Принцип программного управления

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

В международном стандарте ISO 2382/1-84г.было определено: «Алгоритм – конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций»;

«Программа для ЭВМ –упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке»).

Следует заметить, что строгого, однозначного определения алгоритма, равно как однозначных методов его преобразования в программу вычислений, не существует. Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. При построении ещё первых образцов ЭВМ. Сформулировать это можно следующим образом.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов – команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды – переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенные для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными цифрами «0» и «1». Поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ, практически не различимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно её логике, по контексту.

Каждый тип информации имеет свои форматы – структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами «0» и «1». Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратные байту, т.е. состоят из целого числа байтов.

Последовательность битов в формате, имеющая определённый смысл, представлена полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, значащие разряды чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определённого, принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет 4 байта, для ПЭВМ – 2 байта. В качестве структурных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе).

Устройства ввода информации (УВв) имеются в любой ЭВМ, с их помощью пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Сначала введенная информация полностью и частично запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающееся устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект - файл.

Файл - это имеющий имя информационный массив (программа, данные, текст, и т.п.) размещаемый во внешней памяти и рассматриваемый как неделимый объект при пересылках и обработке.

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считается в устройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рисунке 1.1 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифруются устройством управления: определяется код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каждый раз перестраивается на выполнении очередной операции. Результаты отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Отдельные признаки результатов r(r=0 r>0 r<0 b и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты, полученные после выполнения всех вычислений, передаются на устройство вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (170-230 в зависимости от типа микропроцессора) Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда – это простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программ (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными блоками, образуя конвейер, что позволяло параллельно обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ, следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но значительно сдерживало рост их производительности.