1.3. Практические основы информатики

Техническим инструментом реализации различных задач информатики является компьютерная техника. Основу ее составляет компьютер.

Компьютер – это сложное техническое устройство, предназначенное для автоматической обработки больших объемов информации.

1.3.1. Структура компьютера и принцип программного управления

Под архитектурой компьютера понимается совокупность сведений об основных устройствах компьютера и их назначении, о способах представления программ и данных в машине, об особенностях ее организации и функционировании.

Основные принципы устройства вычислительной машины были сформулированы в 1945 году американским математиком Джоном фон Нэйманом, которые сводились к тому, что каждая вычислительная машина должна состоять из:

- а р и ф м е т и ч е с к о г о и л о г и ч е с к о г о у с т р о й с т в а (АЛУ), которое должно выполнять арифметические и логические операции;

– у с т р о й с т в а у п р а в л е н и я (УУ), которое должно читать команды (инструкции) программы и организовывать их выполнение;

– з а п о м и н а ю щ е г о у с т р о й с т в а (ЗУ), или п а м я т и, которое должно хранить данные и программу;

– в н е ш н и х у с т р о й с т в для ввода, вывода и хранения информации.

Все современные компьютеры строятся на этих принципах. На рис 1.1 приведена функциональная схема компьютера. В соответствии с представленной схемой все компьютеры имеют запоминающее устройство, состоящее из двух видов памяти:

– в н е ш н е й памяти (ВП),

– о п е р а т и в н о г о запоминающего устройства (ОЗУ) иначе называемого оперативной памятью.

Внешняя память предназначена для длительного хранения информации (месяцы, годы и более). Оперативная память хранит только текущую информацию, то есть ту информацию, которая используется во время работы компьютера. При его отключении информация в оперативной памяти теряется.

Устройство управления (УУ) и арифметическо-логическое устройство (АЛУ) выполняется в виде единой интегральной схемы называемой центральным процессором (ЦП). Кроме того, в каждом компьютере имеются устройства ввода и вывода информации, которая поступает с ее носителей (НИ) или передается на них. Компьютер – это автоматическое вычислительное устройство, которое выполняет различные вычислительные операции в соответствии с программой их вычислений. В этом случае программа помещается в оперативную память и хранится в ней в течение выполнения вычислений. Ввод и вывод информации осуществляется с помощью специальных устройств, которые называются каналами ввода и вывода. Исходная и выводимая информация помещается на специальных устройствах (диски, ленты и др.), называемых носителями информации (НИ).

1.3.2. Архитектура современного компьютера

Под архитектурой понимают способ компоновки и взаимодействия между функциональными блоками компьютера.

Значительные успехи в микроэлектронике, применение современных технологий привело не только к уменьшению размеров функциональных узлов компьютера, но и создали заметные предпосылки для повышения быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри компьютера и медленной работой устройств ввода и вывода, содержащих в большинстве своем механические движущие части. Если бы устройство управления (УУ) центрального процессора (ЦП) руководило бы работой внешних устройств, как это было в машинах второго и третьего поколения, работавших по классической схеме, то значительную часть времени процессор был бы вынужден простаивать в ожидании информации из «внешнего мира». Это существенно снизило бы эффективность работы компьютера. Для решения этой проблемы появилась тенденция освобождения центрального процессора от функций обмена информацией. Эти действия передаются специальным электронным схемам управления. Они берут на себя функции связи с внешними устройствами такими как клавиатура, дисплей, принтер, винчестер и др. Эти схемы выполняются в виде микросхем, работают по специальным программам, имеют узкоспециализированный набор команд, ориентированных на связь с тем или иным внешним устройством. Называются эти устройства контроллерами внешних устройств.. Наличие «интеллектуальных» контроллеров внешних устройств является отличительной особенностью компьютеров четвертого поколения. Каждый контроллер имеет свою систему команд, обеспечивающую его «общение» со «своим» внешним устройством. При такой организации работы центральный процессор занимается только своими прямыми обязанностями, а операции обмена данными с внешним устройством передает соответствующему контроллеру. Тот и устанавливает связь между оперативной памятью и внешним устройством. Дальнейший процесс перемещения информации осуществляется под управлением этого контроллера. Такие нововведения привели к корректировке связей между функциональными узлами компьютеров четвертого поколения.

Шина адресов

Шина данных

Шина управления

к к к

Рис. 1.2 Структурная схема компьютера четвертого поколения

У современных компьютеров появилось принципиально новое устройство, получившее название общая шина или общая магистраль, через которую и стала осуществляться связь между функциональными узлами. Именно такой способ связи между функциональными блоками компьютеров четвертого поколения и определило их архитектуру. Структурная схема такого компьютера представлена на рис. 1.2

Шина состоит из трех частей:

– ш и н а д а н н ы х, по которой передается информация,

– ш и н а а д р е с а, определяющая, куда именно передаются данные,

– ш и н а у п р а в л е н и я, регулирующая процесс обмена информацией.

Специализированные контроллеры обозначены на схеме треугольником с буквой К внутри. Схема приведена в обобщенном виде. Реально на схеме должны представляться различные внешние устройства (клавиатура, принтер, винчестер, дисковод и др.) со своими контроллерами.

Описанную структуру можно легко пополнять новыми устройствами, подсоединяя их к общей шине. Это свойство называют о т к р ы т о й а р х и т е к т у р о й. Для ее реализации в компьютере предусматриваются дополнительные разъемы, позволяющие подсоединять новые внешние устройства. Приведенный на схеме элемент видеоОЗУ, обозначает дисплей, чего не было в машинах первого и второго поколения.

На рис. 1.2 приведена упрощенная магистральная структура с одной шиной. При увеличении потока информации магистраль перегружается, что существенно тормозит работу компьютера. Поэтому в состав современных компьютеров может вводиться несколько дополнительных шин. Например, одна шина может вводиться для обмена с памятью, вторая – для связи с «быстрым», а третья – с «медленным» внешними устройствами.