1.3. Структура компьютеров

Компьютер как техническая система состоит из совокупности устройств, обеспечивающих хранение, обработку, ввод и вывод информации. Устройства соединяются между собой, образуя единую систему – компьютер. Совокупность устройств и связей между ними определяют структуру компьютера.

Каноническая структура компьютера. Каноническая (основополагающая) структура компьютера представлена на рис. 1.2.

Память – устройство для хранения данных в компьютере. В памяти размещаются программы и данные – исходные данные, промежуточные и конечные результаты.

Процессор – устройство для выборки команд из памяти и выполнения действий, предписанных командами. Другими словами, процессор обрабатывает команды и данные. Обработка команды состоит из следующих действий:

1. Процессор посылает в память адрес А команды, и из памяти в процессор выбирается команда К. Процессор дешифрирует код операции, указанный в команде, и читает из памяти операнды с адресами А, заданными в команде.

2. Процессор выполняет над операндами Д операцию, указанную в коде операции, в результате чего формируется результат. Результат Р, если это предписано кодом операции, записывается в память по указанному в команде адресу.

3. Процессор формирует адрес следующей команды в порядке естественной адресации А:= А+1 или из адресной части команд перехода А:= А_к.

После этого цикл выборки и исполнения команды повторяется.

Для обмена информацией между компьютером и внешней средой служат устройства ввода-вывода. Так, для обмена информацией с человеком наиболее широко в качестве устройств ввода используются клавиатура и мышь, указывающая позицию на экране монитора, а в качестве устройства вывода – монитор, для передачи данных между компьютером и удаленными объектами по линиям связи, например по телефонной линии, – канал связи, для ввода изображений используют сканеры, считывающие листы текста, фотографии и чертежи, для вывода текстов, графики, изображений – печатающие устройства и т.д.

Ввод-вывод информации инициируется программой с помощью команд ввода-вывода. Обрабатывая команду, процессор передает ее на исполнение указанному в команде устройству ввода‑вывода. Операция ввода сводится к передаче данных Д от устройства ввода в память, а операция вывода – к передаче данных Р из памяти в устройство вывода. Операции ввода иначе называются операциями чтения, а операции вывода – операциями записи. Поэтому команды ввода-вывода называются командами чтения‑записи.

Основные характеристики процессора:

1. длина обрабатываемого слова, исчисляемая в битах или байтах;

2. система команд процессора, определяющая состав операций и способы адресации операндов;

3. быстродействие, определяющее количество операций, выполняемых процессором за секунду;

4. стоимость.

Наиболее широкое распространение получили процессоры с длиной слова от 8 до 64 битов, т.е. от 1 до 8 байт. Системы команд процессора ориентируются на области их применения, т.е. классы задач, и существенно различаются как составом операций, так и способами адресации данных и объемом адресуемой памяти, определяющим длину адреса, указываемого в командах. Быстродействие процессора зависит от быстродействия (скорости переключения) транзисторов, определяемого типом и технологией производства полупроводниковых интегральных схем, а также способом обработки команд и выполнения операций в процессоре. Стоимость процессора зависит в первую очередь от уровня технологии производства интегральных схем и функциональных возможностей процессора, определяемых длиной обрабатываемых слов, системой команд и быстродействием процессора. Чем больше длина слова, сложнее система команд и выше быстродействие, тем больше стоимость процессора.

Основные характеристики памяти – емкость и быстродействие. Емкость памяти – предельное количество размещаемой информации. Емкость исчисляется в килобайтах (Кбайт), мегабайтах (Мбайт), гигабайтах (Гбайт) и терабайтах (Тбайт): 1 Кбайт = 1024 байт, 1 Мбайт = 1024 Кбайт, 1 Гбайт = 1024 Мбайт, 1 Тбайт = 1024 Гбайт. Быстродействие памяти определяется затратами времени на передачу некоторого объема данных при их чтении из памяти и записи в память и существенно зависит от типа устройств, используемых для организации памяти.

