Лекция_2

1.

ЛЕКЦИЯ 2. ОРГАНИЗАЦИЯ
КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ.
ТИПОВАЯ СТРУКТУРА
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.
ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ БУЛЕВЫ
АЛГЕБРЫ. АРИФМЕТИКОЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ
(АЛУ).

2.

ПЛАН
•История создания и поколения ЭВМ
•Архитектура ЭВМ
•Классификация ЭВМ
•Базовая аппаратная конфигурация
компьютера
•Логические основы ЭВМ.
• Основные законы Булевы алгебры.
•Арифметико-логические устройства ЭВМ
(АЛУ).

3.

В истории развития вычислительной техники принято выделять поколения ЭВМ. Переход
от одного поколения к другому связан со сменой элементной базы, на которой построен
компьютер.
Выделяют следующие поколения ЭВМ:
•первое поколение: 1946-1957 годы; элементная база – электронные вакуумные лампы;
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – до 100 байт; быстродействие — до 10000
операций в секунду;
•второе поколение: 1958-1964 годы; элементная база – транзисторы; ОЗУ — до 1000
байт; быстродействие — до 1 млн. операций в секунду;
•третье поколение: 1965-1975 годы; элементная база – малые интегральные схемы; ОЗУ
— до 10 Кбайт; быстродействие – до 10 млн. операций в секунду;
•четвертое поколение: 1976 год; элементная база — большие (БИС) и сверхбольшие
(СБИС) интегральные схемы; ОЗУ — от 100 Кбайт и выше; быстродействие — свыше 10
млн. операций в секунду.
•пятое поколение: характерными особенностями ЭВМ будут способность их к
самообучению и наличие речевого ввода и вывода информации.

4.

Однако, эта
машина еще не
использовала
принцип
хранимой
программы.

5.

С точки зрения архитектуры ЭВМ с
хранимой в памяти программой,
революционными были идеи
американского математика, Члена
Национальной АН США и
американской академии искусств и
наук Джона фон Неймана (1903-1957).
Эти идеи были изложены в статье
1946 г. «Предварительное
рассмотрение логической конструкции
электронного вычислительного
устройства», написанной вместе с А.
Берксом и Г. Голдстайном.
Этот принцип требует, чтобы программа
вводилась в память компьютера так же,
как в нее вводятся данные.

6.

Архитектура ЭВМ включает в себя как
структуру, отражающую состав ПК, так и
программно – математическое обеспечение.
Структура ЭВМ - совокупность элементов и
связей между ними.
Основным принципом построения всех
современных ЭВМ является программное
управление. Основы учения об архитектуре
вычислительных машин были заложены
Джоном фон Нейманом. Совокупность этих
принципов породила классическую (фоннеймановскую) архитектуру ЭВМ.
Фон
Нейман
не
только
выдвинул
основополагающие принципы логического
устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру,
представленную на рисунке.

7.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) функциональная часть компьютера,
выполняющая логические и арифметические
действия, необходимые для переработки
информации, хранящейся в памяти.
АЛУ характеризуется:
временем выполнения элементарных
операций;
средним быстродействием, т.е. количеством
арифметических и логических действий
(операций), выполняемых в единицу времени
(секунду);
набором элементарных действий, которые оно
выполняет;
видом алфавита или системы счисления, в
которой производятся действия (выбор
системы счисления оказывает влияние на все
технические характеристики устройства).

8.

Устройство управления - функциональная часть ЭВМ, предназначенная для автоматического управления
ходом вычислительного процесса, обеспечивающая взаимодействие всех частей машины в соответствии с
программой решения задачи.
Устройство управления обращается в память машины, выбирает очередную команду, расшифровывает ее и
вырабатывает сигналы, указывающие другим устройствам, что им надлежит делать.

9.

