2.2. Принципи побудови комп’ютерів

Сучасна архітектура комп’ютерів базується на принципах, які вперше були сформульовані британським ученим Чарльзом Беббіджем (1791–1871 рр.) (рис. 2.1), а потім розвинені й обґрунтовані американським ученим Джоном фон Нейманом (1903–1957) (рис. 2.2).

1. Принцип програмного управління. У відповідності з цим принципом, для розв’язання кожної задачі складається програма, яка визначає послідовність дій комп’ютера, тобто програма складається з набору команд, що виконуються процесором автоматично, одна за одною у певній послідовності без втручання людини.

Рис.2.1. Чарльз Беббідж Рис.2.2. Джон фон Нейман

Вибірка програми з пам’яті здійснюється за допомогою лічильника команд. Команди послідовно збільшують збережену у лічильнику адресу чергової команди на довжину команди. А оскільки команди програми розташовані у пам’яті одна за одною, то тим самим здійснюється вибірка ланцюжка команд з послідовно розташованих комірок пам’яті.

Якщо ж виникає необхідність після виконання команди перейти не до наступної, а до іншої команди, використовуються команди умовного або безумовного переходів. Дані команди заносяться до лічильника команд і в номер комірки пам’яті, де зберігається чергова команда. Вибірка команд з пам’яті припиняється після досягнення й виконання команди „стоп”. Тобто, процесор виконує програму автоматично, без втручання людини.

2. Принцип однорідності пам’яті. Програми та дані, зберігаються в одній і тій же пам’яті. Тому комп’ютер не розрізняє, що зберігається у даній комірці пам’яті – число, текст або команда. Над командами можна виконувати такі ж дії, як й над даними. Це відкриває цілу низку можливостей. Наприклад, в процесі свого виконання, програма може піддаватися переробці, а це дозволяє задавати у самій програмі правила отримання певних її частин. Таким чином, у програмі організується виконання циклів і підпрограм. Більш того, команди однієї програми можуть бути отримані, як результат виконання іншої програми. На цьому принципі засновані методи трансляції – перекладу тексту програми з мови програмування високого рівня на мову конкретної машини.

3. Принцип адресності. Структурно, основна пам'ять складається з пронумерованих комірок; процесору у будь-якій момент часу доступна будь-яка комірка. А раз так, то завжди є можливість присвоювати імена областям пам’яті, а згодом до них звертатися і здійснювати над ними різноманітні операції у процесі виконання програми.

Структура комп’ютера – це сукупність його функціональних елементів і зв'язків між ними. У будь-якому комп’ютері можна виділити (рис. 2.4):

 пам'ять (запам'ятовуючий пристрій (ЗП)) – призначена для збереження інформації (даних і програм). ЗП складається з комірок пам'яті, здатних зберігати число або команду програми. Кожна комірка пам'яті має свою адресу. Зчитування інформації з комірок може виконуватися багаторазово. При запису в комірку, попередня інформація затирається, як у побутовому магнітофоні;

 процесор, включає в себе пристрій управління (ПУ) і арифметико-логічний пристрій (АЛП). ПУ вибирає з пам’яті (ЗП) команду за командою та виробляє сигнали для їх виконання. АЛП призначений для виконання дій над числами. Та частина процесора, яка виконує команди, називається арифметико-логічним пристроєм (АЛП), а інша його частина, яка виконує функції управління пристроями, називається пристроєм управління (ПУ). Ці два пристрої виділяються умовно, конструктивно вони неподільні.

У складі процесора є спеціалізовані додаткові комірки пам’яті, які називаються регістрами. Регістр виконує функцію короткочасного збереження числа або команди. Над вмістом деяких регістрів, спеціальні електронні схеми можуть виконувати певні маніпуляції. Наприклад, „вирізувати” окремі частини команди для наступного їх використання, виконувати певні арифметичні операції над числами тощо.

Основним елементом регістра є електронна схема, яка називається тригером, яка здатна зберігати одну двійкову цифру (розряд).

Регістр представляє собою сукупність тригерів, пов'язаних один з одним загальною системою управління. Існує декілька типів регістрів, що відрізняються видом виконуваних операцій.

Деякі найважливіші регістри мають свої назви:

 лічильник команд – регістр ПУ, вміст якого відповідає адресі чергової виконуваної команди, призначається для автоматичної вибірки з послідовних комірок пам’яті;

 регістр команд – регістр ПУ для збереження коду команди на час, необхідний для її виконання;

 суматор – регістр АЛП, що бере участь у виконанні кожної операції.

 пристрої введення вихідних даних і програм їх обробки;

 пристрої виведення результатів роботи комп’ютера.

Контролер – пристрій, що поєднує периферійне обладнання або канали зв’язку з центральним процесором, звільняючи процесор від безпосереднього управління функціонуванням даного обладнання. Ці пристрої з'єднані каналами зв’язку (шинами), якими передається інформація.

Ф ункції пам’яті:

 прийом інформації від інших пристроїв;

 запам'ятовування інформації;

 видача інформації за запитами у інші пристрої комп’ютера.

Функції процесора:

• обробка даних за заданою програмою шляхом виконання арифметичних і логічних операцій;

• програмне управління роботою пристроїв комп’ютера.