Структура вычислительной машины и принцип её работы
Обработка информации реализуется с помощью некоторой функции f, отображающей множество данных D во множество возможных результатов R (рис.5).
Рис. 5.Отображение множества данных в множество результатов.
Чтобы промоделировать f с помощью технического устройства необходимо располагать тремя физическими представлениями:
физическим представлением множества данных D';
физическим представлением множества результатов R';
физическим представлением функции обработки f', таким, что применение f' к D' должно давать элемент R'.
Функция f' должна быть физически реализуемой, то есть должна вычисляться на некотором физическом устройстве.
Чтобы выполнить обработку информации и интерпретировать результат необходимо располагать кодами представления исходных данных и результатов (рис. 5):
входным кодом , представляющим элемент данных D с помощью физического элемента из D';
выходным кодом , интерпретирующим элемент из R' с помощью элемента из R.
Рис.6. Представление реального процесса с помощью технического устройства.
Отображения , и f' выбираются так, чтобы выполнялось условие
f(x) = ( f'((x)))
ЭВМ позволяет получить указанные физические представления. Принципиально вычислительная машина состоит из двух частей (рис. 7):
центрального процессора, позволяющего с помощью электронных устройств выполнять f';
памяти, являющейся физической системой, представляющей D' и R'.
Рис. 7. Структура вычислительной машины.
Память есть физическая система с большим числом возможных состояний. Каждое состояние с помощью отображений и связывается с элементами множеств D и R. Практически используемые системы имеют конечное число состояний, то есть множества D и R представляются конечными множествами D' и R'.
Удобно представлять память состоящей из множества N одинаковых физических систем, каждая из которых имеет M состояний. Каждая такая физическая система называется словом. Обычно M = 28 = 256. Это позволяет поставить в соответствие каждому состоянию 8-разрядное двоичное число.
Наиболее просто строить память из физических элементов, имеющих два устойчивых состояния. Такой элемент называется бит. Тогда слово образуется комбинацией восьми таких элементов или битов и называется байтом.
Каждое из возможных состояний слова можно интерпретировать в зависимости от ситуации и используемых кодов как:
целое натуральное число в диапазоне от 0 до 255;
слово из букв обычного алфавита и т.д.
Отдельные слова могут объединяться в структуры, позволяющие представлять более сложные объекты, такие как вещественные числа, таблицы, списки и т.д.
Вычислительная машина должна выполнять конечное число физически реализуемых базовых операций над содержимым слов памяти. Современные однопроцессорные ЭВМ имеют архитектуру, предложенную фон Нейманом и называются фоннеймановскими машинами. Принцип организации их работы заключается в следующем.
Память машины представляет собой линейную последовательность пронумерованных слов или ячеек. Номер ячейки называется её адресом.
Одни и те же ячейки памяти могут содержать исходные данные, полученные результаты или команды машины.
Команды выполняются последовательно в соответствии с порядком, определяемым программой.
ЭВМ является универсальным преобразователем информации, способным реализовывать любые алгоритмы преобразования данных.
Центральный процессор состоит из двух частей – управ-ляющего устройства и арифметическо-логического устройства (АЛУ).
Управляющее устройство определяет последовательность выполнения команд и занимается поиском их в памяти. Оно имеет специальную ячейку памяти, называемую регистром команд, в которую помещается подлежащая выполнению команда.
Арифметически-логическое устройство выполняет команды, передаваемые управляющим устройством. Оно имеет несколько специальных ячеек памяти, называемых регистрами общего назначения, в которых временно хранятся операнды команд и результаты выполнения команд.
Преобразования и внешней формы данных D и результатов R во внутреннюю D' и R' выполняются с помощью периферийных устройств, связывающих компьютер с внешним миром. Различаются устройства ввода или чтения и устройства вывода или записи. Устройства ввода передают информацию в память машины, устройства вывода передают информацию из памяти машины на внешние устройства (экран дисплея, принтер, графопостроитель и пр.).
Память вычислительной машины подразделяется на оперативную и внешнюю. Оперативная память служит для временного хранения программ и данных непосредственно во время вычислений. Содержимое оперативной памяти сохраняется только во время работы компьютера. Внешняя память имеет значительно больший объём и служит для долговременного хранения программ и данных. Информация во внешней памяти хранится в виде файлов, являющихся последовательностями байтов. Для того чтобы программа могла быть выполнена, она должна быть загружена в оперативную память машины.
Программа на машинном языке организована в виде последовательности ячеек памяти, каждая из которых содержит одну команду. Каждая команда в свою очередь состоит из кода операции и набора операндов.
Рис. 8. Формат трехадресной команды.
На рис.8 избражен формат трехадресной команды. Здесь Коп – код выполняемой операции, Адрес 1и Адрес 2 – адреса ячеек памяти, содержащих операнды команды. Например, в операции сложения операндами будут слагаемые. Адрес 3 – адрес ячейки памяти, в которую будет помещен результат операции.
В зависимости от числа используемых адресов команды бывают трехадрес-ными, двухадресными, одноадресными и безадресными.
Типичный набор операций, выполняемых аппаратной вычислительной машиной состоит из следующих операций:
арифметические операции;
операции для проверки различных свойств элементов данных;
операции для доступа к различным частям элементов данных и их изменения;
операции управления устройствами ввода-вывода;
операции для управления последовательностью выполнения операций.
При выполнении программы вычислительная машина выполняет простой циклический алгоритм, изображенный на рис. 9.
Рис.9. Цикл выполнения программы.
Работа компьютера заключается в выборе слов данных из памяти в процессор, модификации их содержимого и записи обратно в память.