Файл: Архитектура современных компьютеров (Глава 1. Основные принципы построения современных ЭВМ).pdf

Помимо сокращения потерь на ожидание, режим прерываний может позво­лить организовать выполнение такой работы, которую без него реализовать просто невозможно. Так, например, если появится неисправность или нештатная ситуация режим прерываний может позволить организовать работу связанную с диагностикой и автоматическим восстановлением, прервав выполнение основной работы таким образом, чтобы сохранить полученные к этому време­ни правильные результаты. Тогда как без режима прерываний обра­тить внимание на наличие неисправности система могла только пос­ле окончания выполняемой работы (или ее этапа) и получения непра­вильного результата.

В связи с этим система прерываний дает возможность микропроцессору выполнять основную работу, при этом не отвлекаясь на то чтобы проверять состояние сложных систем если в этом нет такой необходимости, а в случае возникновения такой необходимости прервать основную работу и переключиться на анализ возникшей ситуа­ции как только она появилась [16].

Кроме обращения внимания на нештатные ситуации возникающие при работе микропроцессорной системы, процессору необходимо «переключать внимание» на разные работы, которые одновременно выполняются в системе. В связи с тем, что управление рабо­тоспособностью системы осуществляется при помощи программ, то данный вид прерываний формируется программным путем.

Прерывания зависят от того где находится источник прерываний и связи с этим подразделяются внутренние и внешние. Внутренними прерываниями являются программные и аппаратные прерывания, а внешними прерываниями являются поступающие в ЭВМ от внешних источников, таких как клавиатуры или модем.

Принцип действия системы прерываний заключается в отслеживании изменений состояния процессора, то есть в отслеживании выполнения программы после каждого рабочего такта микропро­цессора и изменения содержимого регистров, счетчиков, триггеров и т.п.

В основе многих процедур управления вычислительным процессом лежит информация о состоянии процессора. Не вся информа­ция одинаково актуальна, есть существенные элементы, без которых невозможно продолжение работы. Эта информация должна сохранять­ся при каждом «переключении внимания процессора». Совокупность значений наиболее существенных информационных элементов называется вектором состояния или словом состояния процессора и программы.

Данный вектор состояния в каждый момент времени должен содержать информацию, которой будет достаточно для того чтобы продолжить выполнение программы или повторного пуска ее с точки, которая соответствует моменту когда был сформи­рован этот вектор.

---

Формирование вектора состояния происходит в соответствующем регистре процессора либо в группе регистров, которые используются и для других целей.

У различных ЭВМ наборы информационных элементов, которые образуют векторы состо­яния могут отличаться. В персональном компьютере вектор состояния включает содержимое счетчика команд, сегментных регистров, реги­стра флагов и регистра АХ, так называемого аккумулятора.

Как только появляется событие, которое требует немедленной реакции со стороны ЭВМ, центральный процессор прекращает обработку текущей программы и переключается на выполнение другой программы, которая специально предназна­чена для выполнения данного события. Как только данная программа успешно выполняется центральный процессор возвращается к выполнению отложенной программы. Данный режим работы называет­ся прерыванием.

Все события, которые требуют прерывания обычно сопровождаются специ­альным сигналом. Данный сигнал называется запросом прерывания, а про­грамма которая была затребована запросом прерывания, называется обработ­чиком прерывания.

Запросы на прерывание возникают в основном из-за того что происходят различные сбои в аппаратуре, которые были зафиксированы схемами контроля. Кроме этого запросы на прерывание могут возникать при переполнении разрядной сет­ки, делении на ноль, при выходе программы за установленные для нее области памяти, при возникновении требования от периферийного устройства операции ввода-вывода и других подобных ситуациях.

Некоторые такие запросы могут порождаться самой программой, но время их возникновения заранее предсказать невозможно.

Если происходит несколько запросов прерывания от различных источников одновременно в ЭВМ они обслуживаются согласно установленного определенного порядка. В современных ЭВМ так же предусмотрена возможность разрешить либо запретить прерывания определенных видов.

Все прерывания можно разделить три основных типа - это аппаратные, логические и программные.

Запросы на аппаратные прерывания вырабатывают устройства, которые требу­ют внимание микропроцессора:

– прерывание № 2 — отказ питания;

– прерывание № 8 — от таймера;

– прерывание № 9 — от клавиатуры;

– прерывание № 12 — от адаптера связи;

– прерывание № 14 — от НГМД;

– прерывание № 15 — от устройства печати.

