Организация ЭВМ. Общая характеристика и классификация вычислительных машин и систем

1. Организация ЭВМ

1. Общая характеристика и классификация
вычислительных машин и систем
1

2. Организация ЭВМ

1.1 Аппаратные и программные средства
реализации алгоритмов
2

3. Организация ЭВМ

Вычислительная машина (ВМ) - это искусственная
инженерная система для автоматической обработки
информации по заданному алгоритму.
3

4. Организация ЭВМ

Средства реализации алгоритмов
аппаратные (АС)
программные (ПС)
реализуют какие-либо
действия алгоритма
одномоментно, без
возможности
дробления со стороны
программиста
совокупности инструкций
по реализации
вычислительного процесса
с помощью аппаратных
средств в соответствии с
алгоритмом
(сумматоры, умножители,
устройства ЦОС и т.д.)
сводятся к последовательности
машинных команд, выполняемых на АС
ВМ
4

5. Организация ЭВМ

Программирование
в пространстве структур
(аппаратное)
во времени
(традиционное,
процедурное)
5

6. Организация ЭВМ

Пример реализации выражения
алгоритм
f = ab/c + d
потоковый граф
a
f:=a∙b
x
b
f:=f/c
/
+
f
c
f:=f+d
d
6

7. Организация ЭВМ

Реализация
Память
программ
команда
1. MUL
2. DIV
3.ADD
Операционное
устр-во
память
данных
Память
данных
Блок
умн.
Блок
дел.
Сумматор
a,b,c,d,f
программная
аппаратная
7

8. Организация ЭВМ

Программа на ЯВУ
C=A*B
Машинные команды
mul ah, al
~ 10 - 100
Загрузка из памяти
Исполнение команды
процессором (реализация
алгоритма выполнения команды)
автомат для
умножения =>
лабораторная
№2
аппаратный
умножитель =>
лабораторная
№2
8

9. Организация ЭВМ

1.2 Краткие сведения из цифровой
схемотехники
9

10. Организация ЭВМ

Типовые схемы
Комбинационные
(без памяти)
выходной сигнал в данный
момент времени однозначно
определяется
значениями
входных сигналов в данный
момент времени
вентили, сумматоры,
дешифраторы, ...
Последовательностные
(автоматы, базовые
элементы памяти)
выходной сигнал в данный
момент времени определяется
значениями входных сигналов в
данный и предыдущие моменты
времени (последовательностью)
триггеры, регистры,
счетчики, …
10

11. Организация ЭВМ

1. Комбинационные схемы
1.1 Вентили
X
0
0
1
1
Y
0
1
0
1
&
1
&
НЕ
(NOT)
X
И
(AND)
X*Y
ИЛИ
(OR)
XvY
1
1
0
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
m2
=
XY
ИЛИ-НЕ
(NOR)
XvY
Искл.
ИЛИ
(XOR)
X Y
Равенство
(NXOR)
X=Y/(X+Y)
1
1
1
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
И-НЕ
11

12. Организация ЭВМ

1.2 Сумматоры
1.2.1 Одноразрядные
Полусумматор (Half-Adder)
X HA S
SM
Y
C
X
Y
С
S
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
0
НYM C
12

13. Организация ЭВМ

1.2 Сумматоры
1.2.1 Одноразрядные
Одноразрядный полный двоичный сумматор – ОПДС
(Full - Adder)
X
FA S
SM
Y
Z
НYM C
C
X
Y
Z
С
S
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
13

14. Организация ЭВМ

1.2 Сумматоры
1.2.2 Параллельные
Параллельный сумматор
n
X SM
S
n
Xo
n
Пример : параллельный
сумматор с
последовательным переносом
X
FA S
So
X1
X
FA S
S1
Y
Yo
Ci
НYM C
Co
Ci
Y1
Y
Y
Ci
НYM C
Co
Ci
Co
НYM C
14

15. Организация ЭВМ

1.3 Шифраторы и дешифраторы
Таблица истинности для дешифратора 2 x 4
A0 DC D0
A1
D1
…
…
An-1
НYM C
Dm-1
A1
A0
D3
D2
D1
D0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
1
1
1
0
0
0
Дешифратор – преобразует двоичный
позиционный код в унитарный (m = 2n)
15

16. Организация ЭВМ

1.3 Шифраторы и дешифраторы
D0 CD A0
D1
Dm-1
НYM C
Таблица истинности для шифратора 4 x 2
A1
An-1
D3
D2
D1
D0
A1
A0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
Шифратор (полный)– преобразует унитарный
код в двоичный позиционный
16

17. Организация ЭВМ

1.4 Мультиплексоры и демультиплексоры
Таблица истинности для 4 – канального MUX
m
m
DI0 MX
A1
A0
DO
0
0
DI0
0
1
DI1
DIn-1
1
0
DI2
A
НYM C
1
1
DI3
DI1
DO
m
k
m
Мультиплексор (MUX, MX) – осуществляет логическую коммутацию
нескольких входов (каналов) с единственным выходом. Номер
выбираемого канала указывается на адресных входах (А). Каждый
канал может быть многоразрядным. На рис. – n-канальный, mразрядный мультиплексор, k = log2n. Мультиплексор (синоним –
селектор) – аппаратный аналог оператора выбора языков
программирования высокого уровня (switch – case).
17

