Глава 2. Общие принципы построения эвм

2.1.Функциональные блоки эвм

Впервые над устройством автоматической машины, способной работать без вмешательства человека по заранее составленной программе, задумался гениальный английский ученый Чарльз Бэббидж. Более полутора столетий назад он предложил и разработал для этой цели свою аналитическую машину. Она не была построена, но идеи ее устройства впоследствии получили широкую известность. По мысли изобретателя, аналитическая машина должна была состоять из следующих частей:

• «склад» для хранения чисел (в современной терминологии запоминающее устройство, или память);

• «мельница» - для производства арифметических действий над числами (арифметическое устройство);

• устройство, выполняющее последовательность операций машины (Бэббидж не дал ему специального названия; сейчас такое устройство называется устройством управления);

• устройства ввода и вывода данных.

Очевидно, что Ч. Бэббидж в значительной мере предвосхитил структуру вычислительной машины, причем он сделал это более чем за целый век до постройки самой первой ЭВМ.

Компьютеры, которыми мы сейчас пользуемся, состоят из следующих функциональных частей:

• устройство, в котором производятся все операции по обработке всех видов информации; в современной терминологии оно называется арифметико-логическое устройством (АЛУ);

• устройство, обеспечивающее организацию выполнения программ обработки информации и согласованное взаимодействие всех узлов машины в ходе процесса - устройство управления (УУ); АЛУ и УУ в настоящее время удается выполнить в виде единой интегральной схемы, которая называется микропроцессором;

• устройство, предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также, что очень важно, самой программы обработки информации; данное устройство принято называть запоминающим (ЗУ) или для краткости памятью; существуют различные виды памяти, в том числе оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешняя память на магнитных и оптических дисках;

• разнообразные устройства, способные преобразовать информацию в форму, удобную компьютеру (часто этот процесс называется кодированием), - устройства ввода;

• и, наконец, устройства преобразующие результаты обработки в доступную человеку форму, - устройства вывода.

Процессор – это блок ЭВМ предназначенный для автоматического считывания команд программы, их расшифровки и выполнения.

Главные части процессора АЛУ и УУ. АЛУ служит для выполнения всех тех операций, которые умеет выполнять процессор (арифметические действия, логические операции, сравнение данных, сдвиги).

Чтобы составить для себя некоторое представление об устройстве АЛУ, рассмотрим логику выполнения сложения двух чисел. Перед выполнением данной операции оба слагаемых помещаются в регистры (специальные схемы процессора) – типовые узлы ЭВМ, предназначенные для временного хранения данных или выполнения над ними некоторой операции. Каждый отдельно взятый бит регистра представляет собой электронное устройство – триггер.

Для осуществления процесса суммирования требуется устройство – сумматор. В него копируется первое слагаемое, а затем прибавляется второе, причем результат тоже получается в сумматоре. Теперь его можно записать в память, либо использовать для дальнейших вычислений.

Важной функцией АЛУ является анализ результата, полученного после выполнения команды. Обычно проверяются два свойства: равенство или неравенство нулю (устанавливается факт совпадения всех разрядов сумматора с нулем или отсутствие такового) и отрицательность или неотрицательность ответа (для этого достаточно скопировать знаковый разряд числа, который всегда установлен в 1 для отрицательных чисел и в 0 – для положительных чисел). Результаты описанного анализа сохраняются в виде отдельных битов в особом регистре – знаковом регистре. Данные этого регистра могут быть в дальнейшем использованы при реализации команд условных переходов.

Следовательно, АЛУ способно лишь принять извне готовые числа и выставить в сумматоре результат действия над ними.

Чтобы обеспечить автоматически вычисления по программе, процессор должен уметь выполнять еще ряд действий (функции УУ):

• извлекать из памяти очередную команду;

• расшифровывать и преобразовывать в последовательность необходимых действий;

• заносить в АЛУ исходные данные;

• сохранять полученный в АЛУ результат;

• обеспечивать синхронную работу всех узлов машины.

УУ содержит несколько важных регистров: счетчик адреса и регистр команд, в который считывается код выполняемой команды.