1.2. Принципы Джона фон Неймана

Большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных американским ученым Джоном фон Нейманом еще в 1945 году в его предложениях по машине EDVAC. Эта ЭВМ была одной из первых машин с хранимой программой, т.е. программой, хранящейся в памяти машины, а не считываемой с перфокарты или другого подобного устройства. Перечислим основные принципы Джона фон Неймана:

1. Принцип программного управления. Работа ЭВМ осуществляется под управлением программы.

2. Принцип хранимой программы. Программа хранится в памяти ЭВМ как и остальные данные с которыми работает машина.

3. Принцип двоичного кодирования. Вся информация в компьютере кодируется в двоичном коде.

4. ЭВМ должна состоять из:

• арифметико-логического устройства, предназначенного для выполнения арифметических и логических операций;

• устройства управления, которое управляет всей работой машины;

• запоминающего устройства;

• устройства ввода-вывода информации.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором.

2. Внутренние устройства эвм

2.1. Процессор (центральный)

Центральный процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Это наиболее сложный компонент ЭВМ как с точки зрения электроники, так и с точки зрения функциональных возможностей. Микропроцессор, как правило выполнен на одной сверхбольшой интегральной схеме (СБИС).

В состав центрального процессора входят арифметико-логическое устройство, устройство управления, внутренняя регистровая память (регистры), КЭШ-память и некоторые другие устройства.

1. АЛУ - арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций (то есть является собственно вычислителем ЭВМ). Операции выполняются с помощью электронных схем, каждая из которых состоит из нескольких тысяч элементов. Микросхемы имеют высокую плотность и быстродействие. На современном технологическом уровне все АЛУ можно разместить на одном кристалле полупроводникового элемента размером с конторскую скрепку.

Арифметико-логическое устройство формирует по двум входным переменным одну – выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание, сдвиг и т.д.). Выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от устройств управления.

Действия с действительными числами (представленными в форме с плавающей запятой) выполняются в специальном блоке. В некоторых компьютерах (например, в IBM-386) с этой целью использовался арифметический сопроцессор.

В АЛУ имеются собственные регистры. Это набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора.

2. УУ - устройство управления, обеспечивающее общее управление логическим процессом по программе, хранящейся в основной памяти, и координацию работы всех устройств ПЭВМ. В простейшем случае УУ имеет в своем составе три устройства – регистр команд, который содержит код команды во время ее выполнения, программный счетчик, в котором содержится адрес очередной подлежащей выполнению команды, регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти. Для связи пользователя с ЭВМ предусмотрен пульт управления, который позволяет выполнять такие действия, как сброс ЭВМ в начальное состояние, просмотр регистра или ячейки памяти, пошаговое выполнение программы при ее отладке и т.д.

3. Среди обязательного набора регистров процессора можно отметить следующие. Регистр данных – служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операции. Регистр аккумулятор – регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений (например, в нем формируется результат выполнения команды умножения). Регистр указатель стека – используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу: последним вошел – первым вышел, т.е. последнее записанное в него значение извлекается из него первым. Пока отметим только, что стеки используются для организации подпрограмм. Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти. Регистры-счетчики используются для организации циклических участков в программах. Регистры общего назначения, имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться для любых целей.

Микропроцессор характеризуется:

1) тактовой частотой;

2) разрядностью;

3) архитектурой.

1) Тактовая частота определяется максимальным временем выполнения элементарного действия в микропроцессоре. Работа микропроцессора (МП) синхронизируется импульсами тактовой частоты от задающего генератора. Чем выше тактовая частота МП (при прочих равных условиях) тем выше его быстродействие.

Быстродействие - скорость обработки информации (измеряется количеством операций в секунду). При одинаковой тактовой частоте быстродействие ПЭВМ может быть различно.

Pentium: частота от 75 до 266 МГц. Тактовая частота указывается сразу за моделью микропроцессора: Pentium /100.

2. Разрядностью МП называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут передаваться или обрабатываться одновременно.

Понятие «разрядность» включает:

• разрядность внутренних регистров МП;

• разрядность шины данных;

• разрядность шины адреса

Определяющую роль в принадлежности МП к тому или иному классу играет разрядность внутренних регистров (внутренняя длина слова). Она измеряется количеством бит информации, которую можно одновременно хранить или обрабатывать в них.

Разрядность шины данных измеряется количеством информации, которую можно передать по шине за один такт. От разрядности шины данных (внешней длины слова) зависит скорость передачи информации между МП и другими устройствами.

Разрядность шины адреса определяет адресное пространство МП, то есть максимальное количество полей (обычно байтов) памяти, к которым можно осуществить доступ. Если, например, разрядность шины адреса равна 20, то общее количество адресуемых ячеек памяти составит 2²⁰, т.е. примерно, один миллион ячеек.

2. Архитектура процессора в основном характеризуется набором тех регистров, которые входят в состав процессора.