Каноническая структура компьютера (см. рис. 1.2) соответствует неймановскому принципу программного управления и в принципе обеспечивает реализацию программ. Однако каждая область применения компьютеров, определяемая классом задач, решение которых возлагается на компьютеры, порождает специфичные требования к компьютерам:

1. емкость памяти должна быть достаточной для хранения данных и программ, соответствующих области применения компьютера;

2. быстродействие процессора, памяти и устройств ввода-вывода должны быть достаточны для выполнения программ за заданное время, т.е. производительность компьютера должна обеспечивать решение требуемого количества задач за установленное время;

3. стоимость компьютера и его эксплуатации должна обеспечивать экономическую эффективность компьютерной технологии обработки данных, т.е. быть ниже стоимости обработки данных другими методами, например с помощью калькулятора и таблиц для записи вычисляемых результатов.

В вычислительной технике для хранения, обработки и ввода-вывода информации используется широкая номенклатура разнотипных устройств, отличающихся быстродействием, емкостью и стоимостью. Поэтому в различных компьютерах используются разнотипные процессоры, память организуется на основе запоминающих устройств с различными принципами хранения и доступа к информации и для ввода-вывода используются различные устройства, объединяемые в структуры более сложные, чем каноническая структура. Таким образом, каноническая структура компьютера – это прообраз структурной организации компьютеров, на основе которого строятся различные варианты компьютеров для различных областей применения.

Интерфейсы. Устройства соединяются между собой обычно проводными линиями, обеспечивающими передачу электрических сигналов (рис. 1.3). В течение некоторого интервала времени по каждой линии может быть передан двоичный сигнал со значением b = 0 или b = 1, т.е. бит информации. Совокупность линий, соединяющих устройства, называется шиной.

Линия

Шина

Устройство

A

Устройство

B

Рис. 1.3. Сопряжение устройств компьютера

Совокупность линий (шина) и алгоритм взаимодействия устройств путем передачи сигналов по линиям называется интерфейсом. Подразумевая наличие алгоритма, определяющего порядок взаимодействия устройств, шину, связывающую устройства, называют интерфейсом, и термины шина и интерфейс рассматривают как синонимы.

Обмен информацией между устройствами инициируется одним из устройств, которое формирует определенную алгоритмом совокупность сигналов. Реагируя на эти сигналы, другое устройство вступает в процесс передачи информации (сигналов) в порядке, заданном алгоритмом функционирования интерфейса.

Интерфейс определяется на двух уровнях: логическом и конструктивном (физическом). Логический интерфейс устанавливает состав линий интерфейса, т.е. шины, и алгоритм передачи сигналов и данных по линиям. Конструктивный интерфейс устанавливает электрические и временные параметры сигналов, передаваемых по линиям интерфейса: уровни напряжения, соответствующие значениям 0 и 1, время переключения сигналов и их длительность и т.д. Кроме того, конструктивный интерфейс устанавливает тип проводников, из которых составляется интерфейсная шина, тип разъемов и распределение линий по контактам разъемов.

Интерфейсы подразделяются на последовательные и параллельные. Последовательный интерфейс обеспечивает передачу информации побитно – бит за битом. Параллельный интерфейс обеспечивает передачу информации байтами или словами.

Для обеспечения возможности подключения разнотипных устройств, например различных устройств ввода‑вывода, интерфейсы стандартизуются и называются стандартными интерфейсами.

Основная характеристика интерфейса – пропускная способность, определяемая предельным количеством данных, которое может быть передано через интерфейс за секунду. Пропускная способность зависит от типа электронных схем, формирующих сигналы, передаваемые по линиям, числа, типа и длины линий, и алгоритма обмена данными, определяющего порядок взаимодействия устройств при передаче данных через интерфейс. Другая характеристика интерфейса – предельно допустимая длина интерфейса, определяющая предельное расстояние между сопрягаемыми устройствами.