3.2Классы устройств электронных вычислительных машин

В зависимости от назначения устройства ЭВМ принято разделять на 4 класса: процессоры, ОУ, ЗУ, УВВ.

1. Процессор - это устройство, предназначенное для реализации процесса выполнения программы, загруженной в память ЭВМ.

Отличительная особенность процессора - его активность, которая заключается в том, что процессор автоматически выбирает из ОП очередную команду программы, реализует её сам или с помощью других устройств ЭВМ, а затем извлекает из памяти следующую команду и т.д. Т.о. функционирование процессора сводится к реализации известного цикла выполнения команд. Другая особенность: заданный набор команд К=К_1, ... , К_n.

Следует отметить, что процессоры различают двух типов: центральные и специализированные.

2. Операционное устройство (ОУ) - это устройство, предназначенное для выполнения операций из списка F={f₁, ... , f_G} над словами-операндами D={d₁, ... , d_m} c целью вычисления слов-результатов R={r_1, ..., r_Q}, причём, в каждый момент времени устройство может выполнять одну операцию R=f_g(D^x), заданную кодом операции gє{1, ... , G}.

Под операцией f_g понимают вычисление значения функции f_g в точке D=D^x. Пример: r₁=d₁+d₂=5+10=15. Кроме того, под операцией понимается операция из списка F. Если операция не принадлежит F, то это не операция. Это либо МО, либо макрооперация.

В список F, в общем случае, можно включать любые операции. Однако их количество и сложность влияют на сложность ОУ и, следовательно, на количество оборудования - аппаратные затраты на ОУ. В ЭВМ к классу ОУ относятся АЛУ (обычно, но не всегда), а также контроллеры ПУ.

Как элементы структуры ОУ будем обозначать следующим образом:

Функция ОУ задаётся списком операций F_ОУ={f₁,...,f_G}. Пример ОУ - АЛУ: функция F_АЛУ={+,-,*,/,...}.

Основные характеристики ОУ, как и процессоров, - быстродействие и затраты оборудования. Быстродействие ОУ определяется количеством операций, реализуемых в единицу времени V_ОУ={V₁, ... , V_G} и зависит от времени выполнения операции t: V=1/t. Поскольку операции разные (по сложности), то обычно и время их выполнения разное: t₁, t₂, ... , t_G. Отсюда и разное быстродействие ОУ при выполнении различных операций.

Затраты оборудования оцениваются суммарным количеством элементов, из которых строится ОУ. Сложность элементов можно оценивать по Квайну: количеством входов всех логических элементов. Сложность интегральных схем можно оценивать количеством элементов (p-n-переходов, например) или размерами кристалла.

Следует отметить, что понятие ОУ является абстрактным. В ЭВМ используются не абстрактные ОУ, а конкретные, т. е. АЛУ, контроллеры конкретных периферийных устройств: НМД, принтеров, клавиатуры и т. п. Одно ОУ от другого отличается назначением и, следовательно, перечнем операций. Например, АЛУ и контроллер гибких дисков по принципу построения - операционные устройства, а по назначению (и списку операций) – это разные ОУ.

3. Класс ЗУ. ЗУ называют устройство, предназначенное для хранения информации и снабженное средствами, обеспечивающими запись и чтение элементов информации (байтов, слов) в ячейки ЗУ.

В зависимости от назначения ЗУ разделяют на 3 класса:

СОЗУ – сверхоперативные ЗУ - предназначены для построения сверхоперативной памяти ЭВМ (памяти первого уровня). Основная отличительная особенность - сверхвысокое быстродействие, небольшая емкость и большая удельная стоимость хранения информации.

ОЗУ – оперативные ЗУ - предназначены для построения ООП ЭВМ (памяти второго уровня). Отличительные особенности: высокое быстродействие и емкость, умеренная удельная стоимость.

