Базовая структура компьютера
Процессор, оперативная память, устройства ввода-вывода, внешняя память, шины.
Типичная цифровая ЭВМ включает в себя три основных компонента: процессор, память и внешние устройства.
Центральный процессор (ЦП) – устройство, предназначенное для выполнения основных операций по обработке данных, арифметических и логических операций, управления работой других частей ЭВМ.
Память, или оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) – предназначено для хранения кодов команд, составляющих выполняемую ЭВМ программу, и данных, над которыми ЭВМ выполняет операции.
Через устройства ввода-вывода, или внешние (периферийные) устройства осуществляется взаимодействие ЭВМ с внешним миром.
Такая схема настолько привычна, что кажется почти очевидной.
В 1946 году Джон фон-Нейман вместе с группой работавших вместе с ним ученых сформулировал основные принципы, которым должно удовлетворять устройство, получившее название ЭВМ. Эти принципы оказались настолько основополагающими, что и до настоящего времени большинство ЭВМ основано на использовании этих принципов, получивших название фон-неймановских.
ЭВМ – это машина с хранимой (в памяти ЭВМ) программой, представленной в виде последовательности команд.
Выполняемы ЭВМ команды и операнды, т. е. данные, над которыми выполняется задаваемая командой операция, представлены в ЭВМ в виде двоичного кода с определенным количеством разрядов.
Память ЭВМ организована в виде последовательности запоминающих ячеек, в каждой из которых может храниться (запоминаться) некоторый двоичный код – число, или код символа алфавита, представляющие обрабатываемые данные, код команды ЭВМ. В конкретный момент времени можно обратиться для записи или чтения к любой одной из этих ячеек независимо от ее расположения в памяти, указав адрес (порядковый номер) ячейки. Таким образом, организованная память называется памятью с произвольным доступом.
В ЭВМ используется общая память как для хранения данных, так и для хранения команд. При этом в кодах самих данных и команд отсутствуют признаки, позволяющие отличать их друг от друга. Процессор различает данные и команды только по контексту выполняемой программы.
Предназначение данных, их тип, а также способ использования также явно не указываются. Они определяются и различаются по контексту выполняемой программы.
Компоненты ЭВМ соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым передаются адреса, данные и сигналы управления. Шины могут быть внешними (связывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.
Обычно шина ЭВМ делится на три группы:
Адресная шина – переносит информацию о том, где искать инструкции (команды) или данные в памяти ЭВМ, т.е. адреса соответствующих ячеек памяти
Шина данных – переносит данные или инструкции для центрального процессора
Шина управления – обеспечивает передачу сигналов управления между процессором и подключенными к ЭВМ устройствами.
Центральный процессор — это мозг компьютера. Его задача — выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет их одну за другой.
Процессор состоит из нескольких частей:
Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа.
Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (например, сложение) и логические операции (например, логическое И).
Среди функций, реализуемых в машине, главное место занимает выполнение определенных типов логических и арифметических операций. Для этой цели используется блок, называемый арифметическим и логическим устройством (ALU). Второй блок — устройство управления — обеспечивает функционирование ALU, сообщая ему нужную последовательность управляющих воздействий. ALU может выполнять математические операции, следовательно, при решении задачи может возникнуть необходимость в сохранении промежуточного результата на то время, пока это устройство используется для решения других частей задачи. Запомненный результат может быть неоднократно использован в дальнейшем. В процессе работы машины ALU, устройству управления и ряду других устройств необходим непосредственный доступ к информации, с которой они работают. Удовлетворению 19 этих требований служит еще одно устройство ЭВМ — оперативное запоминающее устройство, или просто память. Для того чтобы человек мог использовать машину в соответствии со своими потребностями, в составе ЭВМ должны быть устройства, обеспечивающие его взаимодействие с системой; такие устройства называются устройствами ввода-вывода (I/O).
Внутри центрального процессора находится память для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из нескольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Обычно все регистры одинакового размера. Самый важный регистр — счетчик команд, который указывает, какую команду нужно выполнять дальше. Еще есть регистр команд, в котором находится команда, выполняемая в данный момент. У большинства компьютеров имеются и другие регистры, одни из них многофункциональны, другие выполняют только какие-либо специфические функции.
Оперативная память ЭВМ – оперативно-запоминающее устройство, которое состоит из последовательного набора запоминающих ячеек, в которых временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции. Оперативная память содержит данные операционной системы и запущенных на выполнение программ, поэтому от объёма оперативной памяти зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер.
Основной единицей памяти является двоичный разряд, который называется битом. Это самая маленькая единица памяти. Каждая ячейка имеет номер, который называется адресом, По адресу программы могут ссылаться на определенную ячейку. Если память содержит n ячеек, они будут иметь адреса от 0 до n-1. Все ячейки памяти содержат одинаковое число битов. Если ячейка состоит из k битов, она может содержать любую из 2^k комбинаций. В конкретный момент времени можно обратиться к любой, но только к одной ячейке памяти. Для этого в адресном регистре устанавливается адрес (номер) этой ячейки. Память ЭВМ с таким способом доступа к запоминающим ячейкам называется памятью с произвольным доступом.
Внешние запоминающие устройства – это устройства, предназначенные для долговременного хранения больших объемов информации. К таким устройства относятся: магнитные диски, магнитные ленты, оптические диски: CD, DVD и др, флэш-память, жесткие диски, магнитные барабаны, магнитные карты и др.
Устройства ввода — приборы для занесения (ввода) данных в компьютер во время его работы. К таким устройства относятся: клавиатура, мышь, сканер, микрофон, веб-камера, тачпад, джойстик, трекбол, графический планшет и др.
Устройства вывода — периферийные устройства, преобразующие результаты обработки цифровых машинных кодов в форму, удобную для восприятия человеком. К ним относятся: монитор, проектор, принтер, встроенный динамик, колонки, наушники и др.
РАП – регистр адреса памяти
РДП – регистр данных памяти
ОЗУ состоит из последовательного набора запоминающих ячеек. Каждая ячейка памяти имеет одинаковое присущее конкретному типу ЭВМ количество элементарных запоминающихся элементов, предназначенных для запоминания одного бита информации, т . е. одного разряда двоичного числа или кода. В конкретный момент времени можно обратиться к любой, но только к одной ячейке памяти. Для этого в адресном регистре устанавливается адрес (номер этой ячейки памяти). Адрес ячейки памяти также представляет собой двоичное число с определенным количество разрядов.
Записываемые в ячейку или считываемые из нее данные (двоичное число, код) фиксируются в регистре данных памяти (РДП). В первом случае, попадая туда по шине данных от ЦП, в случае операции чтения из выбранной ячейки памяти, подготавливаясь для передачи по шине данных к соответствующему приемнику этих данных. Типична – байтовая организация памяти.
Выбор для построения ЭВМ именно такого способа организации памяти, как памяти с произвольным доступом к ячейкам по их адресу может показаться самоочевидным. В связи с этим можно обратить внимание на другие способы взаимодействия с памятью, содержащей большое количество ячеек. Альтернативный способ организации – в виде стека. Выборка информации из памяти может также осуществляться не по месту расположения информации в памяти, а ассоциативно, по содержанию хранящейся информации.