1.3 Принципы работы компьютера

Перейдем к рассмотрению принципов работы компьютера.

Когда мы рассматриваем компьютерные устройства, то нужно различать что называется архитектурой, а что структурой компьютера.

Архитектура компьютера включает описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.Таким образом, архитектура определяет правила взаимодействия составных частей компьютера.

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Итак, структуру ЭВМ Джон фон Нейман представлял четырьмя основными блоками :

АЛУ – устройство, выполняющее арифметические и логические операции, через которые проходит поток данных

УУ – устройство управления для организации выполнения программ;

ЗУ – память для хранения программ данных;

ВУ – внешние устройства для ввода/вывода информации.

Все эти устройства соединены каналами связи,по которым передается информация.

Рассмотрим подробнее особенности структуры вышеназванных блоков.

Все эти устройства не являются самостоятельными блоками.

Арифметико-логическое устройство - это та часть процессора,которая выполняет команды и входит в состав микропроцессора. АЛУ осуществляет непосредственное преобразование информации. В нём выполняется весь перечень простейших команд(сдвиги, сложение, инверсия, и другие) и хранение временных результатов. АЛУ содержит схемы выполнения арифметических и логических команд и регистры общего назначения.В состав АЛУ входят регистры,в которых обрабатывается информация,а также сумматор- регистр АЛУ,который участвует в выполнении каждой операции и содержит соответствующие логические схемы,в которых реализуется обработка микрокоманд,поступающих из устройства управления. АЛУ выполняет все операции под воздействием УУ, то есть является исполнительным устройством. В результате работы АЛУ всегда вырабатываются «флаги» (например, был ли перенос в старший разряд, равен или не равен результат нулю, является ли результат отрицательным и так далее).

Устройство управления (УУ) -это та часть процессора,которая выполняет функции управления устройствами и включает в себя следующие регистры: счетчики команд и регистры команд.Счетчик команд служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти,а регистр команд для хранения кода команды на тот период времени,который необходим для ее выполнения.

Запоминающее устройство (ЗУ) состоит из пронумерованных ячеек и служит для хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Таким образом, работу компьютера можно описать следующим образом: в первую очередь, с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Далее устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует её выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций для того, чтобы считать данные для выполнения арифметических или логических операций и после этого внести эти результаты в память. После этого ввод данных производится с помощью внешнего устройства в память или,наоборот,вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменён с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы. Но сама программа начинает свое выполнение с команды, которая содержится в некоторой другой ячейке памяти. Тем не менее, такой «скачок» или переход в программе может выполняться не всегда, а лишь вследствие выполнения некоторых условий. Приведу пример, когда некоторые числа равны и если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д., то это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определённых условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.

Отсюда мы можем сделать вывод, что управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, то управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. После того, как выполнена программа, ее результаты должны быть выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов от внешних устройств.

Процесс выполнения программ обычно является непрерывным, но может прерываться для выполнения других срочных действий – в ответ на сигналы от внешних устройств, называемые прерываниями. В современных компьютерах АЛУ и УУ объединены в один блок, называемый центральным процессором, либо микропроцессором (МП).