3.2. Архитектура и принципы работы компьютера.
Все современные ЭВМ построены на принципах, сформулированных в 1945 году американским математиком немецкого происхождения Джоном фон Нейманом:
1 – принцип программного управления, из которого следует, что для решения любой задачи на ЭВМ необходима программа.
Программа – определенная совокупность команд, обеспечивающая выполнение задачи. По Нейману программно управляемая ЭВМ должна иметь следующую логическую структуру, представленную на схеме 3.1.
При работе ЭВМ вначале с помощью устройства ввода (УВВ), например, клавиатуры, в память (ОЗУ) вводится программа и исходные данные для решения задачи. По команде устройства управления (УУ) из оперативной памяти считывается первая команда программы и вместе с ее исходными данными передается в арифметико-логическое устройство (АЛУ) для выполнения команды. Ее результаты возвращаются в память и выбирается следующая команда и так далее. Результаты работы программы выводятся на устройства вывода (Увыв) (дисплей, печать). Данные, которые подлежат длительному хранению передаются и запоминаются в устройствах внешней памяти (ВЗУ), например, на "жестком" диске или дискете.
Исходная
информа-
ция
результаты
Рис. 3.1 Структурная организация ЭВМ
УВВ – устройство ввода информации.
АЛУ – арифметико-логическое устройство.
УУ - устройство управления.
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.
ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.
Увыв – устройство вывода информации.
Одинарные линии – управляющие связи.
Двойные линии – информационные связи.
Устройство управления управляет всей работой ЭВМ: инициирует работу устройства ввода, давая ему команду на выполнение операции ввода информации в запоминающее устройство ЭВМ. Оно, в свою очередь, указывает, из какого места запоминающего устройства необходимо передать информацию в арифметико-логическое устройство, какую операцию над этой информацией должно выполнить арифметико-логическое устройство, в какое место запоминающего устройства записать результат операции. Оно также инициирует работу устройства вывода для вывода результата из запоминающего устройства и выполняет ряд других функций.
Таким образом, для реализации принципа программного управления ЭВМ должна иметь определенный набор устройств, приведенный выше.
Два следующих принципы фон Неймана описывают построение памяти ЭВМ.
2 – принцип адресности памяти предполагает, что память ЭВМ состоит из пронумерованных ячеек, процессору в любой момент времени доступна любая из ячеек, обращение к которым выполняется по их адресам.
3 - принцип однородности памяти компьютера говорит, что программа и данные хранятся в одной и той же памяти, компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда.
Описана классическая структура вычислительной машины, на основе которой уже более полувека создаются ЭВМ. Современные компьютеры, базируясь на тех же принципах, имеют некоторые отличия, обусловленные развитием техники и служащие решению важных для пользователя задач.
Для описания построения компьютеров принято понятие архитектуры.
Архитектура ЭВМ описывает правила объединения устройств компьютера в единую вычислительную систему.
В настоящее время ЭВМ разрабатываются в виде семейств, включающих модели машин различных производительности. Эти модели объединены рядом общих свойств:
Информационной совместимость – использованием единого формата представления данных.
Программной совместимостью, имеющей иерархический характер ("снизу вверх"). Программы, составленные для менее производительной ЭВМ могут выполняться на более производительных, но не наоборот.
Единой конструктивной и технологической базой, предполагающей стандартизацию системы логических элементов, функциональных модулей, размеров плат, блоков, стандартное количество разъемов и пр.
Еще одним из принципов построения компьютера является принцип модульного построения, который предполагается, любая ЭВМ состоит из набора взаимосвязанных модулей- блоков. Основными устройствами любой ЭВМ являются процессор, память, устройства ввода и вывода.