Принципы построения ЭВМ

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены принципы, сформулированные американским ученым Джоном фон Нейманом в 1945 г.

Принцип программного управления. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является принцип программного управления. Этот принцип обеспечивает универсальность использования компьютера: в определенный момент времени решается задача соответственно выбранной программе. После ее завершения в память загружается другая программа.

Программа, требуемая для работы ЭВМ, предварительно размещается в памяти компьютера, а не вводится команда за командой. Память строится по принципу иерархии: для часто используемых данных выделяется память меньшего объема, но большего быстродействия; для редко используемых данных выделяется память большего объема, но меньшего быстродействия.

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к другой, используются команды условного и безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.Принцип программного управления реализуется за счет наличия в компьютере устройства управления и развитого запоминающего устройства.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда.Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов – бит, объединенных в группы по 8 бит, которые называются байтами. Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом. Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова – чаще всего четыре байта. Как правило, в одном машинном слове может быть представлено одно целое число, либо одна команда. Широко используются более крупные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, Терабайт, Петабайт.

Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Компьютеры, построенные на этих принципах, называются фон-неймановские.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами выступают самые различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем.

Связь между устройствами компьютера осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами. Интерфейс представляет собой совокупность стандартизированных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информацией между устройствами. В основе построения интерфейсов лежит унификация и стандартизация.

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) –одно АЛУ, через которое проходит поток данных, и одно УУ, через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер (см. рис.20).

Рис.20 Классическая архитектура ЭВМ

К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной, называемой также системной магистралью(см. рис.21). Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на три группы: шину адреса, шину команд, шину данных. Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи данных, называется разрядностью шины. Разрядность определяет число битов информации одновременно передаваемых по шине. Количество проводов для передачи адресов, или адресных линий, определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован.

Рис. 21Архитектура ЭВМ с общей шиной

Периферийные устройства подключаются к компьютеру через специальные микросхемы – контроллеры. Контроллер – устройство для управления периферийным устройством. Контроллеры освобождают процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Единая система аппаратных соединений значительно упростила структуру, сделав ее более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных компьютеров: модульность построения, магистральность, иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре компьютера достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модули памяти, накопитель на жестком диске, видеокарта и другие).

Модульная конструкция компьютера превращает его в открытую систему, способную к адаптации и совершенствованию. К компьютеру можно подключать дополнительные устройства, улучшая его технические и экономические показатели. Появляется возможность увеличения вычислительной мощности, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователя.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов

1. Что является основным принципом построения современных компьютеров?

2. Что обеспечивает принцип программного управления?

3. За счет наличия каких блоков в компьютере реализуется принцип программного управления?

4. Приведите классическую архитектуру компьютера.

5. Какие устройства имеются в архитектуре любого компьютера? Как они взаимодействуют?

6. Для чего предназначено устройство управления?

7. Для чего предназначено АЛУ?

8. Что такое интерфейс?

9. Привести структурную схему компьютера с шинным интерфейсом.

10. Что представляет собой шина?

11. Что такое контроллеры? Их назначение?