Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический




НазваниеУчебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический
страница1/5
Дата23.12.2012
Размер0.75 Mb.
ТипУчебное пособие
  1   2   3   4   5



Алтайский

государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Центр дистанционного обучения


Барнаул

Е.Г.Боровцов

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ

Учебное пособие


Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Алтайский государственный технический

Университет им. И.И. Ползунова

Е.Г. Боровцов

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ

Барнаул 2003


удк: 681.3

Боровцов Е.Г. Организация ЭВМ: Учебное пособие/ Алт. госуд. технич. ун-т им. И.И. Ползунова.-Барнаул: 1998.-161 с.

Данное учебное пособие предназначено для дистанционного изучения
дисциплины "Организация ЭВМ". Здесь рассмотрены вопросы общей
организации компьютеров, организации процессоров и их системы команд.
Представлен лабораторный практикум, содержащий подробные иллюстрации к
выполнению лабораторных работ по изучаемому курсу. Приложения содержат
подробное описание программного обеспечения, используемого при изучении
курса и выполнении лабораторных работ. Приложение 5 содержит график сдачи
отчетов по лабораторным работам. .

Рецензент: Е. Н. Крючкова - доцент кафедры Прикладной математики АлтГТУ

Учебное пособие разработано УМУ АлтГТУ, которое обладает эксклюзивным правом на его распространение.

По вопросам приобретения учебного пособия обращаться по адресу: 656099, Барнаул, пр. Ленина, 46, комн. 109 а "Г"; тел. 36-78-36


1. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КОМПЬЮТЕРОВ

1.1 ПОНЯТИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ. ПРИНЦИПЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Любой компьютер является достаточно сложно организованной системой, представляющей собой совокупность двух неразрывно связанных компонент - аппаратных средств и программного обеспечения. Эти средства в совокупности составляют вычислительную систему.

Аппаратные и программные средства тесно связаны (в современных компьютерах
зачастую весьма сложно различить какие функции выполняют программные средства, а, какие берет на себя аппаратура), и в равной степени важны, поскольку использование аппаратных средств без программных лишено смысла, а использование программных средств без аппаратуры просто невозможно.

Современные, вычислительные машины строятся на основе принципов программного управления, предполагающих следующее:

  • исходные данные, промежуточные и конечные результаты кодируются в той или иной (обычно двоичной) форме и разделяются на единицы информации, называемые словами;

  • правила вычислений задаются с помощью операторов двух типов -
    преобразователей и распознавателей; преобразователи обеспечивают собственно выполнение операций над элементами информации; распознаватели обеспечивают управление порядком выполнения операторов путем анализа элементов информации;

  • каждый оператор кодируется управляющим словом - командой; команда

представляет собой указание на то, какие действия необходимо выполнить (какую операцию) и где расположены данные, над которыми должна быть выполнена операция, представляющая собой действие, выполняемое на аппаратном уровне; данные, над которыми выполняется операция, называются операндами; последовательность команд с явно или неявно заданным порядком выполнения представляют собой программу;

  • разнотипные слова информации (данные и команды) различаются по способу использования, но не по способу кодирования; иными словами, одни и те же элементы информации в различные моменты времени и в различном контексте могут рассматриваться и как команды, и как данные;

  • слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек, называемых адресами;

•реализуемая компьютером функция целиком определяется хранимой в памяти ; программой; замена программs полностью изменяет функцию компьютера.

Принципы программного управления, основные положения которых представлены выше, были сформулированы в 1945г. Дж. фон Нейманом и по сегодняшний день находят практическое применение при построении вычислительных систем.

1.2 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ КОМПЬЮТЕРА, И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ И ВЗАИМОСВЯЗЬ

Из принципов программного управления однозначно определяется функциональный состав компьютера, включающий устройства трех основных классов: «операционные, предназначенные для выполнения операций над информацией;

• запоминающие, предназначенные для хранения информации;

• устройства ввода-вывода, предназначенные для связи вычислительной системы с внешней средой.

