Структура процессоров ЭВМ

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

Принцип использования двоичной системы счисления для представления информации в ЭВМ.
Принцип иерархичности Запоминающих Устройств (ЗУ). Регистры ->ОЗУ -> МБ (магнитные барабаны) -> МЛ(магнитные ленты).
Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Эти принципы стали классическими и получили название фон-Неймановских. Большинство современных компьютеров построено в согласии с этими принципами.

Теперь очень коротко вспомним, что такое программа и алгоритм. Понятие алгоритма (слово алгоритм произошло от имени Мухаммед аль Хорезми, написавшем в IX веке трактат по арифметике десятичных чисел), не замыкается только областью вычислительной техники. По интуитивному определению: Алгоритм - это совокупность правил, строго следуя которым можно перейти от исходных данных к конечному результату. В ВТ под "совокупностью правил" понимается последовательность арифметических и логических операций. Программа - это запись алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Любая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими операндами это действие производится. Программа представляет собой совокупность команд, записанных в определенной последовательности, обеспечивающих решение задачи на ЭВМ.

Чтобы УУ могло воспринять команды, они должны быть закодированы в цифровой форме. Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа программного управления, являющегося основной особенностью ЭВМ. (Без программного управления ЭВМ превратится в обычный быстродействующий арифмометр или микрокалькулятор).

Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу программа, закодированная в цифровом виде, хранится в памяти наравне с числами. Поскольку программа хранится в памяти, одни и те же команды можно извлекать и выполнять необходимое количество раз. Более того, над кодами команд (как над числами) можно выполнять некоторые арифметические операции и тем самым модифицировать команды программы.

Команды программы выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти. Однако команды безусловного и условного переходов могут изменять этот порядок соответственно, безусловно, или при выполнении некоторого условия, задаваемого отношениями типа больше, меньше или равно. В большинстве случаев условие перехода формируется в результате выполнения предыдущей операции. Именно команды условного перехода позволяют строить не только линейные, но также ветвящиеся и циклические программы.

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;
процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);
устройство ввода;
устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме). Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.

Общая схема компьютера

Функции памяти:

приём информации из других устройств;
запоминание информации;
выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
программное управление работой устройств компьютера.

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.

Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;
счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов

Давайте поближе познакомимся с компьютером, он не так сложен, как кажется на первый взгляд. Большие ЭВМ, которые существуют и сейчас, называемые main frame, выглядят как большие шкафы, или стойки, расположенные в больших просторных залах. Как эти стойки соединены между собой сразу и не увидишь, кабели лежат под полом в так называемых кабельных каналах. Микрокомпьютеры, например, такие как в электронных часах или в микроволновой печи, вообще трудно разглядеть. И дело не в том, что они находятся внутри других устройств. Просто обычно они выполнены на одном кристалле кремния, залиты пластмассой и называются микросхемой. Персональный компьютер выглядит как несколько стоящих на столе и соединенных между собой устройств. Вы хорошо знаете их названия: системный блок, монитор, клавиатура, принтер. Это, разумеется, не полный список. Есть еще сканеры, модемы, мышки, графопостроители (плоттеры) и многое другое. И все - таки, все компьютеры устроены примерно одинаково. В каждом есть центральный процессор, память и внешние устройства. Центральный процессор выполняет вычисления и управляет остальными компонентами компьютера. Память хранит данные. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие с внешним миром, например с пользователем. Такую структуру вычислительных машин предложил еще Ч. Бэббедж. Большое разнообразие этих основных компонент и способов их соединения и дает весь невообразимый мир компьютеров. Здесь мы рассмотрим физическую организацию персонального компьютера фирмы IBM, его периферию и принципы сопряжения отдельных компонентов. Поскольку предлагаемое пособие не является руководством по конструированию ЭВМ, мы не будем рассматривать эти вопросы слишком подробно. Приведенных сведений, однако, достаточно, чтобы понять принципы работы IBM/PC, состав дополнительного оборудования, подключаемого к компьютеру и особенности его взаимодействия с остальной системой. Компьютер во многом напоминает автомобиль. Он также состоит из нескольких отдельных устройств, каждое из которых подключено к одному блоку, называемому системным, который играет роль координирующего устройства. Заглянем внутрь системного блока (не нужно пытаться проникнуть внутрь монитора — там нет ничего интересного, к тому же это опасно): открываем корпус и видим какие-то платы, блоки, соединительные провода. Все основные платы, входящие в состав любой модели IBM/PC, размещаются в большом блоке, получившем название системного. Системный блок включает все необходимые компоненты, позволяющие компьютеру работать без каких-либо дополнений. Составляющие IBM/PC можно рассматривать с трех различных точек зрения: по тому, где они размещаются, как они функционируют, и как они взаимодействуют друг с другом. Рассмотрим вопрос пространственного размещения этих составляющих. Физически составляющие IBM/PC можно разделить на компоненты системной платы и платы расширения. На системной плате находятся микропроцессор, первые 64К памяти и "встроенные" программы, такие как базовые программы ввода/вывода (BIOS), записанные в микросхемах ПЗУ. Системная плата имеет несколько свободных разъемов, предназначенных для подключения дополнительного оборудования, которое может быть введено в состав компьютера. Блоки расширения вставляются в эти разъемы, располагаясь над системной платой. Чтобы понять их функциональное назначение, посмотрим на структурную схему типичного компьютера (рис. 1). Она не претендует на безусловную точность и имеет целью лишь показать назначение, взаимосвязь и типовой состав элементов и для того, чтобы им пользоваться (так же, как в случае с автомобилем) не обязательно знать назначение каждой детали. Однако, чтобы понимать как работает система, необходимо иметь хотя бы приближенное представление о том, как функционируют отдельные ее части.