Упрощенная структура компьютера и принцип его работы.

Современные ЭВМ (компьютеры) имеют разнообразную конфигурацию (состав, физическую и логическую организацию). Однако во многих случаях их упрощенная структура может быть отображена рисунком 1.

Рис.1. Упрощенная структура современных ЭВМ

ЭВМ содержит следующие основные устройства:

- арифметико-логическое устройство (АЛУ);

- устройство управления всеми ресурсами компьютера (УУ);

- оперативную память (ОП);

- устройства ввода (УВВ) для ввода информации и команд

управления компьютером;

- устройства вывода (УВыв) обработанной информации из

компьютера;

- память долгосрочного хранения данных и программ.

(В современных компьютерах принято понятие процессор (микропроцессор), объединяющий арифметико-логическое устройство, устройство управления и имеющий собственную, в частности, регистровую память).

На рис. 1 сплошными линиями показано прохождение данных, а пунктирными – сигналов взаимодействия устройств.

Арифметико-логическое устройство производит арифметические, логические и специальные (например, сдвиг) преобразования над поступающими в него машинными словами, т.е. кодами определенной длины, представляющими числа или другой вид информации. Количество разрядов в машинном слове обычно совпадает с количеством разрядов в основных регистрах* АЛУ.

Память хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую в машину извне через УВВ, и выдает в другие устройства информацию, необходимую для получения результата. В современных ЭВМ существует несколько типов памяти, отличающихся принципом действия, характеристиками и использованием. Двумя главными из них являются ОП – оперативная, быстродействующая, энергозависимая память и память долгосрочного хранения – менее быстродействующая, но большая по объему и не теряющая информацию при отключении компьютера (энергонезависимая), в отличие от ОП. (Отдельно следует отметить – ПЗУ** - постоянное запоминающее устройство). Оперативная память содержит конечное число ячеек, каждая из которых служит для хранения информации, представленной 1 байтом***. Ячейки нумеруются, номер ячейки называется адресом.

В запоминающих устройствах, реализующих в ЭВМ функцию памяти, выполняются операции считывания хранимой информации для передачи в другие устройства и записи информации, поступающей из других устройств. При считывании (чтении) информации из ячейки, содержимое ячейки не меняется. При записи хранившаяся в ячейке информация стирается и заменяется на новую.

Непосредственно в вычислительном процессе участвует только оперативная память и её более быстрые аналоги (например, регистровая память). Управляющее устройство автоматически управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие им те или иные действия, например, настраивает АЛУ на выполнение нужной операции.

Для решения задачи численным методом необходим алгоритм, представляющий собой последовательность арифметических и логических операций, которые надо произвести над исходными данными и промежуточными результатами для получения окончательного результата. Описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ, называется программой. Программа представляет собой совокупность команд, записанных в определённой последовательности, обеспечивающей решение задачи на ЭВМ. Каждая команда предписывает определённое действие и указывает, над какими данными (словами, операндами) это действие производится.

Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа программного управления. Согласно этому принципу, команды, программы, закодированные в цифровом виде, хранятся в памяти наравне с числами. Обычно в команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а адреса ячеек ОП, в которых они находятся, и адрес ячейки (или номер регистра процессора), куда помещается результаты операции. Т.к. команды представляются в машине в форме чисел, то над командами, как и над данными, могут выполняться операции (модификация команд).

Команды выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти, кроме команд

безусловного и условного перехода, изменяющего этот порядок.

Перед решением задачи на ЭВМ программа (исходные данные) должна быть помещена в ОП с помощью устройств ввода (клавиатуры, дисководов и т.п.). Устройства ввода преобразуют вводимую информацию в форму (код), понятный процессору.

Программа, введённая в ОП, хранится в ней и выполняется под управлением процессора (его устройства управления). Номер очередной подлежащей выполнению команды программы хранится в «счётчике команд» - специальном регистре УУ. В соответствии с этим номером команда читается из ячейки ОП и передаётся в УУ на «регистр команд». Команда состоит из операционной части и адресной части. В операционной части команды закодирован код операции (например, сложение) и число байтов, занимаемых данной командой. В случае команды сложения данные, адреса которых записаны в адресной части команды, передаются из ячеек ОП с указанными адресами в АЛУ. После выполнения команды сложения в АЛУ результат операции записывается по адресу, зашифрованному в той же команде.

После выполнения команды содержимое счётчика команд меняется. При естественном порядке выполнения команд содержимое счётчика увеличивается на число, равное количеству байт, занимаемых выполненной командой. Благодаря этому следующей командой будет команда, хранящаяся в ячейках ОП, следующих за выполненной. В случае команды безусловного перехода в счётчик команд заносится адрес ячейки той команды, которой было передано управление командой безусловного перехода. В случае же команды условного перехода такой «скачок» в последовательности выполнения команд происходит только после проверки с помощью АЛУ выполнения условий в операционной части команды.

Результаты работы программы передаются на устройства вывода – монитор, принтер и др., где они отображаются, а также могут записываться и в памяти долгосрочного хранения (на жёстком диске, гибком диске, CD, магнитных лентах и т.п.).

Представленная на рис. 1 упрощённая структура вычислительной машины, получившая название «фон-неймановской», нередко используется в настоящее время. Однако с целью получения большей производительности всё больше распространяется принцип распараллеливания обработки информации и создания многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем и комплексов.

Определения:

*Регистром называется устройство, предназначенное для запоминания слова, а также для выполнения над словом некоторых преобразований.

Регистр представляет собой совокупность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове.

Триггер - это элементарное устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний 0 или 1.

**ПЗУ – постоянное запоминающее устройство – специальная память долгосрочного хранения. Эта память хранит комплекс программ, записанных в нее на этапе изготовления для проверки состава и работоспособности компьютерной системы. Как правило, ПЗУ при работе компьютера не рассчитана на запись в нее информации. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют "зашитыми" – их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

***Байт – это группа из восьми, расположенных в смежных разрядах битов. Бит является единицей информации в компьютере, занимает один разряд (позицию, элемент устройства) и принимает одно из двух значений: ноль или единица. Символ текстовой информации часто кодируется одним байтом. В одном байте можно закодировать 256 (2⁸) различных символов.

Более крупные единицы измерения данных образуются добавлением префиксов кило-, мега-, гига-, тера-.

1 Кбайт = 2¹⁰ байт

1 Мбайт = 2²⁰ байт

1 Гбайт = 2³⁰ байт

1 Тбайт = 2⁴⁰ байт