Лекція №2 Будова та принцип дії комп'ютера

Комп'ютер — це пристрій, що створений як універсальний інстру­мент для обробки інформації. Комп'ютер здатний «розуміти» і виконувати певні команди. Команда — це вказівка про те, яку саме операцію над якими даними потрібно виконати (наприклад, «скласти два числа 7 і 5»). Сукупність команд, що визначає по­слідовність операцій, які потрібно виконати комп'ютерові для отримання розв'язку задачі, називається програмою.

Американський математик Джон фон Нейман запропонував в кінці 40-х років нашого століття нову архітектуру комп'ютера, яка є основною вже у чотирьох поколіннях обчислювальної тех­ніки. Архітектура — це загальний опис побудови та функціону­вання комп'ютера як складної обчислювальної системи, вклю­чаючи організацію пам'яті, команди, операції введення-виведення і т. д. Архітектуру сучасного комп'ютера в якій вико­ристовуються ідеї фон Неймана, ілюструє схема на рис 3.

Кожний комп'ютер являє собою сукупність двох обов'язкових складових — апаратної і програмної. Апаратна частина кожно­го комп'ютера незалежно від його розмірів та конфігурації має позначені на схемі функціональні блоки: пристрій управління, арифметико-логічний пристрій (АЛП), оперативну пам'ять і пристрій введення-виведення.

Щоб розв'язати задачу, до пам'яті комп'ютера потрібно ввести програму, яка визначає процес розв'язування, а також необхідні дані. Програма складається з окремих команд на машинній мові, і завжди відомо, де розміщується перша команда програми. Ввівши до АЛП команду і необхідні для її роботи дані, пристрій управління одержує відомості про місцезнаходження наступної команди в пам'яті. Команда виконується і її результат записуєть­ся до оперативної пам'яті. Пристрій управління повідомляє адресу наступної команди, і вона надходить до АЛП. Процес виконання програми продовжується доти, доки не зустрінеть­ся спеціальна команда «Стоп». Якщо серед команд програми є команда виведення, то опитується відповідний пристрій, на­приклад пристрій друкування, і, якщо він увімкнений і готовий до роботи (заправлений папір), то здійснюється виведення (дру­кування) результатів.

В більшості випадків АЛП і пристрій управління не розгляда­ються окремо, а об'єднуються одним словом «процесор». Про­цесор — це пристрій для обробки даних. Саме процесор вико­нує всі ті дії, які необхідні для розв'язання конкретної задачі.

Процесор виконує команди одну за одною, тобто працює по­слідовно. Існують паралельні обчислювальні системи, які ма­ють кілька процесорів, що працюють одночасно. Найпотужніші з них називаються суперкомп'ютерами. Вони розв'язують складні задачі керування космічними апаратами, моделюють зміну клімату Землі, роблять розрахунки складних форм літаль­них апаратів тощо.

Незалежно від кількості процесорів кожний комп'ютер має опе­ративну пам'ять, з якою працюють процесори. Дж. фон Нейман запропонував кілька принципів роботи комп'ютерів, назва­них принципами програмного управління. Головний з них — це принцип єдиної лінійної пам'яті. «Єдиної» означає, що і про­грама, і дані зберігаються в одній пам'яті. «Лінійної» означає, що всі комірки пам'яті пронумеровано від 0 до деякого числа N. Одна і та сама комірка пам'яті для однієї задачі може зберігати команду, а для іншої — дані. Номер комірки називається її адресою.

В різних комп'ютерах розміри комірок різні. Однак в середині 60-х років, коли фірма ІВМ випустила серію обчислювальних машин третього покоління, склався стандарт одиниці виміру пам'яті — байт. Байт являє собою послідовність восьми двійкових розрядів, в кожному з яких може бути записано нуль або одиницю. Один двійковий розряд називається бітом.

В комп'ютері за допомогою двійкових кодів представляються як числа, так і символи (літери, цифри тощо). Для зберігання символу достатньо одного байта. Для цілого числа, як прави­ло, використовуються два або чотири байти, а для дійсного — чотири або вісім, інколи шість байтів, в залежності від конк­ретної задачі та особливостей комп'ютера.

Машинні команди також бувають різної довжини. Здебільшо­го в командах дані для обробки містяться не у вигляді конкрет­них чисел, а у вигляді адрес комірок пам'яті, де вони зберіга­ються. Програмне забезпечення сучасних комп'ютерів дозволяє користувачеві не думати про те, які команди машинної мови використовуються і де саме в пам'яті знаходяться програма і дані.

Спілкування користувача з комп'ютером відбувається через зовнішні пристрої введення-виведення, які дозволяють відоб­ражати інформацію у зрозумілій користувачеві формі (текс­товій, графічній, звуковій) та вводити до комп'ютера інформа­цію та команди.