Глава 4. Архитектура персонального компьютера

§ 4. 1. Информационно-логические основы построения электронно-вычислительных машин

Трудно назвать другую сферу человеческой деятельности, которая развивалась бы столь стремительно и порождала такое разнообразие подходов к изучению материала, как информатизация и компьютеризация общества. История развития информационной технологии поучительна и быстрым изменением наших концептуальных представлений о роли тех или иных методов, технических средств, людей, занятых в этой сфере. В современных реалиях наиболее актуальным для большинства людей стало умение пользоваться промышленными информационными технологиями, без которых не может успешно функционировать никакая информационная система, в том числе и военного назначения.

Более чем полвека развития вычислительных средств, прогресс в аппаратной реализации ЭВМ и их технических характеристик превзошёл все прогнозы, и пока не заметно снижение его темпов. Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений (за исключением систем параллельной обработки информации). Рассмотрению основ информационно-логического построения ЭВМ является целью настоящей лекции.

В данной теме рассматривается архитектура персонального компьютера - главного элемента современной информационной системы, основного компонента аппаратного обеспечения информационной технологии.

I. Структурная схема канонической эвм

Изыскание средств и методов механизации и автоматизации работ — одна из основ­ных задач технических дисциплин. Автоматизация работ с данными имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств, большинство из которых являются электрон­ными приборами. Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, пред­назначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем явля­ется компьютер.

Компьютер — это электронной прибор, предназначенный для автоматизации созда­ния, хранения, обработки и транспортировки данных.

В определении компьютера, как прибора, мы указали определяющий признак — электронный. Однако автоматические вычисления не всегда производились электрон­ными устройствами. Известны и механические устройства, способные выполнять расчеты автоматически.

Анализируя раннюю историю вычислительной техники, некоторые зарубежные исследователи нередко в качестве древнего предшественника компьютера называют механическое счетное устройство абак. Подход «от абака» свидетельствует о глубо­ком методическом заблуждении, поскольку абак не обладает свойством автомати­ческого выполнения вычислений, а для компьютера оно определяющее.

И Абак (рис 4.1) — наиболее раннее счетное механическое устройство, первоначально представляв­шее собой глиняную пластину с желобами, в которых раскладывались камни, представ­ляющие числа. Появление абака относят к четвертому тысячелетию до нашей эры. Местом появле­ния считается Азия. В средние века в Европе абак сменился разграфленными таблицами. Вычисления с их помощью называли счетом на линиях, а в России в XVI-XVII веках, появилось намного более передовое изобретение, применяющееся и поныне — русские счеты.

Рис.4.1. Абак

В то же время нам хорошо знаком другой прибор, способный автоматически выпол­нять вычисления, — это часы. Независимо от принципа действия, все виды часов (песочные, водяные, механические, электрические, электронные и др.) обладают способностью генерировать через равные промежутки времени перемещения или сигналы и регистрировать возникающие при этом изменения, то есть выполнять автоматическое суммирование сигналов или перемещений. Этот принцип просле­живается даже в солнечных часах, содержащих только устройство регистрации (роль генератора выполняет система Земля — Солнце).

Механические часы — прибор, состоящий из устройства, автоматически выполняющего перемещения через равные заданные интервалы времени и устройства регистрации этих перемещений. Место появления первых механических часов неизвестно. Наиболее ранние образцы относятся к XIV веку и принадлежат монастырям (башенные часы). В основе любого современного компьютера, как и в электронных часах, лежит такто­вый генератор, вырабатывающий через равные интервалы времени электрические сигналы, которые используются для приведения в действие всех устройств компью­терной системы. Управление компьютером фактически сводится к управлению распределением сигналов между устройствами. Такое управление может произво­диться автоматически (в этом случае говорят о программном управлении) или вруч­ную с помощью внешних органов управления — кнопок, переключателей, перемычек и т. п. (в ранних моделях). В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени автоматизировано с помощью специальных аппаратно-логических интерфейсов, к которым подключаются устройства управления и ввода данных (клавиатура, мышь, джойстик и другие). В отличие от программного управления такое управление называют интерактивным.