ВЗУ – внешние ЗУ - предназначены для построения внешней памяти (третьего уровня). Основные характеристики: низкое быстродействие, очень большая (практически неограниченная) емкость, малая удельная стоимость.

СОЗУ строятся на основе триггеров в качестве запоминающих элементов (статическая память типа SRAM).

ОЗУ строятся на основе паразитных емкостей p-n переходов в качестве запоминающих элементов – динамическая память типа DRAM.

ВЗУ строится на базе различного рода носителей информации: магнитных – МЛ, МД (жестких и гибких), оптических (ОД типа СD ROM и др.) в качестве запоминающей среды. При обращении к такого рода носителям информации они (носители) приводятся в движение (обычно с постоянной скоростью – это их отличительная особенность). Для приведения носителя в движение используют различного рода приводы (обычно электрические по своей природе – т. е. на основе электродвигателей). Привод вместе с носителем информации принято называть накопителем: НМЛ, НМД, НОД, … .

Для обозначения запоминающих устройств на схемах в ВТ используются различного рода УГО (ГОСТ 2.743-82):

Основные характеристики ЗУ: емкость и быстродействие. Емкость ЗУ в ВТ принято измерять в байтах, КВ, МВ, ГВ, ТВ, … . Быстродействие ЗУ определяется количеством операций обращения в единицу времени. Обращение к ЗУ производится либо с целью чтения информации, либо с целью записи информации. За одно обращение читается (записывается) порция данных фиксированной длины. Быстродействие ЗУ определяется временем одного обращения V_ЗУ=1/t_обр.

4. Класс устройств ввода/вывода. Устройства ввода (УВв) предназначены для чтения информации с носителя информации и ввода ее в память ЭВМ. Устройства вывода (УВыв) предназначены для записи информации, выводимой из ОП, на носитель информации. В процессе ввода/вывода эти устройства обеспечивают преобразование сигналов из одной физической природы в сигналы другой природы. Примером универсального устройства ввода и вывода является устройство типа НГМД. В качестве носителя информации в этом устройстве используется ГМД (floppy disc) – дискета, которая может использоваться как источник информации при вводе в память ЭВМ и как приемник – при выводе из памяти ЭВМ.

На дискете информация хранится в виде магнитных отпечатков, следов – магнитная природа хранения информации. При вводе (чтении) информации с дискеты происходит ее преобразование в совокупность электрических сигналов, представляющих информацию в двоичном коде (на дискете – двоичный магнитный код, при считывании – двоичный электрический код). При выводе (записи) на дискету – обратное преобразование: совокупность электрических сигналов преобразуется в совокупность магнитных следов (отпечатков) на дискете.

Другие примеры. Типичным примером УВв является клавиатура, которая обеспечивает ввод текстовой (символьной) информации с бумажного носителя информации (или из головы человека) в память ЭВМ путем нажатия соответствующих клавиш. Типичным УВыв является принтер (печатающее устройство): обеспечивает вывод информации из памяти ЭВМ на бумажный носитель. Или другой пример УВыв – дисплей – устройство, обеспечивающее отображение информации, выводимой из памяти ЭВМ.

Следует отметить, что при вводе/выводе информации при помощи устройств ввода/вывода происходит не только преобразование сигналов (информации) одной физической природы в сигналы другой физической природы, но и ее (информации) кодирование. Для кодирования информации можно использовать различные кодовые комбинации. Например, при вводе/выводе символьной (текстовой) информации обычно используется стандартный код ASCII (как международный стандарт) – американский стандартный код обмена информацией. В России ему соответствует код обмена информацией семибитный – КОИ-7 (ГОСТ 13052-74).

Основные характеристики УВВ: затраты оборудования и быстродействие.

Затраты оборудования УВВ характеризуют такие параметры как габариты, вес и др.

Быстродействие УВВ характеризуется скоростью ввода/вывода информации, т. е. количеством информации в единицу времени. Например, количеством символов в секунду.