует, и результат можно записать либо по второму адресу (с потерей информации, которая была там записана), либо оставить в сумматоре, где производилась операция сложения. Тогда для освобождения сумматора требуется дополнительная команда перезаписи числа по требуемому адресу. При сложении двух чисел, хранящихся по адресам A1 и A2, с записью результата, например, в A1 с использованием двухадресной команды, требуется уже четыре команды:

1) вызов в сумматор числа, хранящегося по адресу A1;

2) вызов числа, хранящегося по адресу A2, и сложение его с первым числом;

3) стереть число по адресу A1;

4) запись результата по адресу A1.

Таким образом, чем меньше адресность команд ЭВМ, тем большее число команд требуется для составления одной и той же программы работы машины.

Увеличивая адресность ЭВМ, приходиться увеличивать длину машинного слова, чтобы отвести в нем необходимые поля для адресной части команд. С увеличением объема памяти ЭВМ увеличивается длина поля, необходимого для одного адреса. В то же время не все команды полностью используют адресные поля. Например, для команды записи числа по заданному адресу требуется только одно адресное поле.

2.1.2 Системы счисления

Способ представления чисел посредством числовых знаков (цифр) называется системой счисления. Правила записи и действий над числами в системах счисления, используемых в цифровой вычислительной технике, определяют арифметические основы цифровых ЭВМ.

Компоненты системы счисления:

1. Основание системы счисления количество различных цифр (символов), используемых для представления числа.

2. Алфавит системы счисления символы и цифры, используемые для написания всех разрядов числа.

3. Правила записи и чтения чисел.

Различают два основных вида систем счисления: непозиционные и позиционные.

Непозиционные системы счисления.

Непозиционные системы счисления характеризуются тем, что значение числа, выражаемое совокупностью цифр, определяется только конфигурацией цифровых символов и не зависит от места их положения. Классическим примером непозиционной системы является римская система счисления. Например: ХIX; XXIII.

Позиционные системы счисления.

Наибольшее распространение получили позиционные системы счисления, в которых значение любой цифры определяется не только конфигурацией ее символа, но и местоположением (позицией), которое она занимает в числе.

Среди позиционных систем различают однородные и смешанные (неоднородные) системы счисления.

В однородных системах количество допустимых цифр для всех позиций (разрядов) числа одинаково. Однородной позиционной системой является общепринятая десятичная система счисления (q = 10), использующая для записи чисел десять цифр от 0 до 9.

Примером смешанной системы счисления может служить система отсчета времени, где в разрядах секунд и минут используется по 60 градаций, а в разрядах часов 24 градации и т. д.

Любое число A, записанное в однородной позиционной системе, может быть представлено в виде суммы степенного ряда:

(2.1.)

где q основание системы счисления; a_i цифры системы счисления с основанием q; i номер (вес) позиции (разряда) числа.

Может быть реализовано бесконечное множество различных систем счисления. В цифровых вычислительных машинах в основном используются однородные позиционные системы. Кроме десятичной системы счисления в ЭВМ находят широкое применение системы с основанием q, являющиеся степенью числа 2, а именно: двоичная, восьмеричная, шестнадцатеричная системы счисления.

При совместном использовании различных систем счисления после записи числа может указываться основание системы, например: 347,42₁₀; 1101₂; 235₈ и т. д.

2.1.2.1 Десятичная система счисления

В соответствии с формулой (2.1) позиция цифры в числе определяет степень числа с основанием 10, на которое эта цифра умножается.

Например: число 534,79 можно представить как

.

В одном разряде может быть представлено десять чисел от 0 до 9. Прибавление единицы к старшей цифре разряда (цифре 9) означает перенос единицы в старший разряд, т. е. для записи числа 10 и больших чисел требуется два и более разрядов. Число N = m Ч q ^p, где m мантисса числа (m < 1); p порядок; q основание системы счисления, представляется в виде единицы в старшем разряде с последующими p нулями. Например, N = 10⁴ = 10 000.

Это правило распространяется на все однородные позиционные системы счисления.

2.1.2.2 Двоичная система счисления

Основание системы q = 2. Для записи чисел используются две цифры: 0 и 1. Старший цифрой разряд является 1, поэтому в двоичной системе 1 + 1 = 10, так как прибавление единицы к старшей цифре данного разряда дает перенос единицы в старший разряд.