Важнейшими устройствами, без которых невозможна реализация программного управления, является центральный процессор (ЦП) и оперативная память (ОП или ОЗУ -оперативное запоминающее устройство). Эти устройства часто называются центральными. Внешние запоминающие устройства (ЗУ) и устройства ввода/вывода (УВВ) называются периферийными устройствами (ПУ).

Центральный процессор (Central Processor Unit - CPU) служит для выполнения арифметических и логических операций над данными, а также для управления всеми компонентами вычислительной системы.


Оперативная память (называемая также RAM - Randomy Access Memory - память с
произвольным доступом) - устройство, способное работать в темпе процессора. Служит
для хранения оперативной информации и выдачи блокам машины этой информации по их
требованию. ОП состоит из ячеек - байтов. Каждый байт состоит из восьми двоичных
разрядов (битов -образовано от английского binary digit). Биты в байте нумеруются справа налево, начиная с нуля. Байт является минимальной единицей информации, с которой центральные устройства компьютера оперирует, как с единым целым. Местоположение каждого байта в памяти компьютера характеризуется адресом. Адреса памяти начинаются с нуля для первого байта и последовательно возрастают на единицу.


Внешние запоминающие устройства предназначены для длительного хранения больших объемов, информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитных дисках различных типов, накопители на магнитных лентах, накопители на оптических магнитооптических дисках.

Устройства ввода/вывода - предназначены для связи компьютера с окружающей средой, в том числе и с человеком. Типичными устройствами ввода/вывода являются клавиатура компьютера, дисплей, печатающее устройство того или иного типа, устройство управления курсором - мышь, устройство для вычерчивания чертежей графопостроитель, устройство для кодирования или оцифровки чертежей – дигитайзер,j

устройство кодирования графической информации - сканер и ряд других.

Любой современный компьютер имеет модульную структуру, т.е. строится набора модулей, каждый из которых реализует законченную функцию и является относительно независимым от других модулей. Данный принцип обеспечивает унификацию узлов, а также позволяет изменять конфигурацию оборудования компьютера даже в процессе его функционирования (процесс носит название HotPlug - "горячее подключение) - подключать дополнительные модули, заменять одни модули на другие, менять конфигурацию модулей, а это, в свою очередь, существенно повышает гибкость и универсальность вычислительной системы. Связь между отдельными модулями
осуществляется посредством интерфейса. Интерфейсом называется совокупность
аппаратных средств, системы сигналов и набора алгоритмов, определяющих порядок
обмена информацией между устройствами.

1.3 ВАРИАНТЫ СТРУКТУР КОМПЬЮТЕРОВ

Существуют различные варианты объединения устройств компьютера в единую
вычислительную систему. Рассмотрим два варианта, являющиеся базовыми.

1. Структура высокопроизводительного компьютера с канальной архитектурой

представлена на рисунке ниже.




В этой структуре к ОП подключены ЦП и каналы ввода/вывода.

Каналы ввода-вывода представляют собой специализированные устройства (фактически специализированные процессоры), обеспечивающие обмен информацией между ОП и ПУ. Каналы могут быть селекторные (выделенные) и мультиплексные (коммутируемые). Селекторные каналы предназначены для обмена с быстродействующими ВУ (например, магнитными дисками). Мультиплексные каналы обеспечивают обмен с группой низкоскоростных устройств, переключаясь в ходе работы от обслуживания одного устройства из группы к другому. Основное свойство канала состоит в том, что он работает по специальной канальной программе и освобождает ЦП от выполнения трудоемких операций ввода-вывода. Таким образом, процессор только инициирует операцию обмена, все остальное канал делает сам. Процессор в это время может выполнять другие действия.

Контроллер ПУ - устройство управления ПУ, выполняет следующие функции:

• преобразование последовательности сигналов интерфейса в последовательность сигналов, управляющих работой ПУ;

• обеспечивает синхронизацию работы ПУ с другими устройствами, в первую очередь, с процессором;

• обеспечивает буферизацию информации, т.е. временное ее запоминание и хранение в процессе обмена.