18. Организация ЭВМ

1.4 Мультиплексоры и демультиплексоры
m
DMX D0
m
DI
D1
Dn-1
k
A
Таблица истинности для 4 – канального DMUX
m
A1
A0
DI
подключается к
m
0
0
D0
0
1
D1
1
0
D2
1
1
D3
НYM C
Демультиплексор (DMUX, DMX) – осуществляет логическую
коммутацию нескольких выходов (каналов) с единственным входом.
Номер выбираемого выходного канала указывается на адресных
входах (А). Каждый канал может быть многоразрядным. Общее
название MUX и DMUX – коммутаторы (переключатели)
18

19. Организация ЭВМ

1.5 Буферные элементы
D
DI
OE
OE
DO
D
OE
Буфер – разрешает передачу информационного входа (DI) на выход
(DO) при установке разрешающего управляющего входа (OE) в 1.
При запрещающем сигнале (OE=0) выход буфера переходит в т.н.
третье состояние (с высоким импедансом, т.е. сопротивлением) – в
этом состоянии выход как-бы отключается от остальной схемы, что
позволяет объединять выходы буферов в одну точку (чего нельзя
делать с обычными логическими элементами).
19

20. Организация ЭВМ

2 Схемы памяти
2.1 Триггеры (flip-flop)
Триггер – полупроводниковая ячейка памяти емкостью в
один бит (имеет два состояния). Строится на базе
нескольких логических элементов (минимум – двух) с
цепями обратной связи.
20

21. Организация ЭВМ

2.1 Триггеры (flip-flop)
Классификация триггеров :
1) По управляющим входам (по типу):
RS – триггеры; JK – триггеры;
D – триггеры; T – триггеры и др.
2) По способу управления:
Асинхронные
Синхронные
Со статическим
управлением
С динамическим
управлением
21

22. Организация ЭВМ

2.1.1 Асинхронные триггеры
2.1.1.1 RS-триггер
таблица установки (переходов) триггера
R
S
Q(t+1)
0
0
Q(t) (хранение)
0
1
1
1
0
0
1
1
--
R – Reset (сброс), S – Set (установка),
R=1 и S=1 – запрещенная комбинация
22

23. Организация ЭВМ

2.1.1 Асинхронные триггеры
2.1.1.2 JK-триггер
J
K
Q(t+1)
0
0
Q(t) (хранение)
0
1
0
1
0
1
1
1
! Q(t) (переброс)
J – Jump (установка), K – Kill (сброс),
J=1 и K=1 – разрешенная комбинация (переброс)
23

24. Организация ЭВМ

2.1.1 Асинхронные триггеры
2.1.1.3 T-триггер
T
Q(t+1)
0
Q(t) (хранение)
1
! Q(t) (переброс)
Т-триггер – триггер со счетным входом.
Получается из JK объединением входов.
Используется для построения счетчиков.
Обычно включает доп. вход для сброса (R).
24

25. Организация ЭВМ

2.1.2 Cинхронные триггеры со статическим
управлением
2.1.2.1 D-триггер
С
D
Q(t+1)
0
0
Q(t) (хранение)
0
1
Q(t) (хранение)
1
0
0
1
1
1
D - триггер – триггер задержки (Delay).
Во всех синхронных триггерах добавляется вход
синхронизации (разрешения работы) C.
25

26. Организация ЭВМ

2.1.2 Cинхронные триггеры со статическим
управлением
2.1.2.2 RS- и другие типы триггеров
Аналогично D – триггер работает по своей таблице
при разрешающем сигнале C (управление уровнем).
26

27. Организация ЭВМ

2.1.3 Cинхронные триггеры с динамическим
управлением
2.1.2.2 На примере D-триггера
С
D
Q(t+1)
0
*
Q(t) (хранение)
1
*
Q(t) (хранение)
0 -> 1
0
0
0 -> 1
1
1
Управление сменой сигнала C (фронтом или спадом).
27

28. Организация ЭВМ

2.2 Регистры
Регистр – набор триггеров с дополнительными схемами
управления и передачи сигналов для хранения
многоразрядных двоично-кодированных слов и
выполнения некоторых простых операций
(например, сдвиг) над ними.
Типы регистров :
1)Регистры хранения
2)Регистры сдвига (сдвиговые регистры)
3)Многофункциональные регистры (арифметические и
циклические сдвиги, перекодирование и др.)
28

29. Организация ЭВМ

2.2 Регистры. Обозначение
Сдвиговый регистр (сдвиг на 1 разряд в обе стороны)
29

30. Организация ЭВМ

2.3 Счетчики
Счетчик – набор триггеров с дополнительными схемами
управления и передачи сигналов для хранения
многоразрядных двоично-кодированных слов и
выполнения операций счета (инкремент, декремент)
над ними, в том числе – по модулю.
Типы счетчиков :
1)Двоичные (от 0 до 2n – 1)
2)Одно - и двунаправленные
(суммирующие, вычитающие, реверсивные)
3)По указанному модулю K (считают до от 0 до K - 1).
30

31. Организация ЭВМ

2.3 Счетчики. Обозначение
СТ2
31