Каждое последующее число больше данного на единицу, получается в результате прибавления единицы в младший разряд с соблюдением правил сложения в двоичной системе счисления (табл. 2.1, 2.2).

Анализируя данные в таблице 2.1 следует отметить, что разряды в двоичной системе заполняются очень быстро. В силу этого для записи числа в двоичной системе счисления требуется значительно больше разрядов, чем в десятеричной. Число 2 и большие числа в двоичной систем счисления записываются в двух и более разрядах. Согласно ранее рассмотренному правилу число 2 = 2¹ записывается как 10, число 4 = 2² как 100 и т. д.

Таблица 2.1

Числа	Числа
деся-тичные	двоичные	восьмеричные	шестнадца-теричные	десятичные	двоич-ные	восьмеричные	шестнадца-теричные
0 1 2 3 4 5 6 7 8	0 1 10 11 100 101 110 111 1000	0 1 2 3 4 5 6 7 10	0 1 2 3 4 5 6 7 8	9 10 11 12 13 14 15 16 17	1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 10000 10001	11 12 13 14 15 16 17 20 21	9 A B C D E F 10 11

Двоичная система счисления является основной системой представления информации в современных ЭВМ. Почти все вычислительные машины используют либо непосредственно двоичную систему счисления, либо двоичное кодирование какой-либо другой системы счисления, например, десятичной (двоично-десятичный код). Это объясняется тем, что элементы вычислительной машины, средства хранения информации, различающие два устойчивых состояния (0 и 1), наиболее просты в реализации и надежны в работе. Немаловажное значение имеет также простота реализации правил двоичной арифметики в ЭВМ (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Сложение	Вычитание	Умножение
0 0 1 1	0 1 0 1	0 1 1 10	0 1 1 10	0 0 1 1	0 1 0 1	0 Ч 0 0 Ч 1 1 Ч 0 1 Ч 1	0 0 0 1

При выполнении арифметических действий в двоичной системе счисления следует помнить, что единица является старшей значащей цифрой двоичного разряда.

Пример.

Выполняя в заданном разряде вычитание из нуля единицы, следует занять единицу из старшего значащего разряда. В результате в младшем разряде образуются две единицы. Операция умножения сводится к многократному сложению и сдвигу. При выполнении деления используются правила умножения и вычитания.

2.1.2.3 Восьмеричная система счисления

Основание системы q = 8. Для записи чисел используется восемь цифр от 0 до 7. В силу того что основание восьмеричной системы является третьей степенью числа 2, то для представления одного восьмеричного разряда требуется три значащих двоичных разряда (триада). Таким образом, для записи чисел в восьмеричной системе счисления требуется в 3 раза меньше разрядов, чем в двоичной системе (табл. 2.1).

Восьмеричная система счисления играет в ЭВМ вспомогательную роль и используется для компактной записи двоичных кодов чисел машинных команд ЭВМ в различных периферийных устройствах и устройствах подготовки данных. Перевод чисел из двоичной системы счисления в восьмеричную и наоборот осуществляется по триадам согласно второму столбцу таблицы 2.1 (первые восемь строк, неполные триады дополняются слева незначащими нулями). Разбиение двоичного числа на триады осуществляется влево и вправо от запятой, отделяющей целую часть числа от дробной. Если крайние триады получаются неполными, то они дополняются нулями.

Пример.

2.1.2.4 Шестнадцатеричная система счисления

Основание системы q = 2⁴ = 16. Для записи чисел исполь-зуются шестнадцать цифр, из них первые десять известные цифры от 0 до 9. В качестве дополненных цифр используются заглавные латинские буквы A, B, C, D, E и F (табл. 2.1).

Назначение шестнадцатеричной системы счисления аналогично восьмеричной: компактная запись двоичных кодов чисел и команд. Одному шестнадцатеричному разряду числа соответствует четыре двоичных разряда (тетрада), т. е. шестнадцатеричная система позволяет сократить длину записи числа по сравнению с двоичной в 4 раза.

Перевод чисел из двоичной системы в шестнадцатеричную систему и обратно осуществляется по тетрадам аналогично двоично-восьмеричному переводу (табл.2.1). Неполные тетрады дополняются нулями.

Пример.

