Теперь машина готова к процессу, называемому начальной загрузкой, который протекает в несколько этапов. При следующем тактовом импульсе в программный счётчик заносится адрес, подготовленный ещё при конструировании компьютера. Адрес обычно устанавливается при помощи набора ручных переключателей. Адрес – серия высоких и низких уровней напряжения

Программы начальной загрузки различны у разных машин. Иногда компью-тер сразу же обращается к внешней памяти, накопителю на магнитных дисках, и следует, записанным там инструкциям. В рассматриваемой здесь системе компьютер начинает с проверки внутренних компонентов схем.

Элементы организации основных блоков ЭВМ.

Общая схема формальной ЭВМ и её центрального процессора приведена на рисунке (Приложение рис.2 и 3). На ней приведены основные компоненты: центральный процессор (ЦП), оперативная память (ОП), система ввода/вывода (КВ/В). Далее основные компоненты будут рассмотрены подробнее.

Архитектурная организация процессора ЭВМ.

Центральный процессор выполняет программу начальной проверки, совершая тысячи мелких шагов; в данном случае каждый шаг заключается в обработке байта данных. Этот байт может представлять собой часть адреса, код инструкции или элемент данных найденных по определённому адресу (скажем, цифру или букву алфавита). Байт – это набор сигналов высоким или низким уровнем напряжения, которые передаются либо по адресной шине (жёлтая полоса), либо по шине данных (красная).

Центральный процессор включает в себя следующие блоки:

Блок ПЗУ - постоянно запоминающее устройство.

Блок оперативной памяти (ОП).

Устройство управления (УУ) которое вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микрокоманд (находящихся в ПЗУ), реализующей текущую команду. Наряду с этим УУ координирует функционирование всех устройств ЭВМ посредством посылки управляющих сигналов. Обмен данными ЦП Û ОП, хранение и обработка информации, интерфейс с пользователем, тестирование, диагностика и др. В блок УУ входит панель или консоль, динамически отображающая работу УУ (а значит и ЭВМ) и позволяющая оператору визуально её отслеживать и влиять (при необходимости) на последующих ход обработки; например, диагностика ошибок, сбоев и их устранение.

Блок УР предназначенный для хранения управляющей информацией и содер-жащей регистры и счётчики, участвующие совместно с УУ в управлении вы-числительным процессом: регистр состояния ЦП, счётчики команд и тактов, регистр запросов прерывания и др. УР также включает управляющие триггеры, фиксирующие режимы работы ЦП.

Блок РП содержит регистры сверхоперативной памяти (более высокого быстродействия, чем ОП) небольшого объёма, позволяющие повысить быстродействие и логические возможности ЦП.

Блок АЛУ служит для выполнения арифметических и логических операций над данными, поступающими из ОП и хранящимися в РП, и работает под уп-равлением УУ. ЦП может содержать одно универсального назначения АЛУ или несколько специализированных для отдельных видов операций. В блок АЛУ входит регистр общего назначения (РОН), который включает в себя более 4 сумматоров, в которых сохраняется результат каждой арифметико–логической операции.

Интерфейсный блок (ИБ) обеспечивает обмен информацией ЦП с ОП и защиту участков ОП от несанкционированного для текущей программы доступа, а также связь ЦП с периферийными устройствами и другими внешними по отношению к нему устройствами (ВУ), в качестве которых могут выступать другие процессоры и ЭВМ.

Блок контроля и диагностики (БКД) предназначен для обнаружения сбоев и отказов узлов ЦП, восстановления работы текущей программы после сбоев и локализации неисправностей при отказах.

Кэш-память – новый нетрадиционный тип внутренней памяти ЭВМ, время доступа к которой, значительно меньше (не более нескольких десятков наносекунд), чем к ОП.

Внешние устройства (ВУ).

Проверка в несколько миллионов шагов

Шаги машинного цикла, описанные на предыдущих страницах, хорошо иллюстрируют последовательности дискретных действий, которые повторяются многократно при чтении очередной инструкции центральным процессором. Каждое действие происходит за время порядка 30 нс (наносекунда; 1нс=10-9 с). ОЗУ. Эта процедура состоит из миллионов отдельных шагов и в зависимости от объёма памяти компьютера занимает до нескольких секунд. Проверка ОЗУ сложна по двум причинам. Во-первых, каждая микросхема ОЗУ обычно содержит 64 К информации (1К = 1024 бит), т.е. 65 536 бит. Во–вторых, в этих крошечных, плотно упакованных микросхемах информация хранится иначе, чем в ПЗУ. Как показано на двух предыдущих разворотах, восьми битный элемент данных, считываемый процессором из ПЗУ, содержится в одной микросхеме. В ОЗУ 8 бит (1 байт) данных записаны в определённой последовательности в 8 различных микросхемах. Такая организация оперативной памяти позволяет наиболее эффективно пользоваться адресным пространством памяти и оптимально планировать схему системной платы.