Логические прерывания появляются при срабатывании различных «нештатных» ситуаций и вырабатываются внутри микропроцессора:

---

– прерывание № 0 — при попытке деления на 0;

– прерывание № 4 — при переполнении разрядной сетки арифметико-логического устройства;

– прерывание № 1 — при переводе мик­ропроцессора в пошаговый режим работы;

– прерывание № 3 — при достижении программой одной из контрольных точек.

Прерывания №1 и №3 используются в отладке программ для того чтобы организовать пошаговый режим выполнения программ, так называемая трассировка, а так же для того чтобы остановить програм­му в заранее расставленных контрольных точках.

Запрос на логическое прерывание так же как и на аппаратное вырабатывается в виде специального электрического сигнала.

Программные прерывания вырабатываются программами по команде «INT n», где n является номером вызываемого прерывания [15].

Заключение

В заключение сделаем выводы по проделанной работе.

В данной работе были рассмотрены основные принципы построения современных ЭВМ, а так же исследована их функциональная и структурная организация аппаратного обеспечения.

Рассматриваемые нами принципы построения современных ЭВМ были построены на базе принципов, которые сформулировал американский ученый Дж. Фон Нейман. Он считал, что ЭВМ состоит из четырех основных блоков взаимосвязанных между собой - блок управления, арифметико-логическое устройство, память и устройство ввода-вывода.

Минимальная конфигурация современного ЭВМ включает в себя: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь. В наше время существуют устройства в которых конфигурация объединена, например планшет содержит монитор, клавиатуру и мышь в виде сенсора, но тем не менее эти блоки все равно присутствуют.

Среди различных принципов построения современных ЭВМ основным считается программное управление. В основе данного принципа лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений. Данная программа в свою очередь состоит из последовательности управляющих слов, так называемых команд. Команды в свою очередь содержат указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Все программы, а так же обрабатываемые этими программами данные совместно хранятся в памяти персонального компьютера.

Функциональная и структурная организация аппаратного обеспечения ЭВМ включает в себя аппаратную часть, программное обеспечение этой аппаратной части, а так же много различных функциональных средств.

---

Под функциональной организацией аппаратного обеспечения ЭВМ можно подразумевать коды, систему различных команд, алгоритмы необходимые для выполнения машинных операций, а так же технологии при которых выполнятся различные процедуры взаимодействия аппаратной части и программного обеспечения. Все эти способы использования устройств, при организации их совместной работы и составляют основные принципы функционирования ЭВМ.

Для ЭВМ основными функциональными характеристиками являются:

1. Быстродействие, производительность, тактовая частота.

2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.

3. Типы системного и локальных интерфейсов.

4. Емкость оперативной памяти.

5. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера).

6. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.

7. Тип и емкость накопителей на гибких оптических дисках.

8. Виды и емкость КЭШ-памяти.

9. Монитор и видеоадаптер.

10. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.

11. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ.

12. Возможность работы в вычислительной сети.

13. Возможность работы в многозадачном режиме.

14. Надежность.

15. Стоимость.

16. Габариты и масса.

Под структурной организацией аппаратного обеспечения ЭВМ понимаются способы реализации функций ЭВМ. В качестве примера можно привести элементную базу ЭВМ, ее функциональные узлы и устройства, а так же программные модули различных видов.

Современный ЭВМ на внешний взгляд имеет следующую структуру:

– Системный блок, который содержит в себе материнскую плату, к которой через шины подключены различные устройства – процессор, память, накопитель и т.п.;

– Монитор, который совместно с видеокартой образует видеосистему;

– Мышь и клавиатура, необходимые для ввода информации и управления ею;

– Разные периферийные устройства, которые могут помочь пользователю в работе с ЭВМ.

В заключение можно сделать вывод о том, что задачи, поставленные во введении для раскрытия цели нашей курсовой работы были полностью раскрыты и тем самым цель была достигнута.