2.1.3 Элементы математической логики

Для описания логики функционирования аппаратных и программных средств ЭВМ используется алгебра логики, или булева алгебра (по имени ее создателя Дж. Буля).

Булева алгебра оперирует с логическими переменными, которые могут принимать только два значения: истина или ложь, обозначаемые соответственно 1 и 0. Как отмечалось выше, основной системой счисления в ЭВМ является двоичная система, в которой также используются цифры 1 и 0. Таким образом, одни и те же устройства ЭВМ могут применяться для обработки и хранения как числовой информации, представленной в двоичной системе счисления, так и логических переменных. Это обусловливает сравнительную простоту схемной реализации процесса обработки информации в ЭВМ.

Совокупность значений логических переменных x₁, x₂, ..., x_n называется набором переменных.

Набор логических переменных удобно изображать в виде n-разрядного двоичного числа, каждый разряд которого равен значению одной из переменных. Из таблицы 2.1 видно, что количество возможных наборов в n двоичных разрядах равно 2ⁿ.

Логической функцией от набора логических переменных (аргументов) f(x₁, x₂ ..., x_n) называется функция, принимающая только два значения: истина или ложь.

Область определения логической функции конечна и зависит от числа возможных наборов аргументов. Любая логическая функция может быть задана с помощью таблицы истинности, где в левой части записываются возможные наборы аргументов, а в правой соответствующие им функции.

В случае большого числа аргументов табличный способ задания логической функции становится громоздким и теряет наглядность. Так, уже для шести логических аргументов понадобится таблица в 64 строки, поэтому логические функции удобно выражать через другие более простые логические функции одной или двух переменных, описываемые с помощью простых таблиц.

Совокупности таких элементарных логических функций (или логических операций), с помощью которых можно выразить логическую функцию любой сложности, называются функционально полными системами логических функций.

В этой системе определены три элементарные логические операции: инверсия (отрицание), конъюнкция (логическое умножение) и дизъюнкция (логическое сложение).

Логические переменные, объединенные знаками логических операций, составляют логические выражения.

При вычислении значения логического выражения определено следующее старшинство выполнения логических операций: сначала выполняется инверсия, затем конъюнкция и в последнюю очередь дизъюнкция.

Для изменения указанного порядка используются скобки.

В алгебре логики выполняются следующие основные законы, позволяющие производить тождественные преобразования логи-ческих выражений.

1. Коммутативный закон: x₁ V x₂ = x₂ V x₁,

x₁ Ч x₂ = x₂ Ч x₁.

2. Ассоциативный закон: x₁ V (x₂ V x₃) = (x₁ V x₂) V x₃,

x₁ Ч (x₂ Ч x₃) = (x₁ Ч x₂) Ч x₃.

3. Дистрибутивный закон: x₁ Ч (x₂ V x₃) = x₁ Ч x₂ V x₁ Ч x₃.

4. Правила де Моргана (теорема двойственности).

5. Правила операций с константами 0 и 1.

6. Правила операций с переменной и ее инверсией.

7. Закон поглощения.

8. Закон идемпотентности.

9. Закон двойного отрицания.

2.1.4 Методы перевода чисел из одной системы счисления

в другую

2.1.4.1 Метод прямого замещения

Перевод чисел из двоичной системы счисления в систему с основанием, являющимся степенью числа 2, и наоборот не вызывает трудностей. Это в частности стало причиной широкого применения в ЭВМ восьмеричной и шестнадцатеричной систем счисления. Однако может возникнуть задача перевода чисел из одной системы счисления в другую с произвольными основаниями. В этом случае необходимо воспользоваться общими правилами перевода, которые основаны на определении однородной позиционной системы счисления (2.1).

Число в системе счисления с основанием q₁ расписывается по формуле (2.1) и вычисляется сумма ряда, при этом арифметические действия выполняются по правилам системы счисления с основа-нием q₂.

Следуя этому правилу, легко перевести числа из двоичной и восьмеричной систем счисления в десятичную.

Пример.

Можно также в отличие от ранее рассмотренного метода перевести числа из двоичной системы в восьмеричную, но для этого необходимо вычислять сумму ряда (2.1) по правилам восьмеричной арифметики. При переводе больших двоичных чисел в десятичные для его упрощения, целесообразно сначала перевести их по триадам в восьмеричные, а затем из восьмеричных в десятичные.