Чтобы убедиться, что ни одна микросхема ОЩУ не вышла из строя, ЦПУ обращается к ним, задавая адреса, определяет те 8 микросхем, каждая из которых должна послать 1 бит по шине данных в центральный процессор. Процессор сверяет принятый таким образом байт с тем, который записан в память. Эти байты должны совпадать. Для проверки всех ячеек одной микросхемы ЦП должен повторить этот тест 65 536 раз (с различными адресами). Разумеется, в то же самое время проверяются другие семь микросхем ОЩУ. Обнаружив ошибки, процессор запоминает, что определённые области ОЗУ неисправны и ими не следует пользоваться.

Организация памяти ЭВМ

Под памятью ЭВМ понимаются запоминающие устройства (ЗУ). Стоимость памяти составляет существенную часть общей стоимости ЭВМ. Память ЭВМ имеет многоуровневую организацию:

-         внутренняя (сверхоперативная (СВОП), кэш-память, ПЗУ, ОП).

Кэш-память, внутренняя память ЭВМ. В настоящее время память этого типа широко используется в мини-, общего назначения и супер-ЭВМ, а также в более мощных ПК. Кэш-память выполняется на быстродействующих БИС и её быстродействие должно соответствовать скорости работы АЛУ и УУ. Кэш-память используется для ранения наиболее часто используемых программ и данных, осуществляя своего рода связующий буфер между быстрыми устройствами ЦП и более медленной ОП и позволяя получать существенный временной выигрыш.

Оперативная память (ОП) служит для хранения информации (программы, данные, промежуточные и конечные результаты),непосредственно обеспечивающие текущий вычислительный процесс в АЛУ и УУ процессора. Информация в ОП сохраняется только при наличии питания (сеть, батарея); поэтому во избежание потери информации, используемые для наиболее важных работ ЭВМ различных классов обеспечиваются автономным блоком питания (UPS), который автоматически включается при отключении основного питания (переносные ПК). В процессе обработки информации осуществляется тесное взаимодействие ЦА и ОП под управлением первого: из ОП в ЦП поступают команды и операнды, над которыми производятся операции (определяемые их кодами в командах), а из ЦП в ОП записываются промежуточные и конечные результаты обработки. В настоящее время объём ОП колеблется в широком диапазоне, от 640Кбайт (для простых ПК), до нескольких гигабайт у супер-ЭВМ; время обращения к памяти менее 0,2мкс; в качестве элементной используется в основном полупроводниковая база (диапазоны значений времени доступа в наносекундах: СВОП-5-15, кэш-10-50, ПЗУ-30-200, ОП-50-150). Развитие элементной базы постоянно корректирует эти показатели в сторону уменьшения; при этом скорость уменьшения увеличивается.

Рассмотрим структурную организацию ОП современных ЭВМ. Различают: адресную, ассоциативную и стэковую память.

Адресная память – размещение и поиск информации в ней основаны на адресном принципе хранения слов; адресом слова является номер его ячейкп. При доступе к такого типа памяти команда должна указывать номер(адрес) ячейки ОП прямо или косвенно через адресные регистры (база, смещение)

Ассоциативная память – обеспечивает поиск нужной информации по её содержанию; при этом поиск по ассоциативному признаку происходит параллельно во времени для всех ячеек ОП. Во многих случаях такой вид памяти позволяет существенно ускорить и упростить обработку иняормации, что достигается за счёт совмещения операции доступа с выполнение ряда логических операций.

Стэковая память – также является безадресной и её можно представить в виде одномерного массива ячеек. В таком массиве соседние ячейки связаны друг вс другом последовательной передачей свлов: запись нового слова в ОП производится в её верхнюю яченйку с номером 0, при этом все ранее записанные слова (включая 0-ячейку) сдвигаются на ячпейку вниз, т.е. получают адреса на 1 больше прежних (до операции записи). Считывкание в такого типа памяти производится только из её 0-ячейки; при этом, если производится считывание с удалением слова, то все остальные слова сдвигаются вверх на одну ячейку. Стековая память реализует LIFO – принцип доступа: Last Input – First Output.

Рис.1.

0 k n-1