Вычислительная математика и программирование - Боглаев Ю.П.
ISBN 5-06-00623-9
Скачать (прямая ссылка):
1.1.2. Архитектура ЭВМ. Под архитектурой машины понимается ее логическая организация, структура, ресурсы, которые может использовать программист. Описание ЭВМ в виде логических элементов (а‘ не физических) и их взаимодействия друг с другом освобождает пользователя от необходимости знания физической организации элементов ЭВМ.
Иметь представление об архитектуре полезно, а часто и необходимо пользователю на любом этапе вычислительного процесса от формулировки математической модели до проведения вычислений. Архитектура определяет те ресурсы, которыми располагает пользователь для решения своей задачи. Возможно, что на этапе формулировки модели окажется, что архитектура ЭВМ не обеспечивает решение поставленной задачи, и тогда для ее решения следует выбрать машину подходящей архитектуры.
• 1.2. Архитектура фон Неймана
1.2.1. Основные элементы. Структура, присущая большинству современных ЭВМ, была принципиально описана в конце 40-х годов фон Нейманом. Ее иногда называют классической или традиционной. Общая организация ЭВМ представлена на рис. 1.1.
Центральное место среди функций, выполняемых машиной, занимают арифметические и логические операции. Для этой цели служит блок, называемый арифметическим и логическим устрой-
Рис. 1Л
ством. Второй блок — устройство управления. Этот блок обеспечивает последовательность управляющих сигналов для арифметического и логического устройства.
При выполнении арифметических операций возникает необходимость в сохранении промежуточных результатов. Роль хранилища информации, доступной как арифметическому и логическому устройству, так и устройству управления, выполняет оперативное запоминающее устройство или память.
Для того чтобы использовать машину для обработки необходимой информации и получения результатов, нужно вводить и выводить информацию. Эти операции обеспечивают устройства ввода и вывода (рис. 1.1).
1.2.2. Арифметическое и логическое устройство. Это устройство в ЭВМ фактически и выполняет все вычисления. Операции выполняются с помощью электронных схем, каждая из которых состоит из нескольких тысяч элементов. Микросхемы имеют высокую плотность и быстродействие. На современном технологическом уровне все арифметическое и логическое устройство можно разместить на одном кристалле полупроводникового элемента размером с конторскую скрепку.
1.2.3. Устройство управления. Этот блок управляет работой всей ЭВМ. Здесь оценивается поток входной информации и решается вопрос: когда, как и какими средствами выполнять обработку. Устройство управления указывает арифметическому и логическому устройству последовательность работ, источник получения информации, а также приемник результатов.
Управляющие сигналы вырабатываются на основе интерпретации последовательности команд. Команда содержит информацию о том, что нужно делать (код операции) и где расположены данные (адреса операндов в памяти). Последовательность команд для устройства управления хранится в памяти и называется собственно программой. Это программа в машинных кодах.
Команды выполняются последовательно во времени в порядке, который определяет либо сама команда, либо специальный счетчик команд. В некоторых машинах совмещается во времени выполнение текущей команды с выборкой из памяти следующей. Но эта процедура «не видна» программисту, она выполняется на электронном уровне.
Устройство управления совместно с арифметическим и логическим устройством называют центральным процессором.
1.2.4. Оперативная память. Этот блок хранит информацию для устройства управления (команды) и арифметического устройства (данные). Идея размещения в памяти команд и данных является фундаментальной, лежащей в основе ЭВМ архитектуры фон Неймана. Содержимое ячейки памяти, на которую указывает счетчик команд, может интерпретироваться как команда или как данные.
ММ. ГЪМЬНОГО
ЗДЗДИОТЕКЛ
МчГ.У.
17
БИТЫ
#
БАЙТЫ
оо*оо*о*
о
• 00*00*0
Рис. 1.2
Оперативная память собирается на ферритовых сердечниках или полупроводниковых микросхемах и состоит из отдельных ячеек. Каждая ячейка может содержать элемент данных (числа), часть команды или полную команду.
Простейшей единицей измерения данных является двоичный разряд—бит..$ит имеет представление «О» или «1» и запоминается как определенное направление намагниченности ферритового сердечника либо определенное состояние электронного переключателя. Отдельный бит обрабатывается и изменяется только в центральном процессоре.
Многие ЭВМ имеют байтовую архитектуру. Байт — это последовательность битов, образующих единицу передачи информации. Обычно байт состоит из 8 бит (рис. 1.2). На ЭВМ с байтовой архитектурой предусматривается обращение к отдельным байтам.
Упорядоченная совокупность битов (байтов) образуют слово. Количество битов в слове изменяется от 8 (для микро-ЭВМ) до 64 (в супер-ЭВМ). В машинах с байтовой архитектурой слово представляется 2, 4, 8 байтами. Машинное слово—это основной объект данных в языке фортран (см. гл. 3).
Каждое слово*(ячейка) имеет свой адрес, связанный с расположением в памяти. Следует отличать адрес от содержимого (рис. 1.3).