Пример.

2.1.4.1 Метод деления

Если q₁ > q₂, используются два правила: для целых и дробных чисел.

Если переводятся целые числа, то необходимо последовательно делить число в системе q₁ на основание системы q₂ до тех пор, пока не останется остаток, меньший или равный q_2-1. число в основании q₂ записывается как последовательность остатков от деления, записанных в обратном порядке, начиная с последнего.

Пример.

Для перевода больших десятичных чисел в двоичную систему счисления рекомендуется перевести их в восьмеричные, а затем расписать по триадам.

2.1.4.1 Метод умножения

Пример.

При переводе дробных чисел необходимо последовательно умножать число в системе q₁ на основание системы q₂, отделяя после каждого умножения целую часть произведения. Число в системе q₂ (после точки) записывается как последовательность полученных целых частей произведения. Умножение производится до тех пор, пока дробная часть произведения не станет равной нулю или определенной степени точности.

При переводе смешанных чисел отдельно переводятся целая и дробная части, записываемые затем совместно.

2.2 Структурная схема ПЭВМ

2.2.1 Состав и технические характеристики ПЭВМ

2.2.1.1 Понятие архитектуры

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные (рис. 2.6).

Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами.

Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др.

Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Функциональные возможности ЭВМ:

1) ввод программы и данных с клавиатуры, НГМД, НЖМД;

2) вывод программ и данных на экран видеомонитора, НГМД, НЖМД, принтер;

3) арифметическая и логическая обработка информации;

4) корректировка данных, редактирование программ;

5) хранение программ и промежуточных данных.

В состав типовой ЭВМ входят:

? центральный процессор;

? внутренняя память со своим интерфейсом;

? устройства ввода-вывода со своим интерфейсом, включающие устройства внешней памяти (НГМД, НЖМД), клавиатура, модуль отображения информации, принтер;

? интерфейс - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимо-действие.

Рис. 2.6. Архитектура ЭВМ

2.2.1.2 Структура компьютера

Структура компьютера это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов (рис. 2.7).

Персональный компьютер (ПК) это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Рис. 2.7. Структурная схема персонального компьютера

Достоинствами ПК являются:

? малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

? автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

? гибкость архитектуры, обеспечивающая адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науке, образовании, быту;

? "дружественность" операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной, профессиональной подготовки;

? высокая надежность работы.

2.2.2 Состав и назначение основных блоков и узлов ПЭВМ

2.2.2.2 Назначение основных устройств ЭВМ

1. Микропроцессор это центральный блок ЭВМ, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

? устройство управления (УУ), формирующее и подающее во все блоки машины в нужные моменты определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущей операции. МП формирует адреса ячеек памяти операндов, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ;

? арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией;

? микропроцессорная память (МПП) служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины;

? интерфейсная система микропроцессора реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК. Включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры, схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системную шину.

2. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, их частота определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы.

3. Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины.

ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающие устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программы и справочной информации, что позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя). ПЗУ является энергонезависимым.

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке).

В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины, т. е. энергозависимость.

4. Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач.

Во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Она содержит разнообразные виды запоминающих устройств. Наиболее распространенными, имеющимися практически в любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

В качестве устройства внешней памяти используются также запоминающие устройства: на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM Compact Disk Read Only Memory компакт-диск с памятью, только читаемой) и др.

5. Источник питания это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

6. Таймер внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

7. Внешние устройства (ВУ) важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что стоимость ВУ иногда составляет 5080 % стоимости всего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и народном хозяйстве в целом.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков.

По назначению ВУ можно разделить:

на внешние запоминающие устройства (ВЗУ), или внешнюю память ПК;

диалоговые средства пользователя;

устройства ввода информации;

устройства вывода информации;

средства связи и телекоммуникации;

средства мультимедиа.

Внешние запоминающие устройства были рассмотрены ранее.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода информации.