Список использованной литературы

Источники на русском языке

1. Архитектура ЭВМ: учеб. пособие/ О. В. Шишов; /под общ. ред. М. И. Ломшина – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2010. – 160 с.
2. Гудыно Л.П., Микрюков А.А. Организация ЭВМ и систем. М.: Московский гос. университет экономики, статистики и информатики, 2013, 154 с.
3. Емельянова Н.З. Основы построения автоматизированных информационных систем. М.: Форум, 2013
4. Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ. СПб.: БХВ-Петербург, 2013
5. Журнал "HARD'n'SOFT" №5, 2013
6. Информатика и информационные технологии. Под ред. Романовой Ю.Д, 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Эксмо, 2013. — 592 с
7. Информатика. Учебник. Соболь Б.В. 3-е изд., доп. и перераб. - Ростов н/Д: Феникс, 2010. — 446 с
8. Информатика. Базовый курс. Для ВУЗов 2-е издание / Под ред. С. В. Симоновича. СПб.: Питер, 2010. —640с.
9. Калинцев С.В. Структурная и функциональная организация ЭВМ. Учебн.–метод. комплекс. – Новополоцк: ПГУ, 2010. – 284 с.
10. Коротаев А.Т. Информатика. РГРТУ, ВПМ. 2011
11. Копейкин М.В., Спиридонов В.В., Шумова Е.О. Организация ЭВМ и систем. Учеб. пособие. − СПб.: СЗТУ, 2014
12. Макарова Н.В. Информатика. М.: Финансисты и статистика, 2014
13. Мелехин В.Ф. Вычислительные машины, системы и сети. Учебник для вузов. - М., 2010
14. Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем. Учебник для вузов. — 2-е изд. — СПб.: Питер, 2011. — 688 с.
15. Пятибратов А.П, Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. М.: Финансы и статистика, 2014
16. Столлингс В. Структурная организация и архитектура компьютерных систем. 5-е издание. - М.: Издательский дом "Вильямс", 2012
17. Таненбаум Э.: Архитектура компьютера. – 4-е издание, доп. М.: ЮНИТИ-ДАМА 2013
18. Тихонов В.А., Баранов А.В. Организация ЭВМ и систем. Учебник / Под ред. акад. В. К. Левина. — М.: Гелиос АРВ, 2011. — 400 с.
19. Фигурнов В. Э. IBM PC для пользователя, 4-е издание, переработанное и дополненное, M., 2010
20. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем. Учебник для вузов. — СПб.: Питер, 2014. — 668 с.

---

Электронные ресурсы

1. Лекции по Архитектуре ЭВМ с сайта: // http:irodov.nm.ru

Приложение

Развитие компьютерной архитектуры

Год выпуска	Название компьютера	Создатель	Примечания
1834	Аналитическая машина	Бэббидж	Первая попытка построить цифровой компьютер
1936	Z1	Зус	Первая релейная вычислительная машина
1943	COLOSSUS	Британское правительство	Первый электронный компьютер
1944	Mark I	Айкен	Первый американский компьютер обще­го назначения
1946	ENIAC I	Экерт/ Моушли	С этой машины начинается история современных компьютеров
1949	EDSAC	Уилкс	Первый компьютер с программами, хранящимися в памяти
1951	Whirlwind I	МТИ	Первый компьютер реального времени
1952	IAS	Фон Нейман	Эта архитектура используется в боль­шинстве современных компьютеров
1960	PDP-1	DEC	Первый мини-компьютер (продано 50 эк­земпляров)
1961	1401	IBM	Очень популярный компьютер для мало­го бизнеса
1962	7094	IBM	Лидер в области научных расчетов начала 1960-х годов
1963	B5000	Burroughs	Первая машина, разработанная для язы­ка высокого уровня
1964	360	IBM	Первое семейство компьютеров
1964	6600	CDC	Первый суперкомпьютер для научных расчетов
1965	PDP-8	DEC	Первый мини-компьютер массового по­требления (продано 50 000 экземпляров)
1970	PDP-11	DEC	Эти мини-компьютеры доминировали на компьютерном рынке в 70-е годы
1974	8080	Intel	Первый универсальный 8-разрядный компьютер на микросхеме
1974	CRAY-1	Cray	Первый векторный суперкомпьютер
1978	VAX	DEC	Первый 32-разрядный супермини- компьютер
1981	IBM PC	IBM	Началась эра современных персональных компьютеров
1981	Osborne-1	Osborne	Первый портативный компьютер
1983	Lisa	Apple	Первый ПК с графическим пользова­тельским интерфейсом
1985	386	Intel	Первый 32-разрядный предшественник линейки Pentium
1985	MIPS	MIPS	Первый компьютер RISC
1985	XC2064	Xilinx	Первая программируемая вентильная матрица (FPGA)
Год выпуска	Название компьютера	Создатель	Примечания
1987	SPARC	Sun	Первая рабочая станция RISC на основе процессора SPARC
1989	GridPad	Grid Systems	Первый коммерческий планшетный компьютер
1990	RS6000	IBM	Первый суперскалярный компьютер
1992	Alpha	DEC	Первый 64-разрядный ПК
1992	Simon	IBM	Первый смартфон
1993	Newton	Apple	Первый карманный компьютер
2001	POWER4	IBM	Первая двухъядерная многопроцессорная микросхема

---