2. Структура фон-неймановской вычислительной машины.

Фон-неймановская ВМ включает пять функциональных блоков (рис. 1): устройство ввода, память, АЛУ, устройство управления и устройство вывода. Рисунок 1 - Структура фон-неймановской вычислительной машины

В любой ВМ имеются средства для ввода программ и данных. Информация поступает из подсоединенных к ВМ периферийных устройств (ПУ) ввода. Затем отдельные команды программы одна за другой автоматически поступают в устройство управления (УУ), которое их декодирует и управляет выполнением операции, заданной в команде. Операции обычно выполняются в арифметико-логическом устройстве (АЛУ), содержащем все необходимые для обработки данных схемы. При этом данные должны поступить в АЛУ из памяти. Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают порты ввода и порты вывода. Термином порт обозначают аппаратуру сопряжения периферийного устройства с ВМ. Совокупность портов ввода и вывода называют устройством ввода/вывода (УВВ). АЛУ и устройство управления вместе образуют центральное процессорное устройство (ЦПУ), которое обычно называют центральным процессором (ЦП) или просто процессором.

Чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти (ОП), организованной таким образом, что каждое двоичное слово хранится в отдельной ячейке, идентифицируемой адресом, причем соседние ячейки памяти имеют следующие по порядку адреса. Доступ к любым ячейкам запоминающего устройства (ЗУ) основной памяти может производиться в произвольной последовательности. Такой вид памяти известен как память с произвольным доступом. ОП современных ВМ в основном состоит из полупроводниковых оперативные запоминающих устройств (ОЗУ), обеспечивающих как считывание, так и запись информации. Для таких ЗУ характерна энергозависимость – хранимая информация теряется при отключении электропитания. Если необходимо, чтобы часть основной памяти была энергонезависимой, в состав ОП включают постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ. Хранящаяся в ПЗУ информация в рабочем режиме ВМ может только считываться (но не записываться).

В вычислительной машине может быть дополнительная память, известная как вторичная. Введенная информация всегда сначала запоминается в основной памяти, а затем может переноситься во вторичную память для длительного хранения. Вторичная память энергонезависима и чаще всего реализуется на базе магнитных дисков. Информация в ней хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов – файлов.

Обработка данных осуществляется главным образом в АЛУ. Встроенные операции, как правило, элементарны: функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим операциям, а также операциям сдвига. АЛУ обеспечивает обработку двух входных переменных, в результате которой формируется выходная переменная. Более сложные математические действия должны выполняться с помощью программ, использующих встроенные операции. АЛУ содержит набор регистров, используемых для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки и называемых рабочими или регистрами общего назначения (РОН). Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в процессе его получения (равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение и т. д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью принятия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.

Устройство управления управляет работой ВМ, организуя автоматическое выполнение программ и обеспечивая функционирование ВМ как единой системы. УУ автоматически, последовательно по одной, выбирает команды из памяти, декодирует каждую из них и генерирует необходимые для ее выполнения сигналы. Для того чтобы получить команду из памяти, УУ прежде всего должно знать ее адрес. Обычно команды выбираются из последовательных ячеек памяти, и их адреса указываются специальным программным счетчиком (program counter), находящимся в устройстве управления. После выборки текущей команды содержимое программного счетчика автоматически увеличивается с тем, чтобы указывать на следующую по порядку команду. Далее, чтобы иметь возможность декодировать и выполнить текущую команду, она помещается в регистр команд (instruction register), который находится в УУ. Код операции однозначно определяет операцию, выполняемую в процессе интерпретации команды. Адресная часть команды (если она присутствует) указывает на ячейки памяти или РОН, к которым нужно обращаться, выполняя команду (например, считывать операнды и записывать результат). Кроме того, УУ синхронизирует работу отдельных блоков ВМ. Эта функция осуществляется с помощью генератора тактовых импульсов (ГТИ), или тактового генератора.

Таким образом, функционирование ВМ сводится к выполнению последовательности команд программы.