К устройствам ввода информации относятся:

клавиатура устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

графические планшеты (диджитайзеры) для ручного ввода графической информации путем перемещения по планшету специального указателя (пера);

сканеры (читающие автоматы) для автоматического считывания с бумажных носителей информации и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

манипуляторы (устройства указания): джойстик, мышь, трекбол (шар в оправе), световое перо и др. для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

сенсорные экраны для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

принтеры печатающие устройства для переноса информации на бумажный носитель информации;

графопостроители (плоттеры) для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель;

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами, другими средствами автоматизации и для подключения ПК к каналам связи.

Средства мультимедиа это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации, высококачественные видео- и звуковые платы, платы видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами. С большим основанием к средствам мультимедиа относят внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

Дополнительные схемы.

К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей точкой, двоично-кодированными десятичными числами для вычисления некоторых трансцендентных функций.

Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без контроллера обмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр МП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя МП.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплея, принтера, НЖМД, НГМД и др.), освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.

Контроллер прерываний.

Прерывание это временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной), программы.

В ЭВМ используются три вида прерываний: аппаратные, пользовательские, программные.

Прерывания возникают при работе компьютера постоянно. Все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям. Например: прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду.

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. Получив этот сигнал, МП приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.

Системная шина это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связи всех его устройств между собой. Она включает в себя (рис. 2.8):

Рис. 2.8. Структура системной шины

? кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разделов числового кода (машинного слова) операнда;

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между микропроцессором и основной памятью;

2) микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

3) основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки (их порты ввода-вывода) через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами - адаптерами внешних устройств.

На системной плате (часто ее называют материнской платой - Mouther Board) размещаются: микропроцессор, математический сопроцессор, генератор тактовых импульсов, блоки (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ, адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД, контроллер прерываний, таймер и др.

2.2.3 Внутримашинный системный интерфейс

Внутримашинный системный интерфейс - система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой - представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов. Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса.

1. Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами. Он применяется только в простейших бытовых ПК.

2. Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Ее важнейшими функциональными характеристиками являются: количество обслуживаемых устройств и пропускная способность, т. е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от разрядности (8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой она работает. В качестве системной шины в разных ПК используются:

? шины расширений, или шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;

? локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

Сравнительные технические характеристики некоторых шин приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 Основные характеристики шин

Параметр	ISA	EISA	MCA	VLB	PCI
Разрядность шины, бит
данных	16	32	32; 64	32; 64	32; 64
адреса	24	32	32	32	32
Рабочая частота, МГц	8	833	1020	до 33	до 33
Пропускная способность, Мбайт/с
теоретическая	4	33	76	132	132; 264
практическая	2	8	20	80	50; 100
Число подключаемых устройств, шт.	6	15	15	4	10

Шины расширений

Шина Multibus имеет две модификации: PC/XT bus (Personal Computer eXtended Technology - ПК с расширенной технологией) и PC/AT bus (PC Advanced Technology - ПК с усовершенствованной технологией).

Шина PC/XT bus - 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (DMA - Direct Memory Access). Шина адреса ограничивает адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт; используется с МП 8086,8088.

Шина PC/AT bus - 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины может делить частоту пополам; имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала DMA; используется с МП 80286.

Шина ISA (Industry Standard Architecture - архитектура промышленного стандарта) - 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деления увеличен); по сравнению с шинами PC/XT и PC/AT увеличено количество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти DMA с 7 до 11. Благодаря 24-разрядной шине адресное пространство увеличилось с 1 до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже (около 4-5 Мбайт/с) ввиду ряда особенностей ее использования. С появлением 32-разрядных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстро-действия ПК.

Шина EISA (Extended ISA) - 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989 г. Адресное пространство шины 4 Гбайт, пропускная способность 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу микропроцессорной КЭШ-памяти определяется параметрами микросхем памяти, увеличено число разъемов расширений (теоретически может подключаться до 15 устройств, практически - до 10); улучшена система прерываний, шина EISA обеспечивает автоматическое конфигурирование системы и управление DMA; полностью совместима с шиной ISA (есть разъем для подключения ISA), поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем; весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях.

Шина МСА (Micro Channel Architecture) - 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 г. для машин PS/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10-20 МГц, по своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку ЭВМ PS/2 не получили широкого распространения из-за отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина МСА также используется не очень широко.

Локальные шины

Современные вычислительные системы характеризуются:

? стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

? появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики в Windows, работа в среде Multimedia).

