16.2.Цифровая электронная вычислительная машина (компьютер, эвм)

В отличие от электронной аналоговой вычислительной машины, электронные цифровые вычислительные машины – компьютеры, представляют числа состояниями ячеек памяти, и эти состояния интерпретируются как записи чисел в двоичной позиционной системе счисления. Совокупности записей чисел образуют наборы данных.

Существо работы цифрового компьютера состоит в преобразовании исходного набора данных в результирующий набор данных по правилам, задаваемым алгоритмом решения задачи. Алгоритм решения задачи кодируется в виде двоичной программы, которая хранится в той же памяти, что и данные.

Таким образом, компьютер являет собой дискретную, программно-управляемую машину преобразования данных, со сменной программой. В отличие от аналоговой вычислительной машины, компьютер имеет постоянную структуру аппаратурных блоков, которая не изменяется при переходе от решения одной задачи к решению другой задачи (рис.57). При таком переходе изменяется только программа.

Рис. 57. Структурная схема компьютера

Равнодоступная оперативная память прямого доступа непосредственно взаимодействует с устройствами центра. Термин "прямой доступ" означает доступ к ячейкам оперативной памяти по адресам, "равнодоступность" означает, что время доступа к конкретному адресу не зависит от того, к какому адресу было предыдущее обращение. В американской терминологии такой способ доступа называется "случайным".

Примечание. По сути дела, компьютеры аппаратно реализуют теоретическую модель вычислений – равнодоступную адресную машину (см. 11.6).

Как сказано выше, работой компьютера управляет программа, которая являет собой текст, строками которого служат команды. Команды подразделяются на два класса:

команды преобразования данных, приказывающие компьютеру вычислить базисные арифметические или логические функции (арифметические и логические команды соответственно);

команды передачи управления, приказывающие компьютеру изменить последовательное выполнение команд преобразования данных

Арифметико-логическое устройство автоматически выполняет команды преобразования данных (арифметические и логические), устройство управления реализует принцип программного управления компьютером, который формулируется в двух пунктах:

программа, представленная в двоичных кодах, хранится в той же памяти, что и данные;

имеется электронное устройство: последовательно выбирающее команды программы из памяти, предающее команды преобразования данных в арифметико-логическое устройство, и выполняющее команды передачи управления.

Представление о работе компьютера дает алгоритм главного цикла компьютера, который, по сути дела, реализует сформулированный выше принцип программного управления. Здесь используются следующие обозначения:

СЧК - счетчик команд, содержимое которого в каждый момент времени указывает адрес текущей исполняемой команды программы;

КК, <операнды> - команда (код команды и операнды команды);

РК – регистр команд, хранящий текущую исполняемую команду;

Алгоритм главного цикла компьютера

1: СЧК := адрес в памяти первой команды программы;

2: РК := ПАМ[СЧК]; /прием очередной команды на регистр команд/

3: СЧК := СЧК+1; /установка адреса следующей команды,

4: Если КК = "ОСТАНОВ" то конец выполнения программы;

5: Если КК = имя команды преобразования данных то передача команды с РК в АЛУ для исполнения;

6: Если КК = имя команды управления то передача операнда (адреса перехода) в счетчик команд;

7: Повторение 2.

Устройства ввода осуществляют загрузку в оперативную память программы решения прикладной задачи и исходных данных для этой задачи. Устройства вывода реализуют визуализацию результатов решения прикладной задачи. В первом поколении компьютеров ввод информации в оперативную память осуществлялся с перфокарт, результаты вычислений печатались на бумажной ленте.

С самых первых шагов становления компьютеров и по сей день, программистам не хватает емкости оперативной памяти для решения прикладных задач. И это, несмотря на то, что электронщики постоянно реализуют оперативную память все большей и большей емкости. (Если оперативная память первых компьютеров имела емкость в 1 килобайт, то объем оперативной памяти современных компьютеров превышает гигабайт).

Постоянный дефицит оперативной памяти вызван стремлением программистов решать все более и более сложные прикладные задачи. Да и системные программисты, разрабатывая операционные системы и компиляторы, не озабочены экономией памяти.

Вследствие этого, уже в первых моделях компьютеров появилась двухуровневая память: быстрая и небольшой емкости – оперативная; и медленная, но большой емкости – внешняя (внешние запоминающие устройства, внешние накопители). В качестве внешних накопителей использовались, последовательно, магнитные ленты, магнитные барабаны, магнитные диски (см. ниже). Первоначально был реализован прямой доступ к блокам данных, хранящихся на внешнем накопителе, но электромеханическая конструкция этого накопителя не позволяла осуществить равнодоступность данных (как в оперативной памяти).