Структурные схемы вычислительных систем

Для обеспечения вычислительного процесса вычислительная система должна содержать:

– устройства по вводу и выводу информации;

– память для хранения входной, выходной, промежуточной информации, различных программ и данных;

– операционное устройство (ОУ) или арифметическо-логическое устройство (АЛУ), в котором производится обработка информации;

– устройство управления (УУ), формирующее управляющие сигналы (УС), с помощью которых осуществляется последовательное выполнение команд программ пользователя.

– операционное устройство и управляющее устройство образуют процессор

Существуют два вида взаимосвязи устройств между собой: классическая и магистральная.

В классической структуре построения вычислительной системы (рисунок 7.1.1) связи между устройствами индивидуальные, а в магистральной – общие.

Рисунок 7.1.1

Рассмотрим выполнение вычислительного процесса в вычислительной системе классической структуры. Элементарный неделимый акт обработки информации называется операцией, а управляющая информация, вызывающая выполнение этой операции, – командой. Каждая команда состоит из двух частей: кода операции, который содержит информацию о выполнении необходимых действий над данными (что надо сделать), и адресной части, содержащей данные или информацию о месте расположения данных, над которыми необходимо произвести действия в соответствии с кодом операции. Последовательность команд, реализующих требуемый процесс преобразования информации, со­ставляет программу исходных данных. Программа вводится в вычислительное устройство через устройства ввода-вывода (УВВ), затем она попадает в память вычислительной системы и лишь после этого начинается ее выполнение. Управление процессом обработки информации в соответствии с командами программы пользователя осуществляется устройством управления, входящим в процессор. В нем происходит дешифрация кода операции каждой команды и в соответствии с этим вырабатываются управляющие сигналы, необходимые для выполнения команды. Под действием управляющих сигналов, воздействующих на нужные участки исполнительных блоков, ОУ получает необходимые данные, выполняет над ними нужные действия, а полученный результат затем разме­щается в памяти.

Память, содержащая команды, данные, промежуточные и окон­чательные результаты вычислений, называется оперативной памятью. Так как данные, извлекаемые из оперативной памяти, обрабатываются непосредственно процессором, то оперативная память должна иметь большой объем и быстродействие, соизмеримое со скоростью работы процессора. Но помимо выполняемой программы пользователя существуют другие программы, с помощью которых организуется работа системы по вводу и выводу информации. Такие программы находятся в постоянной памяти и являются принадлежностью вычислительной системы.

При классической структуре построения достигается максимальное быстродействие вычислительной системы. Это объясняется возможностью параллельной работы устройств по индивидуальным линиям связи, что позволяет практически параллельно производить обработку нескольких программ. По мере совершенствования технологии изготовления интегральных схем появилась возможность создания элементной базы с высокой степенью интеграции (больших интегральных схем – БИС, сверхбольших интегральных схем – СБИС) и интегральных носителей информации большого объема, которые в настоящее время нашли широкое распространение в вычислительных системах на базе микропроцессоров,

Рассмотрим магистральную структуру построения вычислительной системы, представленную на рисунок 7.1.2.

Рисунок 7.1.2.

Функции, закрепленные за устройствами вычислительной системы те же, что и в классической структуре, но взаимодействие между ними осуществляется иначе. Каждое устройство имеет выход на шины связи – магистрали, доступ к которым возможен с помощью специальных схем с тремя состояниями (передача лог. «1», лог. «0» и состояние, эквивалентное размыканию ключа, при котором возможно отключение от магистрали). Таким образом, к магистрали подключаются устройства, между которыми в данный момент происходит обмен информацией. Под шиной подразумеваются линии связи для передачи сигналов. Группа из n -разрядных линий передачи информации называется шиной или магистралью. В зависимости от вида и направления передаваемой информации за каждой магистралью закрепляется определенное функ­циональное назначение – передача адреса, данных, управления, причем в зависимости от направления передаваемой информа­ции шины могут быть однонаправленные и двунаправленные. Линии шин адреса и управления являются однонаправленными. Источником сигналов адреса и управления является процессор, а предназначены сигналы для передачи остальным устройствам. Линия шины данных – двунаправленная. Информация может циркулировать от одного устройства к другому в двух направлениях: от устройств ввода в память – при вводе; из памяти в процессор – при выполнении команды; из процессора в память – после выполнения команды; из памяти в устройство вывода – при выводе результатов и т.д. Для этого устройство управления формирует управляющие сигналы доступа к этим устройствам: «Чтение», «Запись», «Вывод на внешние устройства», «Ввод с внешнего устройства».