8. Структура компьютера с «традиционной» архитектурой.

Любой компьютер, построенный в соответствии с принципами Джона фон Неймана, содержит в своем составе следующие устройства (блоки):

- арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняет арифметические и логические операции, задаваемые в программе;

- устройство управления (УУ), которое организует (координирует) выполнение операций, задаваемых в программе;

- оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)10, состоящее из некоторого количества ячеек и предназначенное для временного хранения программ и данных;

- внешние, или периферийные, устройства, предназначенные для ввода-вывода информации (программ, исходных данных и результатов).

В современных компьютерах АЛУ и УУ, как правило, объединяются в одно устройство - центральный процессор (ЦП). В больших компьютерах, использующихся преимущественно для сложных научно-технических расчетов, моделирования глобальных процессов (например, составление долгосрочного прогноза погоды) и обработки громадных объемов экономической информации, к ЦП относят также оперативную память. В мини- и микрокомпьютерах оперативная память, как правило, представлена отдельным блоком, а роль внутренней памяти ЦП выполняют регистры общего назначения.

Общая организация компьютера, т.е. его основные устройства и связи между ними, показаны на укрупненной структурной схеме, приведенной на рис. 1.1 (стрелки с тонкими линиями отражают управляющие связи, с жирными линиями - информационные).

Главным недостатком этой схемы является то, что обмен информацией между устройствами ввода-вывода и оперативной памятью ведется через АЛУ, т.е. во время выполнения операций ввода-вывода вычисления прекращаются.

Для преодоления этого недостатка было осуществлено совмещение по времени операций ввода-вывода и вычислений путем организации непосредственного обмена информацией между устройствами ввода-вывода и памятью, как показано на рис. 1.2.

Компьютеры, построенные в соответствии со второй схемой, также имеют существенный недостаток: устройство управления обязано осуществлять тщательный контроль и управление операциями ввода-вывода, что, конечно же, снижает скорость вычислений. Для преодоления этого недостатка был сделан следующий и решающий шаг - в состав компьютера был включен канал ввода-вывода, представляющий, по сути, специализированный компьютер (рис. 1.3).

Канал осуществляет автономное управление, операциями ввода-вывода, обеспечивая независимый доступ устройств ввода-вывода к памяти, т.е. работает параллельно с АЛУ. Устройство управления сохраняет только общие функции координации процесса ввода-ввода, связанные с началом и окончанием ввода-вывода и реакцией на нестандартные (исключительные) ситуации.

Примечание. Приведенные выше структурные схемы компьютера базируются на так называемой традиционной (или фон-неймановской) архитектуре, которой присущи серьезные недостатки и ограничения. Почти сразу после ознакомления с ней научной общественности появились предложения по ее улучшению и радикальному изменению. Часть этих предложений была практически реализована в виде различных вычислительных систем, показавших высокую производительность именно за счет отказа от традиционных архитектурных решений [19, 20]. Подобные вычислительные структуры здесь не рассматриваются, поскольку эти вопросы выходят за рамки данного пособия. Любой вычислительный процесс, выполняемый компьютером, можно разбить на три последовательных этапа: ввод информации в память компьютера, обработка и/или хранение введенной информации и вывод результатов обработки. Это схематично показано на рис. 1.4. В выполнение этой работы вовлекаются различные компоненты компьютера: устройства ввода (например, клавиатура, магнитный диск и другие), оперативная память, хранящая введенные данные и программу обработки этих данных, центральный процессор, выполняющий арифметические и логические операции, предписываемые программой, и устройства вывода (например, дисплей, принтер и другие). Работа этих устройств более подробно рассмотрена ниже.