Пропускной способности шин расширения ПК, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, так как компьютеры стали подолгу "задумываться".

Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами, основной и внешней памятью, видеосистемами и др.

В настоящее время существуют два основных стандарта универсальных локальных шин: VLB и РСI.

Шина VLB (VESA Local Bus - локальная шина VESA) разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA - Video Electronics Standards Association), поэтому часто ее называют шиной VESA.

Шина VLB по существу является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером, платами Multimedia, сетевым адаптером. Разрядность шины 32 бит, на подходе 64-разрядный вариант шины. Скорость передачи данных по VLB 80 Мбайт/с (теоретически достижимая скорость 132 Мбайт/с).

Недостатки шины:

рассчитана на работу с МП 80386, 80486, пока не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro, Power PC;

жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);

малое количество подключаемых устройств (к шине VLB могут подключаться только четыре устройства);

отсутствует арбитраж шины (могут быть конфликты между подключаемыми устройствами).

Шина РСI (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних устройств) разработана в 1993 г. фирмой Intel.

Шина РСI является намного более универсальной, чем шина VLB, имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП (80486, Pentium, Pentium Pro, Power PC и др.); она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой арбитраж, средства управления передачей данных. Разрядность РСI 32 бита с возможностью расширения до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-битовом варианте - 263 Мбайт/с (реальная - вдвое ниже).

Шина РСI, хотя и является локальной, выполняет многие функции шины расширения, в частности, шин расширения ISA, EISA, МСА (она совместима с ними) при наличии шины РСI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине РСI (через интерфейс расширения).

Конфигурация систем с шиной РСI показана на рисунке 2.9. Следует иметь в виду, что использование в ПК шин VLB и РСI возможно только при наличии соответствующей VLB- или PCI-материнской платы. Выпускаются материнские платы с мульти-шинной структурой, позволяющей использовать ISA/EISA, VLB и РС1, так называемые материнские платы, с шиной VIP (по начальным буквам VLB, ISA и РС1).

Локальные шины IDE (Integrated Device Electronics), EIDE (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer System Interface) используются чаще всего в качестве интерфейса только для внешних запоминающих устройств.

Рис. 2.9. Конфигурация системы с шиной PCI

2.1.4 Функциональные характеристики ПЭВМ

Основными характеристиками ПК являются:

1. Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия служат:

? МИПС (MIPS - Mega Instruction Per Second) - миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);

? МФЛОПС (MFLOPS - Mega FLoating Operations Per Se-cond) - миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);

? КОПС (KOPS - Kilo Operations Per Second) - для низкопроизводительных ЭВМ тысяча неких усредненных операций над числами.

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций, поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.

Разрядность - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.

3. Типы системного и локальных интерфейсов.

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

4. Емкость оперативной памяти.

Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт), реже в килобайтах (кбайт): 1 Мбайт = 1024 кбайт = = 1024² байт.

Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 8 Мбайт просто не работают либо работают, но очень медленно.

Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза помимо всего прочего дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.

5. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера) измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах (1 Гбайт = = 1024 Мбайт).

6. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.

В настоящее время применяются в основном накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма (1 дюйм = 25,4 мм) и емкостью 1,44 Мбайт.

7. Виды и емкость кэш-памяти.

Кэш-память - это буферная, не доступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая кэш-память внутри микропроцессора (кэш-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (кэш-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется кэш-память на ячейках электронной памяти.

Следует иметь в виду, что наличие кэш-памяти емкостью 256 кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20 %.

8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.

9. Тип принтера.

10. Наличие математического сопроцессора.

Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.

11. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.

12. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ, означающая возможность использования на компьютере тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин соответственно.

13. Возможность работы в вычислительной сети.

14. Возможность работы в многозадачном режиме. Этот режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.

15. Надежность.

Надежность - это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Она измеряется обычно средним временем наработки на отказ.

16. Стоимость.

17. Габариты и масса.

2.2 Микропроцессоры

Появление и развитие ЭВМ в мировой практике связано с бурным прогрессирующим совершенствованием элементной базы цифровой электроники. К настоящему времени человеческая мысль создала и освоила четыре поколения ЭВМ. На очереди появление ЭВМ пятого поколения - машин искусственного интеллекта.