Принципы архитектуры фон Неймана
1) Принцип двоичности.
Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.
2) Принцип программного управления.
Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в
определённой последовательности.
3) Принцип однородности памяти.
Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти. Над командами можно
выполнять такие же действия, как и над данными.
4) Принцип адресуемости памяти.
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный
момент времени доступна любая ячейка.
5) Принцип последовательного программного управления.
Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения
другой.
6) Принцип условного перехода.
Kоманды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в
программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения
команд в зависимости от значений данных.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.

10.

Архитектура ЭВМ
Под архитектурой ЭВМ понимается
совокупность общих принципов организации
аппаратно-программных средств и их
характеристик, определяющая функциональные
возможности ЭВМ при решении соответствующих
классов задач.
Архитектура ЭВМ охватывает широкий
круг проблем, связанных с построением
комплекса аппаратных и программных средств и
учитывающих множество факторов. Среди этих
факторов важнейшими являются: стоимость,
сфера применения, функциональные
возможности, удобство эксплуатации, а одним из
главных компонентов архитектуры являются
аппаратные средства. Основные компоненты
архитектуры ЭВМ можно представить в виде
схемы (рис. 1).

11.

Архитектуру ЭВМ следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства
определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т.
д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила
взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в
той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она
регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более
грамотного использования данного средства.
К понятию архитектуры относятся следующие принципы построения ЭВМ:
1.структура памяти ЭВМ;
2.способы доступа к памяти и внешним устройствам;
3.возможность изменения конфигурации компьютера;
4.система команд;
5.форматы данных;
6.организация интерфейса.
7.классическая архитектура ЭВМ (архитектура фон-Неймана).

12.

Рис.2. Схема архитектуры ЭВМ

13.

По мере развития ЭВМ классическая архитектура претерпела существенные усовершенствования.
Основное направление этих изменений — разгрузка центрального процессора от функций обмена
информацией и передачи их специальным устройствам — контроллерам. Шинная архитектура
является открытой, поскольку позволяет подключать новые устройства.
Рис.3. Схема шинной архитектуры

14.

Классификация ЭВМ
Рис. 4. Классификация ЭВМ

15.

Универсальные большие и супер-ЭВМ обладают способностью работать одновременно с
большим количеством пользователей, создавать гигантские базы данных и обеспечивать
эффективную вычислительную работу. Они обеспечивают устойчивость вычислительного
процесса, безопасность информации и низкую стоимость ее обработки.
Средние ЭВМ. Вычислительные машины этого класса обладают несколько меньшими
возможностями, чем большие ЭВМ, но им присуща и более низкая стоимость.
Малые ЭВМ составляют самый многочисленный и быстроразвивающийся класс ЭВМ. Их
популярность объясняется малыми размерами, низкой стоимостью (по сравнению с большими
и средними ЭВМ) и универсальными возможностями.
Класс мини-ЭВМ появился в 60-е годы. Для мини-ЭВМ характерно представление данных с
узким диапазоном значений, использование принципа магистральности в архитектуре и более
простое взаимодействие человека и ЭВМ. Такие машины широко применяются для управления
сложными видами оборудования, создания систем автоматизированного проектирования и
гибких производственных систем.

16.

Изобретение микропроцессора привело к появлению нового класса ЭВМ — микро-ЭВМ,
определяющим признаком которого является наличие одного или нескольких
микропроцессоров. Создание микропроцессора не только изменило центральную часть ЭВМ,
но и привело к необходимости разработки малогабаритных устройств ее периферийной
части.
Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ привели к появлению персональных
ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и
ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной
техники. Все оборудование персональной ЭВМ размещается в пределах стола.
Персональный компьютер позволяет эффективно выполнять научно-технические и
финансово-экономические расчеты, организовывать базы данных, подготавливать и
редактировать документы и любые другие тексты, вести делопроизводство, обрабатывать
графическую информацию и т. д. Выполнение многих из указанных функций поддерживается
многочисленными эффективными универсальными функциональными пакетами программ.

17.