Для уяснения назначения и взаимодействия основных устройств ЭВМ рассмотрим вначале процесс «ручного» решения задач человеком с помощью микрокалькулятора или любого другого устройства счёта. Оказывается, что процесс решения задачи в ЭВМ во многом подобен тому, как человек вручную решает задачи.

Предположим, что человеку требуется определить значение двучлена ab+c² при различных значениях a,b и c. Для этого он выписывает на листе бумаги исходные данные и программу решения задачи (рис.4.2).

1 2 3	A = 0,253	Исходные данные
	B = 0,74
	C=0,632
Команды 4 5 6	A*B=0,18722	Программа
	C*C=0,399
	(A*B)+(C*C)= 0,586
7	Результат

Адреса

Рис.4.2. Схема «ручного» решения задач

Далее человек действует в соответствии с намеченной программой, машинально выполняя её пункт за пунктом.

Каждый пункт программы (строка) является командой, т.е. точной инструкцией того, что делать: какую операцию выполнять, над какими числами и куда записать результат.

При выполнении каждой команды (строки) действия человека распадаются на ряд этапов (шагов):

1-й шаг – чтение очередной команды для выполнения вида операции и чисел, участвующих в ней.

2-й шаг – чтение первого числа (а), участвующего в операции и ввод его в устройство счёта.

3-й шаг – чтение второго числа (b) и ввод его в устройство счёта.

4-й шаг – выполнение заданной операции на устройстве счёта (т.е. нажатие соответствующей клавиши управления - *, + и т.д.).

5-й шаг – запись результата операции в соответствующую строку на листе бумаги.

При «ручном» решении задачи имеются следующие элементы: человек, лист бумаги и устройство счёта. Человек управляет вычислительным процессом, устройство счёта требуется для непосредственного выполнения арифметических действий, лист бумаги служит для хранения всей информации.

В ЭВМ функциональный состав устройств и порядок перемещения информации аналогичны рассмотренному. Структурная схема канонической ЭВМ приведена на рисунке 4.3.

Сигналы управления

адреса

команды

Сигналы управления

Исходные данные, Результаты

Программа

Рис.4.3. Структурная схема канонической ЭВМ

Функции устройства счёта выполняет арифметико-логическое устройство (АЛУ). АЛУ предназначено для выполнения всех предусмотренных в машине арифметических и логических операций над операндами.

Операндом называется любое число или другое слово стандартных для данной машины размеров, над которыми производится операция.

Функции листа бумаги выполняет запоминающее устройство (ЗУ), чаще всего магнитное. ЗУ предназначено для запоминания, хранения всей информации, необходимой для решения задач в машине: исходных данных, программ, промежуточных и окончательных результатов.

ЗУ разбивается на ячейки, также как и лист бумаги - на строки. Все эти ячейки пронумерованы. Номера ячеек ЗУ называются адресами.

Каждая ячейка имеет стандартный для данной машины объём (ёмкость).

Функции человека выполняет устройство управления (УУ). УУ предназначено для управления и согласования в работе всех устройств машины в соответствии с выполняемой программой.

Программой называется последовательность операций, которая приводит к получению результата. Программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определённую операцию над числами (операндами) и указывает адреса этих операндов.

Программа и исходные данные вводятся в ЗУ ЭВМ по указанным адресам. Ввод осуществляется с помощью какого-либо устройства ввода.

Вывод результатов решения задачи осуществляется с помощью устройства вывода.

Устройства ввода и вывода не имеют аналогов в ручном решении. Они необходимы для доступа человека к запоминающему устройству.

Таким образом, структура ЭВМ аналогична структуре процесса «ручного» решения задач и соответствующий состав элементов. В результате научно-технического прогресса меняется только элементная база и улучшается качество характеристик ЭВМ. Общая структура остаётся неизменной.