Димитър Стоянов
Тянев
ОРГАНИЗАЦИЯ НА КОМПЮТЪРА
COMPUTER ORGANIZATION
ПРЕДГОВОР
FOREWORD
Съвременното висше познание в
областта на информатиката е посветено на континиума от широко известните три
части – алгоримически разработки (brainware), технически
средства (hardware) и програмни средства (software). Ето защо в тази книга при
излагането на всяка тема неизбежно се говори за всяка една от тези три части. С други думи в нея са изложени структурната теория за строежа и
организационните принципи за функциониране на цифровите изчислителни машини.
Разгледаните
в тази книга теми, формиращи нейното съдържание, представляват съществената
част от обучението в различни университетски специалности, свързани с
компютърните системи и технологии. Ето защо предвид на необходимостта от
фундаментални познания в тази област е систематизирано, създадено и поднесено и
самото изложение. Това мотивира автора за подробното описание на произхода и
предназначението на отделните технически решения; общотеоретичният поглед върху
същността; поднасяне на примерите само като илюстрация на общото; наблегнатият
шрифт; различните примери и всички останали елементи, продиктувани от
педагогическата страна на изложението. Стилът на изложението се характеризира
не просто с обяснение на техническите решения, а с техния мотивиран произход и
с тяхното последващо логическо развитие. Изложеното съдържание естествено
разчита на определени познания у читателя. То неминуемо засяга и други страни
на познанието, но само в такава степен и дотолкова, доколкото авторът е
преценил, че е необходимо за един плавен преход към тях.
Изясняването на същността на цифровата
изчислителна машина е удобно да бъде извършвано от подходяща гледна точка и с
подходящо предварително разбиране. Например, на този начален етап, когато
трябва да изясним основните й задачи, е добре да гледаме на нея като на “черна
кутия”, която извършва нещо вместо нас. Възможно най-тривиалното ни
разбиране е, че в тази кутия влизат данни, вътре в нея те се преработват, в
резултат на което излизат нови данни (вижте фиг.1). Получените данни
използваме, най-общо казано, да вземем правилни управленчески решения.
Обикновено ние искаме да получим машинните резултати възможно най-бързо, защото
в противен случай тази кутия щеше да бъде безполезна за нас.
Фиг. 1. Понятие за “черна кутия”
Това разбиране е достатъчно за да формулираме най-общо следните проблеми, които подлежат на изясняване:
·
Как ще представяме данните;
·
Как ще ги въвеждаме и извеждаме;
·
Как и кой ще преработва данните вместо нас;
·
Как ще организираме автоматичното функциониране на
кутията;
·
Какви възможности тя ще ни предостави и какви
ограничения ще ни наложи;
·
Какви нейни параметри и характеристики ще ни
интересуват;
·
Как ще комуникираме с нея;
·
Каква е теоретическата и техническата база за
оптималното й практическо реализиране;
·
И пр.
Книгата е структурирана в седем глави, чието съдържание по-конкретно е следното:
В първа
глава са изложени въпросите, свързани с дискретното представяне на
трите вида данни – логически, символни и числови. Обърнато е внимание преди
всичко на представянето чрез символите на двузначната система (0, 1), често
определяна като двоична бройна система.
Във втора
глава са описани формалните графични и аналитични средства за
представяне на логическите структури и езикът на микрооперациите, използван за
описание на тяхното функциониране. Последното е свързано с понятието алгоритъм
и средствата за представянето му на операционно и на микрооперационно ниво на
детайлизация. Изложено е разбирането за много основополагащи и концептуални
понятия.
Трета глава съдържа методите и алгоритмите на основното множество от изпълними
операции, както и тяхната примерна реализация в операционни устройства със
завършена логическа структура. Изложени са различни алгоритми на операции с
числа, представени във форма с фиксирана запетая и във форма с плаваща запетая;
с двоично-десетични числа; логически операции; специални операции. Изложени са
проблемите, свързани с обединяване на алгоритмите на операциите и основните
подходи за обща организация на аритметично-логическото устройство. Тук
неизбежно се засягат и някои съвременни теми, които обикновено се определят
като архитектурни и които са свързани с преследването на все по-висока
производителност. Последната се търси във внедряването на най-съвременните
схемни решения и форми за организация, каквито са различните форми на
паралелизъм. Тяхната реализация се постига благодарение на големите възможности
на интегралните технологии.
В четвърта
глава са изложени логическата структура и функционалната организация на
различните запомнящи устройства. Изложението е свързано с логическата им
структура и функциониране от гледна точка на методите за достъп: с произволен
достъп; с последователен достъп; с асоциативен достъп. Изяснени са ролята и
мястото на тези устройства в компютърната система.
В пета
глава са изложени проблемите на общата организация на изчислителния
процес и общата логическа структура на цифровия процесор. Тук, изхождайки от
основните организационни принципи, са обосновани основните му устройства –
операционно, памет и управляващо. Определен е първичният алгоритъм, организиращ
автоматичното функциониране на цифровия процесор, в лицето на командния цикъл.
Определени са структурните елементи, реализиращи изчислителния процес -
машинните команди и тяхната съвкупност като функционално пълна система.
Разгледани са допълнителните организационни принципи, целящи висока
производителност, основаващи се на паралелизъм под различни форми и на различни
нива. Изложени са подходите и средствата за изграждане на системата за
прекъсване. Изложени са подходите и средствата за реализация на
входно-изходните операции, както и методите и техническите средства за
реализация на входно-изходния обмен. Разгледана е съвременната архитектура на
входно-изходната система като цяло – шинно-мостова, хъбова и хипер транспортна.
В шеста
глава е разгледана йерархичната организация на запомнящата система на
цифровата изчислителна машина. Описана е структурната и функционалната организация
на отделните й нива. Специално внимание е отделено на буферните памети,
известни под името кеш памети. Разгледани са основните подходи и средства за
изграждане на виртуална памет.
В седма
глава е изложена структурната организация на управляващите устройства
като крайни автомати с програмно закрепена логика и тяхното логическо
функциониране. Осветлени са още методите за управление (синхронен, асинхронен),
както и други въпроси, свързани с управлението.
Авторът
намира подреждането на разгледаните в книгата теми за логична, изхождайки от
разбирането, че тази последователност способства по-лесното им усвояване. За пълна коректност обаче следва да предупредим читателя, че поради
многостранността на всяка отделна тема, изчерпателното им изложение не е
възможно в рамките единствено на тази книга. Ето защо ще му се наложи да
използва и останалите книги. Книга [2]
съдържа множество числените примери, с които се илюстрират отделните алгоритми,
изложени тук. Книга [3] е посветена на инженерното проектиране на
изчислителни структури. И двете последни книги допълват в различни аспекти
теоретичните теми, изложени тук в книга [1]. Разнообразни решения по
отделни теми читателят би могъл да намери в научните статии на автора,
публикувани на български или други езици, част от които са достъпни в
българската или в английската страници на сайта www.tyanev.com. Авторът разглежда съвкупността
от тези книги като едно цяло и достатъчно изчерпателно
изложение на засегнатата научна област. Изложеното се допълва още и от
останалите книги на автора, публикувани на споменатия сайт.
Авторът е убеден, че съвършенството е
непостижимо, но тъй като човешкият стремеж към него е вечен, което се отнася и
за поредната редакция на тази книга, той ще приеме с благодарност всички
забележки и препоръки за нейното подобряване, още повече, че работата по
допълване и осъвременяване на отделните теми той приема като свое задължение,
което възнамерява да следва докато е жив и е в състояние да прави това.