1. Структура и принцип действия компьютера

Современные компьютеры представляют собой достаточно сложные технические устройства, содержащие большое количество узлов и блоков с различным функциональным назначением. Однако, независимо от используемой элементной базы, технических характеристик и внешнего оформления, все

компьютеры имеют структурное построение, представленное на рис.1.1.

Принципы построения современных компьютеров отвечают требованиям, сформулированным еще в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом, которых придерживаются в настоящее время все изготовители компьютеров.

В соответствии с ними, в каждом компьютере должны быть:

- арифметическое и логическое устройство, которое должно выполнять арифметические и логические операции;

- устройство управления, которое должно читать команды программы (инструкции), расшифровывать их и организовывать их выполнение;

- запоминающее устройство или память, которое должно хранить данные и программу вычислений;

- внешние устройства для ввода и вывода информации.

В компьютере имеется два вида памяти:

• оперативная или основная;

• внешняя.

Оперативная память служит для хранения текущей информации, используемой при решении задачи (данные, программа, библиотеки стандартных функций и др.). Следовательно, для того, чтобы начать выполнять какие-либо вычисления, необходимо все, что требуется для этого, предварительно поместить в оперативную память. Программа, состоящая из совокупности различных команд, числа и другие данные хранятся в памяти в закодированном виде.

Современные компьютеры - это электронные устройства, которые кодируют любую информацию с помощью дискретного (ступенчато изменяющегося) электрического сигнала. Это упрощает и повышает надежность кодирования. Для кодирования информации применяется двоичный код. Он основан на использовании двух состояний электронных элементов компьютера (триггеров), одно их состояние условно принимается как "1", а другое – как "0". Если на выходе триггера, который всегда работает в ключевом режиме, имеется напряжение определенного уровня, то это состояние воспринимается как "1", если напряжение отсутствует, то это состояние - "0". Промежуточного состояния не должно быть. В современных компьютерах оперативная память содержит большое количество двухпозиционных элементов (десятки и сотни миллионов). Конструктивно они представлены в виде отдельных интегральных схем (СБИС – сверхбольших интегральных схем), В корпусе такой СБИС размещаются сотни тысяч двухпозиционных элементов. Высокая вместимость (уровень интеграции) достигается с помощью специальной (пленочной) технологии.

Такой способ кодирования и определил вид системы счисления, используемой в современных компьютерах. Она получила название двоичной, так как использует только два символа – "0" и "1", в отличие от десятичной, которая использует десять символов ("0", "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8", "9").

Для измерения количества используемой информации принята единица измерения, представленная в двоичной системе, называемая бит (англ. bit – кусочек). Бит – это информация, которая соответствует одному какому-либо состоянию двухпозиционного элемента ("0" или "1").

С учетом изложенного, оперативную память компьютера условно можно представить в виде поля, содержащего большое количество клеточек, в каждую из которых могут быть записаны "0" или "1".

Таким образом, все команды и данные кодируются с помощью комбинаций "0" и "1", объединенных в группы. Каждая такая группа занимает определенную часть памяти, называемую ячейкой. Все ячейки адресуются. Адресом ячейки является ее порядковый номер. Размеры ячеек могут быть различными в зависимости от вида хранимой информации, но за минимальный размер принята ячейка, состоящая из восьми рядом расположенных двухпозиционных элементов. Такая ячейка является единицей измерения объема памяти и носит название байт (англ. bite – кусок). В ней может храниться комбинаций "0" и "1" (рис.1.2).

Закодированную информацию, содержащуюся в ячейке памяти объемом в 1 байт, называют полуслово, а в ячейке в 2 байта – слово.

Однако для удобства измерения объема памяти современных компьютеров используются более крупные и кратные байт единицы:

Кбайт = байт = байт

Мбайт = Кбайт = Кбайт

Гбайт = Мбайт = Мбайт

Следует отметить, что вся информация хранится в оперативной памяти только тогда, когда компьютер подключен к источнику питания. При исчезновении питания информация в оперативной памяти теряется. Поэтому для длительного хранения информации, в том числе и тогда, когда компьютер отключен, используется внешняя память.

Объем внешней памяти значительно превосходит объем оперативной и составляет сотни Гбайт. Устройство внешней памяти компьютера (винчестер) состоит из нескольких жестких магнитных дисков, встраиваемых в системный блок компьютера. Она может быть представлена также и дискетами – гибкими магнитными дисками или другими носителями информации (оптическими, магнито-оптическими и др.) Информация, записываемая на такие диски, также кодируется двоичным кодом. Так в магнитных дисках состояние "1" соответствует одной полярности намагниченного участка магниточуствительного слоя, покрывающего поверхность диска, а состояние "0" – противоположной полярности. Нанесение информации на магнитные диски производится с помощью специальных магнитных головок и она может храниться продолжительное время (исчисляемое годами) и не зависеть от наличия или отсутствия электрического питания компьютера.

Центральный процессор состоит из двух функциональных узлов:

• устройства управления (УУ),

• арифметическо-логического устройства (АЛУ).

Устройство управления производит извлечение команд и данных из оперативной памяти, расшифровывает и передает их для выполнения арифметическо-логическому устройству УУ. АЛУ непосредственно осуществляет вычислительные операции (арифметические и логические) и возвращает результат выполнения УУ.

Каналы ввода и вывода производят передачу информации из внешних ее носителей (диски, клавиатура) в оперативную память и обратно (диски, дисплей, принтер). В качестве внешних носителей информации могут быть использованы уже упомянутые магнитные диски, а также магнитно-оптические, оптические и другие диски, использующие эти принципы ее хранения.