Как устроен компьютер?
Разнообразие современных компьютеров очень
велико. Но их структуры основаны на
общих логических принципах, позволяющих
выделить в любом компьютере следующие
главные устройства:
• память (запоминающее устройство, ЗУ),
состоящую из перенумерованных ячеек;
• процессор, включающий в себя устройство
управления (УУ) и арифметико-логическое
устройство (АЛУ);
• устройство ввода;
• устройство вывода.
Эти устройства соединены каналами связи, по
которым передается информация.

18.

ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ЭВМ
Для описания логики функционирования аппаратных и
программных средств ЭВМ используется алгебра логики или, как ее
часто называют, булева алгебра (по имени основоположника этого
раздела математики – Дж. Буля).
Булева алгебра оперирует логическими переменными, которые могут
принимать только два значения: истина или ложь (true или false),
обозначаемые соответственно 1и 0.
Основной СС ЭВМ является двоичная СС, в которой используются только
2 цифры –1 и 0. Значит, одни и те же цифровые устройства ЭВМ могут
применяться для обработки как числовой информации в двоичной СС,
так и логических переменных. Это обуславливает универсальность
(однотипность) схемной реализации процесса обработки информации в
ЭВМ.

19.

Логические основы ЭВМ
Базовые понятия
• Любое вычислительное устройство
компьютера (например, двоичный сумматор)
представляет собой электронную схему,
состоящую из простых логических элементов,
работа которых базируется на законах и
правилах алгебры логики.
• Алгебра логики (булева алгебра) – раздел
дискретной математики, изучающий
высказывания и логические операции над
ними.
• Высказывание – связное повествовательное
предложение, о котором можно сказать,
истинно оно или ложно.

20.

Логическая формула (логическое выражение) – это составное высказывание,
включающее логические значения (Истина или Ложь), логические переменные,
логические функции и логические операции.
Логические операции
В алгебре логики имеются три базовые операции:
– логическое отрицание (инверсия, НЕ, NOT, ¬, );
– логическое умножение (конъюнкция, И, AND, &, );
– логическое сложение (дизъюнкция, ИЛИ, OR, |, , +).
Другие логические операции путем логических преобразований могут быть сведены к
трем базовым операциям.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

28.

Логические элементы
Логический элемент (вентиль) компьютера — это часть электронной
логичеcкой схемы, которая реализует элементарную логическую операцию.
На входы логического элемента поступают сигналы – значения аргументов, на выходе
появляется сигнал – значение функции. Входные и выходные сигналы логических элементов
могут иметь одно из двух логических состояний:
1 (истина) или 0 (ложь).
К базовым логическим элементам относятся электронные схемы: НЕ, И,
ИЛИ, И–НЕ, ИЛИ–НЕ, а также сумматор, триггер.
С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу
устройств компьютера. Обычно у вентилей бывает от двух до восьми входов и только один
выход. Чтобы представить два логических состояния — "1" и "0" в вентилях, соответствующие
им входные и выходные сигналы имеют один из двух установленных уровней напряжения.
Например, +5 вольт и 0 вольт. Высокий уровень обычно соответствует значению "истина" ("1"), а
низкий — значению "ложь" ("0").

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

Переключательные схемы
В ЭВМ применяются электрические схемы, состоящие из множества переключателей. Один
переключатель может находиться только в двух состояниях: замкнутом и разомкнутом. В первом
случае – ток проходит, во втором – нет. Описывать работу таких схем очень удобно с помощью
алгебры логики. В зависимости от положения переключателей можно получить или не получить
сигналы на выходах.

37.