Каждый тип ПУ практически всегда требует специфичного контроллера.

В данной структуре имеется четыре типа интерфейса:

1. интерфейс оперативной памяти (ОП-ЦП*КВВ);

2. интерфейс каналов (управляющие сигналы от ЦП к КВВ и обратно);

3. интерфейс контроллеров (КВВ - КП);

4. интерфейс периферийного устройства (КП - ПУ).

Структура достаточно сложная и требует больших аппаратных затрат, однако обеспечивает высокую производительность подсистемы ввода/вывода и максимальную загрузку процессора, что, в свою очередь, обеспечивает высокую эффективность обработки больших объемов информации. С использованием данного структурного решения строятся мощные высокопроизводительные системы - суперкомпьютеры, узловые компьютеры сетей, файловые сервера, высокопроизводительные графические рабочие станции,

Второй вариант структурного решения - с использованием интерфейса «общая шина» - используется в мини-, микрокомпьютерах и в большинстве персональных систем.



Графическая интерпретация данного варианта структурного решения приведена на следующем рисунке.



В данном случае в системе присутствует единый глобальный тип интерфейса - так называемая "общая шина". Все устройства, подключаемые к общей шине, являются равноправными. В каждый момент времени по общей шине может обмениваться только пара устройств, причем одним устройством из этой пары является процессор, который полностью берет на себя функции управления обменом.

Достоинством данного варианта является простота аппаратной реализаций ведущая к резкому снижению себестоимости конструкции; единый интерфейс для оперативной памяти, процессора и контроллеров всех типов ПУ. Однако, с другой
стороны, отвлечение процессора на выполнение операций обмена значительно снижав
общую производительность системы и повышает простои процессора.


1.4 КОДИРОВАНИЕ И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В

КОМПЬЮТЕРЕ

1.4.1. Двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы

Двоичная система счисления является позиционной системой счисления с основанием 2. Для представления любого разряда двоичного числа используется все! две цифры - 0 и 1. Применение двоичной системы счисления в компьютере логически вытекает из того, что электронные схемы, из которых состоит аппаратура компьютер способны различать только два состояния - наличие сигнала (1), или его отсутствие (0). Кроме того, двоичная система счисления обладает и другими достоинствами, делающими удобным ее применение для представления информации в компьютерах, а именно :

• простота выполнения арифметических и логических операций и, как следствие, простота устройств, реализующих эти операции;


  • возможность использования аппарата алгебры логики для анализа и синтеза

операционных устройств.

Для представления числа в двоичной системе счисления воспользуемся тем, что каждому разряду двоичного числа соответствует определенная степень двойки (вес разряда). Тогда, например, такое двоичное число, как 110112 можно представить следующим образом:



(Здесь и в дальнейшем справа внизу от числа записывается основание системы счисления, в которой представлено число. Это позволяет различать, например, числа 100l2 = 910 l00110)

Аналогичным образом в десятичной системе счисления можно представить ^ действительное двоичное число, например:



Правила выполнения арифметических операций для двоичной системы счисления остается таким же, как и для десятичной, что иллюстрирует приводимые ниже примеры:



при сложении двух единиц старших разрядов происходит перенос единицы в
высший разряд;

б) вычитание

при заеме единица старшего разряда равна двум единицам младшего;








в) умножение






Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления




Двоичная система счисления является достаточно громоздкой по сравнению десятичной при использовании ее человеком, что создает определенные неудобства (длинная запись числа, необходимость преобразования из десятичной формы в двоичную и наоборот). Поэтому для представления информации в компьютерах используют другие системы счисления, позволяющие записывать числа в более компактной форме, а именно, восьмеричную и шестнадцатеричную системы счисления (в дальнейшем с/с). 5 системы счисления относятся к двоично-кодированным системам, у которых основа системы счисления кратно некоторой степени двойки: 23 - для восьмеричной и 24 - для шестнадцатеричной систем счисления. В восьмеричной системе счисления для изображения чисел используется восемь цифр: 0 ... 7, в шестнадцатеричной - 16: 0 ... 9, A, В, С, D, Е, F. Изображения чисел в восьмеричной и шестнадцатеричной с/с вместе с двоичными и десятичными эквивалентами представлены ниже:







Рассмотрев таблицу, можно легко заметить, что для представления любой восьмеричной цифры в двоичной системе счисления достаточно трех двоичных разрядов, а для представления шестнадцатеричной цифры - четырех. Таким образом, если мы в двоичном представлении числа заменим каждую группу из трех или четырех цифр соответствующей восьмеричной или шестнадцатеричной цифрой, то получим представление исходного двоичного числа в восьмеричной или шестнадцатеричной системе соответственно.

Например:



Для представления этого же двоичного числа в шестнадцатеричной системе счисления добавим слева три незначащих нуля, получим:



Из приведенных примеров видно, что запись восьмеричного числа в три раза, а запись шестнадцатеричного числа в четыре раза короче, чем запись того же числа в двоичном виде. В то же время восьмеричное или шестнадцатеричное представление числа эквивалентно двоичному, поскольку каждая восьмеричная или шестнадцатеричная цифра получены просто заменой двоичных разрядов, сгруппированных по три или по четыре, соответствующей восьмеричной или шестнадцатеричной цифрой.

1.4.2 Перевод чисел из одной системы счисления в другую.

Алгоритм перевода целого числа из десятичной системы счисления в двоичную,

шестнадцатеричную или восьмеричную системы заключается в следующем: исходное десятичное число делится на основание системы счисления, в которую осуществляется перевод; если частное больше основания системы счисления, в которую осуществляется перевод, то оно опять делится на основание системы счисления; процесс деления продолжается до тех пор, пока частное, полученное в результате очередного деления, не получится меньше основания системы счисления, в которую осуществляется перевод Получившееся число представляется в виде упорядоченной последовательности остатков деления в порядке, обратном их получения. Старшую цифру числа дает последняя частное. Ниже приведены примеры, иллюстрирующие перевод чисел.

  1   2   3   4   5

Похожие:

Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический iconПроектирование компьютерных сетей методами имитационного моделирования учебное пособие
Министерство образования российской федерации волгоградский государственный технический университет
Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический iconУчебное пособие для студентов специальности "Издательское дело и редактирование"
Министерство образования российской федерации ульяновский государственный технический университет
Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический iconМинистерство образования российской федерации Воронежский государственный технический университет В. А. Павлов, а н. Пятунин основы построения и эксплуатации защищенных телекоммуникационных систем (учебное пособие)
Павлов В. А., Пятунин А. Н. Основы построения и эксплуатации защищенных телекоммуникационных систем: Учебное пособие. Воронеж: Воронежский...
Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический iconУчебное пособие ч елябинск 2 006 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Южно-Уральский государственный университет Кафедра «Основы медицинских знаний»
Учебное пособие предназначено для студентов университета дневной и заочной форм обучения по специальности «Физическая культура»
Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический iconОбщего и профессионального образования Российской Федерации Самарский государственный технический университет нассиф сулейман Нассиф разработка методики ускоренных
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический...
Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический iconОсновы научных исследований учебное пособие Челябинск 2002
Министерство образования Российской Федерации Челябинский государственный университет
Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический iconУчебное пособие Чебоксары 2009 Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический iconУчебное пособие Чебоксары 2008 Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический iconУчебное пособие для студентов специальностей 06. 08. 00 «Экономика и управление на предприятиях» и06. 11. 00
Министерство образования Российской Федерации Тюменский государственный нефтегазовый университет
Учебное пособие Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Алтайский государственный технический iconУчебное пособие воронеж 2002 министерство образования российской федерации
Учебное пособие предназначено для студентов технических вузов, обучающихся по специальности 220100 "Вычислительные машины, комплексы,...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница