Компоненты классической вычислительной машины
Компоненты классической вычислительной машины
Структура типовой ЭВМ.
В общем случае структуру вычислительной машины можно представить в следующем виде:
АЛУ – предназначено для выполнения арифметических и логических преобразований над данными определенной длины.
Как правило, данные, к которым может обращаться АЛУ находятся в ОП
ВЗУ – используется для долговременного хранения данных
УУ в своей работе руководствуется программой. Программа состоит из команд, каждая из которых, определяет какое либо действие и операнд. Программа в свою очередь основывается на алгоритме решения поставленной задачи.
Такой способ управления процессом решения задачи называется принципом программного управления.
Как правило, программы хранятся также в ОП наравне с данными. При этом перед выполнением программы собственно программа и данные должны быть помещены в ОП. Чаще всего это происходит через устройство ввода информации (клавиатура, диск). Команды выполняются в порядке следования в программе кроме команд перехода.
Устройства вывода служат для выдачи информации, результатов (например, на дисплей, принтер).
Решение задач с помощью ЭВМ представлено на рисунке:
Блок схема типовой ЭВМ.
Взаимосвязь аппаратных и программных средств ЭВМ.
Поскольку в основу принципа работы ЭВМ положен принцип программного управления, то это означает, что для решения задачи в ЭВМ используются средства двух видов: аппаратные и программные.
Структура системного программного обеспечения ЭВМ.
Пользователь не может напрямую общаться с аппаратными ресурсами. Эту задачу берет на себя ОС.
Основные элементы ЭВМ их назначение и взаимодействие
Типовая ЭВМ состоит из пяти основных элементов:
1. Устройство ввода – предназначено для ввода информации или управления ЭВМ от внешних устройств (например, клавиатура, мышь).
2. Микропроцессор (МП) – центральный процессор – это устройство управления всей ЭВМ и выполнения арифметических и логических операций.
3. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В нашем случае предназначено для хранения исполненных ЭВМ программ.
4. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – предназначено для временного хранения данных.
И ПЗУ и ОЗУ представлены в виде множества локализованных ячеек памяти. Размер ячейки – это количество БИТ информации, которую можно поместить в ячейку памяти или прочитать из нее.
Для организации взаимодействия и управления всеми устройствами ЭВМ в нее включены три шины:
А) шина адреса (ША) – выбирает (указывает) ячейку памяти или адрес портов ввода-вывода. В зависимости от количества ячеек памяти и устройства ввода-вывода (УВВ) ША бывают 16, 32, 64 и т.д. разрядов.
В) шина данных (ШД) – является двунаправленной и служит для передачи данных в МП или из него.
Компоненты классической вычислительной машины
рЕТЙЖЕТЙКОЩЕ Й ЧОХФТЕООЙЕ ХУФТПКУФЧБ
рТПЗТЕУУ ЛПНРШАФЕТОЩИ ФЕИОПМПЗЙК ЙДЕФ УЕНЙНЙМШОЩНЙ ЫБЗБНЙ. лБЦДЩК ЗПД РПСЧМСАФУС ОПЧЩЕ РТПГЕУУПТЩ, РМБФЩ, ОБЛПРЙФЕМЙ Й РТПЮЙЕ РЕТЙЖЕТЙКОЩЕ ХУФТПКУФЧБ. тПУФ РПФЕОГЙБМШОЩИ ЧПЪНПЦОПУФЕК рл Й РПСЧМЕОЙЕ ОПЧЩИ ВПМЕЕ РТПЙЪЧПДЙФЕМШОЩИ ЛПНРПОЕОФПЧ ОЕЙЪВЕЦОП ЧЩЪЩЧБЕФ ЦЕМБОЙЕ НПДЕТОЙЪЙТПЧБФШ УЧПК ЛПНРШАФЕТ. пДОБЛП ОЕМШЪС Ч РПМОПК НЕТЕ ПГЕОЙФШ ОПЧЩЕ ДПУФЙЦЕОЙС ЛПНРШАФЕТОПК ФЕИОПМПЗЙЙ ВЕЪ УТБЧОЕОЙС ЙИ У УХЭЕУФЧХАЭЙНЙ УФБОДБТФБНЙ.
тБЪТБВПФЛБ ОПЧПЗП Ч ПВМБУФЙ рл ЧУЕЗДБ ВБЪЙТХЕФУС ОБ УФБТЩИ УФБОДБТФБИ Й РТЙОГЙРБИ. рПЬФПНХ ЪОБОЙЕ ЙИ СЧМСЕФУС ПУОПЧПРПМБЗБАЭЙН ЖБЛФПТПН ДМС (ЙМЙ РТПФЙЧ) ЧЩВПТБ ОПЧПК УЙУФЕНЩ.
ч УПУФБЧ ьчн ЧИПДСФ УМЕДХАЭЙЕ ЛПНРПОЕОФЩ:
чП ЧУЕИ ЧЩЮЙУМЙФЕМШОЩИ НБЫЙОБИ ДП УЕТЕДЙОЩ 50-И ЗПДПЧ ХУФТПКУФЧБ ПВТБВПФЛЙ Й ХРТБЧМЕОЙС РТЕДУФБЧМСМЙ УПВПК ПФДЕМШОЩЕ ВМПЛЙ, Й ФПМШЛП У РПСЧМЕОЙЕН ЛПНРШАФЕТПЧ, РПУФТПЕООЩИ ОБ ФТБОЪЙУФПТБИ, ХДБМПУШ ПВЯЕДЙОЙФШ ЙИ Ч ПДЙО ВМПЛ, ОБЪЧБООЩК РТПГЕУУПТПН.
юЙУМП ФБЛЙИ ЛПОФТПММЕТПЧ УППФЧЕФУФЧХЕФ ЮЙУМХ РПДЛМАЮЕООЩИ Л РТПГЕУУПТХ ХУФТПКУФЧ ЧЧПДБ Й ЧЩЧПДБ. фБЛ, ДМС ХРТБЧМЕОЙС ТБВПФПК ЛМБЧЙБФХТЩ Й НЩЫЙ ЙУРПМШЪХЕФУС УЧПК ПФДЕМШОЩК ЛПОФТПММЕТ. йЪЧЕУФОП, ЮФП ДБЦЕ ИПТПЫБС НБЫЙОЙУФЛБ ОЕ УРПУПВОБ ОБВЙТБФШ ОБ ЛМБЧЙБФХТЕ ВПМШЫЕ 300 ЪОБЛПЧ Ч НЙОХФХ, ЙМЙ 5 ЪОБЛПЧ Ч УЕЛХОДХ. юФПВЩ ПРТЕДЕМЙФШ, ЛБЛБС ЙЪ УФБ ЛМБЧЙЫ ОБЦБФБ, РТПГЕУУПТ, ОЕ РПДДЕТЦБООЩК ЛПОФТПММЕТПН, ДПМЦЕО ВЩМ ВЩ ПРТБЫЙЧБФШ ЛМБЧЙЫЙ УП УЛПТПУФША 500 ТБЪ Ч УЕЛХОДХ. лПОЕЮОП, РП ЕЗП НЕТЛБН ЬФП ОЕ ВПЗ ЧЕУФШ ЛБЛБС УЛПТПУФШ. оП ЬФП ЪОБЮЙФ, ЮФП ЮБУФШ УЧПЕЗП ЧТЕНЕОЙ РТПГЕУУПТ ВХДЕФ ФТБФЙФШ ОЕ ОБ ПВТБВПФЛХ ХЦЕ ЙНЕАЭЕКУС ЙОЖПТНБГЙЙ, Б ОБ ПЦЙДБОЙЕ ОБЦБФЙК ЛМБЧЙЫ ЛМБЧЙБФХТЩ.
фБЛЙН ПВТБЪПН, ЙУРПМШЪПЧБОЙЕ УРЕГЙБМШОЩИ ЛПОФТПММЕТПЧ ДМС ХРТБЧМЕОЙС ХУФТПКУФЧБНЙ ЧЧПДБ-ЧЩЧПДБ, ХУМПЦОСС ХУФТПКУФЧП ЛПНРШАФЕТБ, ПДОПЧТЕНЕООП ТБЪЗТХЦБЕФ ЕЗП ГЕОФТБМШОЩК РТПГЕУУПТ ПФ ОЕРТПЙЪЧПДЙФЕМШОЩИ ФТБФ ЧТЕНЕОЙ Й РПЧЩЫБЕФ ПВЭХА РТПЙЪЧПДЙФЕМШОПУФШ ЛПНРШАФЕТБ.
пРЕТБФЙЧОБС РБНСФШ У РТПЙЪЧПМШОЩН ДПУФХРПН (RAM) УМХЦЙФ ДМС ТБЪНЕЭЕОЙС РТПЗТБНН, ДБООЩИ Й РТПНЕЦХФПЮОЩИ ТЕЪХМШФБФПЧ ЧЩЮЙУМЕОЙК Ч РТПГЕУУЕ ТБВПФЩ ЛПНРШАФЕТБ. дБООЩЕ НПЗХФ ЧЩВЙТБФШУС ЙЪ РБНСФЙ Ч РТПЙЪЧПМШОПН РПТСДЛЕ, Б ОЕ УФТПЗП РПУМЕДПЧБФЕМШОП, ЛБЛ ЬФП ЙНЕЕФ НЕУФП, ОБРТЙНЕТ, РТЙ ТБВПФЕ У НБЗОЙФОПК МЕОФПК. рБНСФШ, ДПУФХРОБС ФПМШЛП ОБ ЮФЕОЙЕ (ROM) ЙУРПМШЪХЕФУС ДМС РПУФПСООПЗП ТБЪНЕЭЕОЙС ПРТЕДЕМЕООЩИ РТПЗТБНН (ОБРТЙНЕТ, РТПЗТБННЩ ОБЮБМШОПК ЪБЗТХЪЛЙ ьчн). ч РТПГЕУУЕ ТБВПФЩ ЛПНРШАФЕТБ УПДЕТЦЙНПЕ ЬФПК РБНСФЙ ОЕ НПЦЕФ ВЩФШ ЙЪНЕОЕОП.
ч ОБУФПСЭЕЕ ЧТЕНС ПФДЕМШОЩЕ НЙЛТПУИЕНЩ РБНСФЙ ОЕ ХУФБОБЧМЙЧБАФУС ОБ НБФЕТЙОУЛХА РМБФХ. пОЙ ПВЯЕДЙОСАФУС Ч УРЕГЙБМШОЩИ РЕЮБФОЩИ РМБФБИ, ПВТБЪХС ЧНЕУФЕ У ОЕЛПФПТЩНЙ ДПРПМОЙФЕМШОЩНЙ ЬМЕНЕОФБНЙ НПДХМЙ РБНСФЙ (SIMM- Й DIMM-НПДХМЙ).
чЙОЮЕУФЕТЩ (hard discs)
еНЛПУФШ ДЙУЛБ УПЧТЕНЕООПЗП РЕТУПОБМШОПЗП ЛПНРШАФЕТБ УПУФБЧМСЕФ ДЕУСФЛЙ ЗЙЗБВБКФ. ч ПДОПК ьчн НПЦЕФ ВЩФШ ХУФБОПЧМЕОП ОЕУЛПМШЛП ЧЙОЮЕУФЕТПЧ.
пРФЙЮЕУЛЙЕ ДЙУЛЙ (cdroms)
мБЪЕТОЩЕ ДЙУЛЙ, ЛБЛ ЙИ ЕЭЕ ОБЪЩЧБАФ, ЙНЕАФ ЕНЛПУФШ ПЛПМП 600 НЕЗБВБКФ Й ПВЕУРЕЮЙЧБАФ ФПМШЛП УЮЙФЩЧБОЙЕ ЪБРЙУБООПК ОБ ОЙИ ПДОБЦДЩ ЙОЖПТНБГЙЙ Ч ТЕЦЙНЕ РТПЙЪЧПМШОПЗП ДПУФХРБ. уЛПТПУФШ УЮЙФЩЧБОЙС ЙОЖПТНБГЙЙ ПРТЕДЕМСЕФУС ХУФТПКУФЧПН, Ч ЛПФПТПЕ ЧУФБЧМСЕФУС ЛПНРБЛФ-ДЙУЛ (cdrom drive).
ч ПФМЙЮЙЕ ПФ ПРФЙЮЕУЛЙИ ДЙУЛПЧ НБЗОЙФП-ПРФЙЮЕУЛЙЕ ДЙУЛЙ РПЪЧПМСАФ ОЕ ФПМШЛП ЮЙФБФШ, ОП Й ЪБРЙУЩЧБФШ ЙОЖПТНБГЙА.
жМПРРЙ ДЙУЛЙ (floppy discs)
ч ПУОПЧЕ ЬФЙИ ХУФТПКУФЧ ИТБОЕОЙС МЕЦЙФ ЗЙВЛЙК НБЗОЙФОЩК ДЙУЛ, РПНЕЭЕООЩК Ч ФЧЕТДХА ПВПМПЮЛХ. дМС ФПЗП ЮФПВЩ РТПЮЙФБФШ ЙОЖПТНБГЙА, ИТБОСЭХАУС ОБ ДЙУЛЕФЕ, ЕЕ ОЕПВИПДЙНП ЧУФБЧЙФШ Ч ДЙУЛПЧПД (floppy disc drive) ЛПНРШАФЕТБ. еНЛПУФШ УПЧТЕНЕООЩИ ДЙУЛЕФ ЧУЕЗП 1.44 НЕЗБВБКФБ. рП УРПУПВХ ДПУФХРБ ДЙУЛЕФБ РПДПВОБ ЧЙОЮЕУФЕТХ.
Zip and Jaz Iomega discs
нБЗОЙФОЩЕ МЕОФЩ (magnetic tapes)
уПЧТЕНЕООЩЕ НБЗОЙФОЩЕ МЕОФЩ, ИТБОСЭЙЕ ВПМШЫЙЕ ПВЯЕНЩ ЙОЖПТНБГЙЙ (ДП ОЕУЛПМШЛЙИ ЗЙЗБВБКФ), ЧОЕЫОЕ ОБРПНЙОБАФ ПВЩЮОЩЕ НБЗОЙФПЖПООЩЕ ЛБУУЕФЩ Й ИБТБЛФЕТЙЪХАФУС УФТПЗП РПУМЕДПЧБФЕМШОЩН ДПУФХРПН Л УПДЕТЦБЭЕКУС ОБ ОЙИ ЙОЖПТНБГЙЙ.
лМАЮЕЧПК РТЙОГЙР ТБВПФЩ ЛМБЧЙБФХТЩ ЪБЛМАЮБЕФУС Ч ФПН, ЮФП ПОБ ЧПУРТЙОЙНБЕФ ОБЦБФЙС ЛМБЧЙЫ Й РТЕПВТБЪХЕФ ЙИ Ч ДЧПЙЮОЩК ЛПД, ЙОДЙЧЙДХБМШОЩК ДМС ЛБЦДПК ЛМБЧЙЫЙ.
нЩЫШ ОЕ РПЪЧПМСЕФ ЧЧПДЙФШ ЮЙУМПЧХА Й ВХЛЧЕООХА ЙОЖПТНБГЙА, ОП ХДПВОБ ДМС ТБВПФЩ У ЗТБЖЙЮЕУЛЙНЙ ПВЯЕЛФБНЙ, ЙЪПВТБЦЕООЩНЙ ОБ ЬЛТБОЕ.
рТЙОГЙР ДЕКУФЧЙС УЛБОЕТБ ОБРПНЙОБЕФ ТБВПФХ ЮЕМПЧЕЮЕУЛПЗП ЗМБЪБ. пУЧЕЭЕООЩК УРЕГЙБМШОЩН ЙУФПЮОЙЛПН УЧЕФБ, ОБИПДСЭЙНУС Ч УБНПН УЛБОЕТЕ, МЙУФ ВХНБЗЙ У ФЕЛУФПН ЙМЙ ТЙУХОЛПН «ПУНБФТЙЧБЕФУС» НЙЛТПУЛПРЙЮЕУЛЙН «ЬМЕЛФТПООЩН ЗМБЪПН». дЙБНЕФТ ХЮБУФЛБ ЙЪПВТБЦЕОЙС, ЧПУРТЙОЙНБЕНПЗП ФБЛЙН «ЗМБЪПН», УПУФБЧМСЕФ 1/20 НЙММЙНЕФТБ Й УППФЧЕФУФЧХЕФ ДЙБНЕФТХ ЮЕМПЧЕЮЕУЛПЗП ЧПМПУБ. сТЛПУФШ УЮЙФЩЧБЕНПК Ч ДБООЩК НПНЕОФ ФПЮЛЙ ЙЪПВТБЦЕОЙС ЛПДЙТХЕФУС ДЧПЙЮОЩН ЮЙУМПН Й РЕТЕДБЕФУС Ч ЛПНРШАФЕТ. дМС ФПЗП ЮФПВЩ ПУНПФТЕФШ УФБОДБТФОЩК МЙУФ ВХНБЗЙ, «ЬМЕЛФТПООПНХ ЗМБЪХ» РТЙИПДЙФУС УФТПЛХ ЪБ УФТПЛПК ПВИПДЙФШ ЕЗП, РЕТЕДБЧБС ЪБЛПДЙТПЧБООХА ЙОЖПТНБГЙА ПВ ПУЧЕЭЕООПУФЙ ЛБЦДПК ФПЮЛЙ ЙЪПВТБЦЕОЙС Ч ЛПНРШАФЕТ.
оБ ГЧЕФОЩИ НПОЙФПТБИ ЛБЦДПНХ ЪОБЛПНЕУФХ НПЦЕФ УППФЧЕФУФЧПЧБФШ УЧПК ГЧЕФ УЙНЧПМБ Й ЖПОБ, ЮФП РПЪЧПМСЕФ ЧЩЧПДЙФШ ЛТБУЙЧЩЕ ГЧЕФОЩЕ ОБДРЙУЙ ОБ ЬЛТБО. оБ НПОПИТПНОЩИ НПОЙФПТБИ ДМС ЧЩДЕМЕОЙС ПФДЕМШОЩИ ЮБУФЕК ФЕЛУФБ Й ХЮБУФЛПЧ ЬЛТБОБ ЙУРПМШЪХЕФУС РПЧЩЫЕООБС СТЛПУФШ УЙНЧПМПЧ, РПДЮЕТЛЙЧБОЙЕ Й ЙОЧЕТУОПЕ ЙЪПВТБЦЕОЙЕ.
зТБЖЙЮЕУЛЙК ТЕЦЙН РТЕДОБЪОБЮЕО ДМС ЧЩЧПДБ ОБ ЬЛТБО ЗТБЖЙЮЕУЛПК ЙОЖПТНБГЙЙ (ТЙУХОЛЙ, ДЙБЗТБННЩ, ЖПФПЗТБЖЙЙ Й Ф. Р.). тБЪХНЕЕФУС Ч ЬФПН ТЕЦЙНЕ НПЦОП ЧЩЧПДЙФШ Й ФЕЛУФПЧХА ЙОЖПТНБГЙА Ч ЧЙДЕ ТБЪМЙЮОЩИ ОБДРЙУЕК, РТЙЮЕН ЬФЙ ОБДРЙУЙ НПЗХФ ЙНЕФШ РТПЙЪЧПМШОЩК ЫТЙЖФ, ТБЪНЕТ Й ДТ.
рЕТЧЩЕ РТЙОФЕТЩ УПЪДБЧБМЙ ЙЪПВТБЦЕОЙЕ ЙЪ НОПЦЕУФЧБ ФПЮЕЛ, РПМХЮБАЭЙИУС РПД ДЕКУФЧЙЕН ЙЗПМПЛ, ХДБТСАЭЙИ ЮЕТЕЪ ЛТБУСЭХА МЕОФХ РП ВХНБЗЕ Й ПУФБЧМСАЭЙИ ОБ ОЕК УМЕД. йЗПМЛЙ ЪБЛТЕРМЕОЩ Ч РЕЮБФБАЭЕК ЗПМПЧЛЕ Й РТЙЧПДСФУС Ч ДЧЙЦЕОЙЕ ЬМЕЛФТПНБЗОЙФБНЙ. уБНБ ЦЕ ЗПМПЧЛБ ДЧЙЦЕФУС ЗПТЙЪПОФБМШОП, РЕЮБФБС УФТПЛХ ЪБ УФТПЛПК. лПМЙЮЕУФЧП ЙЗПМПЛ УПУФБЧМСЕФ 8 ЙМЙ 24 РТЙ ПДОПК Й ФПК ЦЕ ЧЩУПФЕ РЕЮБФБАЭЕК ЗПМПЧЛЙ. чП ЧФПТПН УМХЮБЕ ЙИ ДЕМБАФ ФПОШЫЕ, Б РПМХЮБЕНПЕ ЙЪПВТБЦЕОЙЕ ПЛБЪЩЧБЕФУС ВПМЕЕ «НЕМЛПЪЕТОЙУФЩН».
фБЛПК РТЙОФЕТ РТЕПВТБЪХЕФ ЬМЕЛФТЙЮЕУЛЙЕ УЙЗОБМЩ, ЧЩДБЧБЕНЩК ЛПНРШАФЕТПН, Ч ДЧЙЦЕОЙЕ ЙЗПМПЛ. рТЙОФЕТЩ, ЙУРПМШЪХАЭЙЕ ДМС РПМХЮЕОЙС ЙЪПВТБЦЕОЙС НЕИБОЙЮЕУЛЙК (ХДБТОЩК) РТЙОГЙР, ОБЪЩЧБАФ НБФТЙЮОЩНЙ.
рТЙОГЙР, МЕЦБЭЙК Ч ПУОПЧЕ УФТХКОПК РЕЮБФЙ У ЙУРПМШЪПЧБОЙЕН ЦЙДЛЙИ ЮЕТОЙМ, УПУФПЙФ Ч ОБОЕУЕОЙЙ ЛБРЕМЕЛ ЮЕТОЙМ ОЕРПУТЕДУФЧЕООП ОБ РПЧЕТИОПУФШ ВХНБЗЙ, РМЕОЛЙ ЙМЙ ФЛБОЙ. йНРХМШУОБС РЕЮБФБАЭБС ЗПМПЧЛБ УФТХКОПЗП РТЙОФЕТБ, РПДПВОП ЗПМПЧЛЕ НБФТЙЮОПЗП РТЙОФЕТБ, УПУФПЙФ ЙЪ ЧЕТФЙЛБМШОПЗП ТСДБ ЛБНЕТ, УРПУПВОЩИ ОБОЕУФЙ ОБ ВХНБЗХ ПДОХ ЙМЙ ОЕУЛПМШЛП ЧЕТФЙЛБМШОЩИ РПМПУПЛ. юЙУМП ЛБНЕТ, ЧИПДСЭЙИ Ч УПУФБЧ ЗПМПЧЛЙ, НПЦЕФ ДПУФЙЗБФШ 48. ьФП РПЪЧПМСЕФ РПМХЮБФШ ПЮЕОШ ЛБЮЕУФЧЕООПЕ ЙЪПВТБЦЕОЙЕ.
уХЭЕУФЧХАФ ЛБЛ ЮЕТОП-ВЕМЩЕ, ФБЛ Й ГЧЕФОЩЕ УФТХКОЩЕ РТЙОФЕТЩ. рПУМЕДОЙЕ, ЛТПНЕ ЗПМПЧЛЙ У ЮЕТОЩНЙ ЮЕТОЙМБНЙ, ЙНЕАФ ЕЭЕ РЕЮБФОХА ЗПМПЧЛХ У ЮЕТОЙМБНЙ ФТЕИ ГЧЕФПЧ.
лТПНЕ НБФТЙЮОЩИ Й УФТХКОЩИ РТЙОФЕТПЧ, ЫЙТПЛПЕ ТБУРТПУФТБОЕОЙЕ РПМХЮЙМЙ Й, ФБЛ ОБЪЩЧБЕНЩЕ, МБЪЕТОЩЕ РТЙОФЕТЩ. рТЙОГЙР ЙИ ТБВПФЩ ДПУФБФПЮОП УМПЦЕО Й ФТЕВХЕФ ЗМХВПЛПЗП ЪОБОЙС ЖЙЪЙЛЙ, РПЬФПНХ ОБНЙ ТБУУНБФТЙЧБФШУС ОЕ ВХДЕФ. ьФЙ РТЙОФЕТЩ РТЙ УЧПЕК ПФОПУЙФЕМШОП ЧЩУПЛПК УФПЙНПУФЙ ПЮЕОШ ЬЛПОПНЙЮОЩ Ч ЬЛУРМХБФБГЙЙ Й ОБНОПЗП НЕОЕЕ ФТЕВПЧБФЕМШОЩ Л ЛБЮЕУФЧХ ВХНБЗЙ, РП УТБЧОЕОЙА УП УФТХКОЩНЙ РТЙОФЕТБНЙ.
Компоненты классической вычислительной машины
В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации –текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип “хранимой программы”. Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIACтребовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 1. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.
Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ
Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок –процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.
Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров “многоярусно” и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.
В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти. из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название “фон-неймановской архитектуры”. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).
По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.
Учитель информатики
Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.
Основополагающие принципы устройства ЭВМ
§ 7. Основополагающие принципы устройства ЭВМ
Информатика. 10 класса. Босова Л.Л. Оглавление
7.1. Принципы Неймана-Лебедева
В каждой области науки и техники существуют фундаментальные идеи или принципы, определяющие на многие годы вперёд её содержание и направление развития. В компьютерных науках роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя крупнейшими учёными XX века — Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.
Принцип — основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.
Принципы Неймана-Лебедева — базовые принципы построения ЭВМ, сформулированные в середине прошлого века, не утратили свою актуальность и в наши дни.
Джон фон Нейман (1903-1957) — американский учёный, сделавший важный вклад в развитие целого ряда областей математики и физики. В 1946 г., анализируя сильные и слабые стороны ЭНИАКа, совместно с коллегами пришёл к идее нового типа организации ЭВМ.
Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) — академик, основоположник вычислительной техники в СССР, главный конструктор первой отечественной электронной вычислительной машины МЭСМ, автор проектов компьютеров серии БЭСМ (Большая Электронная Счётная Машина), разработчик принципиальных положений суперкомпьютера «Эльбрус». В 1996 году посмертно награждён медалью «Пионер компьютерной техники» — самой престижной наградой международного компьютерного сообщества.
Рассмотрим сущность основных принципов Неймана-Лебедева:
1) состав основных компонентов вычислительной машины;
2) принцип двоичного кодирования;
3) принцип однородности памяти;
4) принцип адресности памяти;
5) принцип иерархической организации памяти;
6) принцип программного управления.
Первый принцип определяет состав основных компонентов вычислительной машины.
Любое устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь определённый набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.
Функциональная схема такого компьютера, отражающая программное управление работой и взаимодействием его основных узлов, представлена на рисунке 2.5.
Рис. 2.5. Функциональная схема компьютеров первых поколений
Его информационным центром является процессор:
• все информационные потоки (тонкие стрелки на рисунке) проходят через процессор;
• управление всеми процессами (толстые стрелки на рисунке) также осуществляется процессором.
Такие блоки есть и у современных компьютеров. Это:
• процессор, состоящий из арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего обработку данных, и устройства управления (УУ), обеспечивающего выполнение программы и организующего согласованное взаимодействие всех узлов компьютера;
• память, предназначенная для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также самой программы обработки информации. Различают память внутреннюю и внешнюю. Основная часть внутренней памяти используется для временного хранения программ и данных в процессе обработки. Такой вид памяти принято называть оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Ещё одним видом внутренней памяти является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее программу начальной загрузки компьютера. Внешняя или долговременная память предназначена для длительного хранения программ и данных в периоды между сеансами обработки;
• устройства ввода, преобразующие входную информацию в форму, доступную компьютеру;
• устройства вывода, преобразующие результаты работы компьютера в форму, доступную для восприятия человеком.
Вместе с тем в архитектуре современных компьютеров и компьютеров первых поколений есть существенные отличия. О них будет сказано чуть ниже.
Рассмотрим суть принципа двоичного кодирования информации.
Вся информация, предназначенная для обработки на компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а также программы её обработки представляются в виде двоичного кода — последовательностей 0 и 1.
Все современные компьютеры хранят и обрабатывают информацию в двоичном коде. Выбор двоичной системы счисления обусловлен рядом важных обстоятельств: простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления, её «согласованностью» с булевой логикой, простотой технической реализации двоичного элемента памяти (триггера).
Несмотря на всеобщее признание, использование в компьютерной технике классической двоичной системы счисления не лишено недостатков. В первую очередь это проблема представления отрицательных чисел, а также нулевая избыточность (т. е. отсутствие избыточности) двоичного представления. Пути преодоления указанных проблем были найдены уже на этапе зарождения компьютерной техники.
В 1958 г. в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова под руководством И. П. Брусенцова был создан троичный компьютер «Сетунь» (рис. 2.6). В нём применялась уравновешенная троичная система счисления, использование которой впервые в истории позволило представлять одинаково просто как положительные, так и отрицательные числа.
Итак, благодаря двоичному кодированию, данные и программы по форме представления становятся одинаковыми, а следовательно, их можно хранить в единой памяти.
Рис. 2.6. ЭВМ «Сетунь»
Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти, и внешне в памяти они неразличимы. Распознать команды и данные можно только по способу использования. Это утверждение называют принципом однородности памяти.
Так как представленные в памяти команды и данные внешне неразличимы, то одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда в зависимости лишь от способа обращения к нему. Так, если к двоичной последовательности обращаются как к числу, то в ней выделяют поле (область) знака и поле значащих разрядов. Если к двоичной последовательности обращаются как к команде, то в ней выделяют поле кода операции и поле адресов операндов.
Однородность памяти позволяет производить операции не только над данными, но и над командами. Взяв в качестве данных для некоторой программы команды другой программы, в результате её исполнения можно получить команды третьей программы. Данная возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.
Структурно оперативная память компьютера состоит из отдельных битов — однородных элементов, обладающих двумя устойчивыми состояниями, одно из которых соответствует нулю, а другое — единице. Для записи или считывания группы соседних битов объединяются в ячейки памяти, каждая из которых имеет свой номер (адрес).
Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса). Это принцип адресности памяти.
Очень важно, что информация может считываться из ячеек и записываться в них в произвольном порядке, т. е. процессору в произвольный момент доступна любая ячейка памяти. Организованную таким образом память принято называть памятью с произвольным доступом.
Разрядность ячеек памяти (количество битов в ячейке) у компьютеров разных поколений была различной. Основой оперативной памяти современных компьютеров является восьмибитная ячейка. Ячейка такой разрядности может быть использована для работы с одним символом. Для хранения чисел используется несколько последовательных ячеек (четыре — в случае 32-битного числа).
На современных компьютерах может одновременно извлекаться из памяти и одновременно обрабатываться до 64 разрядов (т. е. до восьми байтовых (восьмибитных) ячеек). Это возможно благодаря реализации на них принципа параллельной обработки данных — одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий.
Можно выделить два основных требования, предъявляемых к памяти компьютера:
1) объём памяти должен быть как можно больше;
2) время доступа к памяти должно быть как можно меньше.
Создать запоминающее устройство, одновременно удовлетворяющее двум этим требованиям, затруднительно. Действительно, в памяти большого объёма требуемые данные искать сложнее, в результате чего их чтение замедляется. Для ускорения чтения нужно использовать более сложные технические решения, что неизбежно приводит к повышению стоимости всего компьютера. Решение проблемы — использование нескольких различных видов памяти, связанных друг с другом. В этом и состоит суть принципа иерархической организации памяти.
Трудности физической реализации запоминающего устройства высокого быстродействия и большого объёма требуют иерархической организации памяти.
В современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по своим основным характеристикам: времени доступа, сложности, объёму и стоимости. При этом более высокий уровень памяти меньше по объёму, быстрее и имеет большую стоимость в пересчёте на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне.
Большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещён в более быструю, но дорогостоящую и поэтому небольшую память. Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительного комплекса.
Главное отличие компьютеров от всех других технических устройств — это программное управление их работой.
Принцип программного управления определяет общий механизм автоматического выполнения программы.
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности команд. Команды представляют собой закодированные управляющие слова, в которых указывается:
• какое выполнить действие;
• из каких ячеек считать операнды (данные, участвующие в операции);
• в какую ячейку записать результат операции.
Команды, входящие в программу, выполняются процессором автоматически в определённой последовательности. При этом выполняется следующий цикл действий:
1) чтение команды из памяти и её расшифровка;
2) формирование адреса очередной команды;
3) выполнение команды.
Этот цикл повторяется до достижения команды, означающей окончание выполнения программы, решающей некоторую конкретную задачу. В современных компьютерах по завершении работы программы управление передаётся операционной системе.
7.2. Архитектура персонального компьютера
Современные персональные компьютеры различаются по своим размерам, конструкции, разновидностям используемых микросхем и модулей памяти, другим характеристикам. В то же время все они имеют единое функциональное устройство, единую архитектуру — основные узлы и способы взаимодействия между ними (рис. 2.7).
Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.
На рисунке 2.7 изображены хорошо известные вам узлы современного компьютера:
процессор,
внутренняя память,
устройства ввода,
устройства вывода и внешняя память.
Рис. 2.7. Функциональная схема компьютера (К — контроллер)
Обмен данными между устройствами компьютера осуществляется с помощью магистрали.
Магистраль (шина) — устройство для обмена данными между устройствами компьютера.Магистраль состоит из трёх линий связи:
• шины адреса, используемой для указания физического адреса, к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи;
• шины данных, предназначенной для передачи данных между узлами компьютера;
• шины управления, по которой передаются сигналы, управляющие обменом информацией между устройствами и синхронизирующие этот обмен.
В компьютерах, имевших классическую фон-неймановскую архитектуру, процессор контролировал все процессы ввода/вывода. При этом быстродействующий процессор затрачивал много времени на ожидание результатов работы от значительно более медленных внешних устройств. Для повышения эффективности работы процессора были созданы специальные электронные схемы, предназначенные для обслуживания устройств ввода/вывода или внешней памяти.
Контроллер — это специальный микропроцессор, предназначенный для управления внешними устройствами: накопителями, мониторами, принтерами и т. д.
Благодаря контроллерам данные по магистрали могут передаваться между внешними устройствами и внутренней памятью напрямую, минуя процессор. Это приводит к существенному снижению нагрузки на центральный процессор и повышает эффективность работы всей вычислительной системы.
Современные компьютеры обладают магистрально-модульной архитектурой, главное достоинство которой заключается в возможности легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.
Если спецификация на шину (детальное описание всех её параметров) является открытой (опубликованной), то производители могут разработать и предложить пользователям разнообразные дополнительные устройства для компьютеров с такой шиной. Подобный подход называют принципом открытой архитектуры. Благодаря ему пользователь может собрать именно такую компьютерную систему, которая ему нужна.
7.3. Перспективные направления развития компьютеров
Мир современных компьютеров необычайно разнообразен. Кроме микропроцессоров, встраиваемых во всевозможные устройства, и разных типов персональных компьютеров существуют значительно более мощные вычислительные системы.
Это серверы в глобальной компьютерной сети, управляющие её работой и хранящие огромные объёмы информации.
Это многопроцессорные системы параллельной обработки данных, обеспечивающие:
• сокращение времени решения вычислительно сложных задач;
• сокращение времени обработки больших объёмов данных;
• решение задач реального времени;
• создание систем высокой надёжности.
Время однопроцессорных вычислительных систем прошло. Не только суперкомпьютеры, но и современные персональные компьютеры, ноутбуки, игровые приставки основаны на многопроцессорных, многоядерных и других технологиях, предполагающих одновременное выполнение множества инструкций.
В наши дни электронная техника уже подошла к предельным значениям своих технических характеристик, которые определяются физическими законами. Поэтому идёт поиск неэлектронных средств хранения и обработки данных, ведутся работы по созданию квантовых и биологических компьютеров, проводятся исследования в области нанотехнологий.
САМОЕ ГЛАВНОЕ
В каждой области науки и техники существуют фундаментальные идеи или принципы, определяющие на многие годы вперёд её содержание и направление развития. В компьютерных науках роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя крупнейшими учёными XX века — Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.
К основополагающим принципам построения компьютеров (принципам Неймана-Лебедева) можно отнести следующие:
1) состав основных компонентов вычислительной машины;
2) принцип двоичного кодирования;
3) принцип однородности памяти;
4) принцип адресности памяти;
5) принцип иерархической организации памяти;
6) принцип программного управления.
Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.
Классическая архитектура компьютеров первых поколений предполагала осуществление взаимодействия всех устройств через процессор и наличие неизменного набора внешних устройств.
Современные персональные компьютеры обладают открытой магистрально-модульной архитектурой — устройства взаимодействуют через шину, что способствует оптимизации процессов обмена информацией внутри компьютера. Второе преимущество современной архитектуры — возможность легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.
Вопросы и задания
1. Перечислите основные фундаментальные идеи, лежащие в основе построения компьютеров.
2. Какие устройства принято выделять в компьютерах классической архитектуры? Сравните их с устройством машины Беббиджа.
3. Чем обусловлен выбор двоичного кодирования для представления информации в компьютере?
4. Как вы понимаете утверждение «Одно и то же значение ячейки памяти в зависимости от способа обращения к нему может использоваться и как данные, и как команда»?
5. В чём состоит суть принципа адресности памяти?
6. Почему в современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по времени доступа, сложности, объёму и стоимости?
7. В чём состоит суть принципа программного управления?
8. Подготовьте сообщение о Джоне фон Неймане и его вкладе в развитие компьютерной техники.
9. Для чего предназначена магистраль (шина)? Из каких частей она состоит?
10. Что такое магистрально-модульная архитектура? В чём её главное достоинство?
11. В чём заключается принцип открытой архитектуры?