Вентили, триггеры и сумматоры
Вентиль представляет собой логический элемент, который принимает одни двоичные значения и выдает
другие в зависимости от своей реализации. Так, например, есть вентили, реализующие логическое
умножение (конъюнкцию), сложение (дизъюнкцию) и отрицание.
Триггеры и сумматоры – это относительно сложные устройства, состоящие из более простых элементов –
вентилей.
Простейший вентиль представляет собой транзисторный инвертор, который преобразует низкое
напряжение в высокое или наоборот (высокое в низкое). Это можно представить как преобразование
логического нуля в логическую единицу или наоборот. Т.е. получаем вентиль НЕ.
Триггер способен хранить один двоичный разряд, за счет того, что может находиться в двух устойчивых
состояниях. В основном триггеры используется в регистрах процессора.
Сумматоры широко используются в арифметико-логических устройствах (АЛУ) процессора и выполняют
суммирование двоичных разрядов.

38.

Выходной сигнал вентиля можно
выражать как функцию от входных.
Транзистору требуется очень мало
времени для переключения из одного
состояния в другое (время
переключения оценивается в
наносекундах). И в этом одно из
существенных преимуществ схем,
построенных на их основе.

39.

Сумматор и полусумматор
Арифметико-логическое устройство процессора (АЛУ) обязательно
содержит в своем составе такие элементы как сумматоры. Эти схемы
позволяют складывать двоичные числа.
Как происходит сложение? Допустим, требуется сложить двоичные числа 1001 и 0011. Сначала складываем
младшие разряды (последние цифры): 1+1=10. Т.е. в младшем разряде будет 0, а единица – это перенос в
старший разряд. Далее: 0 + 1 + 1(от переноса) = 10, т.е. в данном разряде снова запишется 0, а единица
уйдет в старший разряд. На третьем шаге: 0 + 0 + 1(от переноса) = 1. В итоге сумма равна 1100.

40.

Полусумматор
Теперь не будем обращать внимание на перенос из
предыдущего разряда и рассмотрим только, как
формируется сумма текущего разряда. Если были даны две
единицы или два нуля, то сумма текущего разряда равна 0.
Если одно из двух слагаемых равно единице, то сумма
равна единице. Получить такие результаты можно при
использовании вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ.
Перенос единицы в следующий разряд происходит, если
два слагаемых равны единице. И это реализуемо вентилем
И.
Тогда сложение в пределах одного разряда (без учета
возможной пришедшей единицы из младшего разряда)
можно реализовать изображенной ниже схемой, которая
называется полусумматором. У полусумматора два входа
(для слагаемых) и два выхода (для суммы и переноса). На
схеме изображен полусумматор, состоящий из вентилей
ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и И.

41.

Сумматор
В отличие от полусумматора
сумматор учитывает перенос из
предыдущего разряда, поэтому
имеет не два, а три входа.
Чтобы учесть перенос приходится
схему усложнять. По сути она
получается, состоящей из двух
полусумматоров.

42.

Триггер как элемент памяти. Схема RS-триггера
Память (устройство, предназначенное для хранения данных и команд) является важной частью
компьютера. Можно сказать, что она его и определяет: если вычислительное устройство не
имеет памяти, то оно уже не компьютер.
Элементарной единицей компьютерной памяти является бит. Поэтому требуется устройство,
способное находиться в двух состояниях, т.е. хранить единицу или ноль. Также это устройство
должно уметь быстро переключаться из одного состояния в другое под внешним
воздействием, что дает возможность изменять информацию. Ну и наконец, устройство должно
позволять определять его состояние, т.е. предоставлять во вне информацию о своем состоянии.
Устройством, способным запоминать, хранить и позволяющим считывать информацию, является триггер.
Он был изобретен в начале XX века Бонч-Бруевичем.
Разнообразие триггеров весьма велико. Наиболее простой из них так называемый RS-триггер, который
собирается из двух вентилей. Обычно используют вентили ИЛИ-НЕ или И-НЕ.

43.