С начала 70-х гг. в развитии вычислительной техники определились два параллельных и взаимодействующих направления:

? разработка ЭВМ с фиксированной структурой и системой команд на основе интегральных микросхем (ИМС) средней и большой степени интеграции;

? разработка семейства микропрограммируемых больших интегральных схем (БИС), обеспечивающих создание процессоров ЭВМ различной архитектуры.

Такие микропрограммируемые БИС стали называться микропроцессорами (МП). Первое сообщение о разработке МП опубликовано фирмой INTEL (США) в 1971 гг.

Появление микропроцессоров привело к освоению принципиально новых направлений в разработке и применении компьютерной техники.

К концу 70-х гг. наметился некоторый отход науки от проблем создания высокопроизводительных универсальных ЭВМ, имеющих значительную стоимость, внушительные весогабаритные показатели, большое энергопотребление и материалоемкость, к проблемам освоения микропроцессорной техники. Микропроцессоры стали массовой продукцией электронной промышленности.

Создание МП по праву считается одним из крупнейших достижений современной микроэлектроники.

Микропроцессором называется программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления этим процессом, реализованное в виде одной или нескольких БИС - сверхбольших БИС (СБИС).

Преимущества МП:

1. Низкое энергопотребление.

2. Малая материалоемкость.

3. Высокая технологичность и надежность.

4. Широкие функциональные возможности.

5. Гибкость и точность цифровой обработки сигналов при постоянно снижающейся стоимости.

Все это стало причиной и следствием внедрения МП в самые разнообразные сферы человеческой деятельности. Они являются теми системными элементами, на основе которых создаются устройства промышленной автоматики, связи, измерительной техники и устройства управления бытовой автоматикой, другой аппаратурой различного назначения.

С появлением МП стало возможным создание мобильных высокоэффективных специализированных микроЭВМ, профессиональных и персональных компьютеров.

МП является базовым элементом, обладающим всеми свойствами процессора ЭВМ, но в микроминиатюрном исполнении.

Преимущества микропроцессоров по сравнению с процессорами ЭВМ позволили приблизить средства обработки информации к ее источникам, а средства управления - к местам приложения управляющих воздействий.

В последнее время МП стали проникать в аппаратные средства связи. На их основе реализуются специализированные бортовые ЭВМ комплексов РРС и ТРС, аппаратных управления узлами связи и системой связи, кроссовыми аппаратными опорных УС, а также измерительная и диагностирующая аппаратура.

Внедрение микропроцессоров в системы управления и связи позволили существенно улучшить их функциональную надежность, помехоустойчивость, быстродействие и другие эксплуатационные показатели. Применение МП в РЭС позволило широко использовать принципы программируемой логики, заключающейся в том, что все преобразования информации осуществляются по программе, записанной в памяти и реализующей заданный алгоритм функционирования РЭС.

Внедрение микропроцессоров в технические системы привело к революции не только в технологии микроэлектроники, но и в мышлении современного инженера, поскольку проектирование и эксплуатация систем с МП требует качественно нового подхода.

Видоизменились задачи подготовки специалистов связи, от которых теперь требуются знания и в области функционирования микропроцессоров, и в области их программирования.

2.3.1 Типы и структура микропроцессоров

2.3.1.1 Основные характеристики МП

1. Разрядность. Под ней понимается стандартная длина слова, с которым оперируют составные части МП.

МП бывают с фиксированной и с изменяемой разрядностью слова. При фиксированной разрядности наиболее распространены МП с длиной слова 8 и 16 бит. Во втором случае возможно построение 8-, 16-, 24-, 32-разрядных МП из секций разрядностью 2, 4 и 8.

2. Производительность. Определяется временем решения ряда тестовых задач и зависит от быстродействия выполнения простых операций.

3. Система команд является отличительным признаком для любого МП. Она отражает функциональные возможности устройства. Система команд МП может содержать как малое число команд (восемь), так и большое число (до двухсот) основных команд. Состав команд не является нормализованным.

4. Объем адресуемой памяти характеризует информационные возможности МП и к настоящему времени достигает сотен гигабайт, что было доступно ранее только универсальным ЭВМ.

2.3.1.2 Типовая структура микропроцессора

Типовая структура МП (рис. 2.10):

? арифметико-логическое устройство (АЛУ);