RS-триггер на вентилях ИЛИ-НЕ
RS-триггер «запоминает», на какой его вход подавался сигнал, соответствующий единице, в
последний раз. Если сигнал был подан на S-вход, то триггер на выходе постоянно «сообщает», что
хранит единицу. Если сигнал, соответствующий единице, подан на R-вход, то триггер на выходе
имеет 0. Не смотря на то, что триггер имеет два выхода, имеется в виду выход Q. (Q с чертой
всегда имеет противоположное Q значение.)
Другими словами, вход S (set) отвечает за установку триггера в 1, а вход R (reset) – за установку
триггера в 0. Установка производится сигналом, с высоким напряжением (соответствует единице).
Просто все зависит от того, на какой вход он подается.
Большую часть времени на входы подается сигнал равный 0 (низкое напряжение). При этом
триггер сохраняет свое прежнее состояние.

44.

Возможны следующие ситуации:
Q = 1, сигнал подан на S, следовательно, Q не меняется.
Q = 0, сигнал подан на S, следовательно, Q = 1.
Q = 1, сигнал подан на R, следовательно, Q = 0.
Q = 0, сигнал подан на R, следовательно, Q не меняется.
Ситуация, при которой на оба входа подаются единичные сигналы, недопустима.
Как триггер сохраняет состояние? Допустим, триггер выдает на выходе Q логический 0. Тогда судя по схеме,
этот 0 возвращается также и в верхний вентиль, где инвертируется (получается 1) и уже в этом виде
передается нижнему вентилю. Тот в свою очередь снова инвертирует сигнал (получается 0), который и
имеется на выходе Q. Состояние триггера сохраняется, он хранит 0.

45.

Теперь, допустим, был подан единичный сигнал на вход S. Теперь в верхний вентиль входят два
сигнала: 1 от S и 0 от Q. Поскольку вентиль вида ИЛИ-НЕ, то на выходе из него получается 0. Ноль
идет на нижний вентиль, там инвертируется (получается 1). Сигнал на выходе Q становится
соответствующим 1.

46.

Почему необходимо уметь строить логические схемы?
Дело в том, что из вентилей составляют более сложные схемы, которые позволяют выполнить
арифметические операции и хранить информацию. Причем схему, выполняющую определенные функции,
можно построить из различных по сочетанию и количеству вентилей. Поэтому значение формального
представления логической схемы чрезвычайно велико. Оно необходимо для того, чтобы разработчик имел
возможность выбрать наиболее подходящий ему вариант построения схемы из вентилей. Процесс
разработки общей логической схемы устройства (в том числе и компьютера в целом) таким образом
становится иерархическим, причем на каждом следующем уровне в качестве «кирпичиков» используются
логические схемы, созданные на предыдущем этапе.
Алгебра логики дала в руки конструкторам мощное средство разработки, анализа и совершенствования
логических схем. В самом деле, гораздо проще, быстрее и дешевле изучать свойства и доказывать
правильность работы схемы с помощью выражающей ее формулы, чем создавать реальное техническое
устройство. Именно в этом состоит смысл любого математического моделирования.
Логические схемы необходимо строить из минимально возможного количества элементов, что в свою
очередь, обеспечивает большую скорость работы и увеличивает надежность устройства.

47.

Алгоритм построения логических схем:
1) Определить число логических переменных.
2) Определить количество базовых логических
операций и их порядок.
3) Изобразить для каждой логической операции
соответствующий ей вентиль.
4) Соединить вентили в порядке выполнения
логических операций.

48.

ПРИМЕР 1
Составить логическую схему для логического
выражения: F=¬XvY&X.
1) Две переменные – X и Y.
2) Две логические операции:
13 2
¬XvY&X.
3) Строим схему, соединяя вентили в порядке
выполнения логических операций:

49.

ПРИМЕР 2
Постройте логическую схему, соответствующую
логическому выражению F=X&Yv¬(YvX).
3) Схему строим слева направо в соответствии с
порядком выполнения логических операций:
Вычислить значения выражения для X=1,Y=0.
1) Переменных две: X и Y.
2) Логических операций четыре: конъюнкция,
две дизъюнкции и отрицание. Определяем
порядок выполнения операций:
1 4 3 2
X&Yv ¬(YvX).
4) Вычислим значение выражения: F=1&0v¬(0v1)=0.