Общий принцип функционирования компьютера

В 1945 году американский ученый Дж. Фон Нейман предложил общие принципы построения ЭВМ, которые широко используются и в настоящее время.

В ЭВМ неймановской структуры вычислительный процесс при решении любой задачи разворачивается во времени. Это означает, что любая сложная задача, которую нужно решить на ЭВМ, разбивается на более простые элементарные шаги - операции, выполняемые последовательно во времени. Для выполнения этих операций и используется процессор. Для хранения исходных данных, промежуточных данных, результатов на­числений, а также инструкций, когда, в каком порядке необходимо выполнять те или иные операции с определенными данными, исполь­зуется оперативная память.

Набор инструкций (предписаний, правил), задающих последова­тельность операций, направленных на решение поставленной задачи, называется алгоритмом. Интересна история становления этого тер­мина.

Термин алгоритм происходит отимени средневекового узбекско­го математика Аль Хорезми, который еще в IХ веке (825г.) дал правила выполнения четырех арифметических действий в десятичной системе счисления.

Алгоритм строится в расчете на некоторого исполнителя. Ис­полнителем может быть человек, ЭВМ, промышленный робот. Вполне очевидно, что алгоритм вычисления должен включать в себя только те операции, которые может выполнить исполнитель. Совокупность операций, выполняемых исполнителем, образует его систему команд.

Система команд - одна из основных характеристик ЭВМ. Разра­ботчик алгоритмов должен разрабатывать алгоритм решения задач, чтобы каждая инструкция (операция) была понятна ЭВМ, т.е. входи­ла в ее систему команд.

Алгоритм вычислений, представленный в виде, пригодном для записи в оперативную память ЭВМ, носит название программы вычис­лений, Каждая отдельная инструкция алгоритма, представленная в виде, пригодном для записи в оперативную память ЭВМ, носит назва­ние команды. Таким образом, программа вычислений представляет со­бой упорядоченную последовательность команд, а для правильного построения алгоритма необходимо знать систему команд ЭВМ и быть уверенным, что исполнение алгоритма всегда завершится за конеч­ное число шагов (команд).

Команды программы поочередно выбираются из оперативной памяти и поступают в процессор и там они исполняются (выполняются указанные в команде действия).

Величины, участвующие в операции, называются операндами. Операндами могут быть не только числовые данные, но и символьная информация, логические данные и даже сами команды.

Для того чтобы ЭВМ могла решить некоторую задачу, необхо­димо предварительно записать в оперативную память программу вычислений и исходные данные.

Так, например, чтобы с помощью ЭВМ можно было бы вычислить корни квадратного уравнения ax² + bx² + c =0, необходимо в оперативную память записать программу вычислений на основе известного из школь­ного курса математики алгоритма

и ввести исходные данные - численные значения коэффициентов A, B и С.

Для ввода в оперативную память программ и исходных данных, а также для выводаиз оперативной памятирезультатов вычислений, используются специальные устройства, получившие название устройств ввода-вывода. В качестве устройств ввода чаще всего используются блок клавиатуры, манипулятор «мышь», микрофон, цифровая камера и сканер. В качестве устройства вывода выступают видеомонитор (дисплей), принтер, наушники, акустические головки и графопостроитель (плоттер).

Существуют также устройства, которые одновременно являются и устройствами ввода, и устройствами вывода. Это модемы. С одной стороны, с помощью модема можно передавать из компьютера информацию по телефонной линии связи на какой-то удаленный компьютер (например, через Интернет); с другой стороны, мы можем с помощью этого же модема получать информацию на свой компьютер по телефонной линии связи от какого-то удаленного компьютера (например, из Интернета).

Для хранения информации, не участвующей в текущий момент времени в обработке, используется так называемая внешняя память ЭВМ – накопители на гибких и жестких магнитных дисках, а также лазерные компакт-диски.

В ЭВМ хранится, передается и перерабатывается информация, представляемая последовательностью двух цифр "0" и "1". Такие по­следовательности называются двоичными кодами. Двоичными кодами представляются и числовые, и логические, и символьные данные, и команды программы.

Минимальной единицей, служащей для измерения количества дискретной информации является бит. Битом называется двоичная переменная, принимающая значение "0" или "1". Часто используется более крупная единица, называемая байтом. Один байт равен 8 битам.

И бит, и байтимеют и более крупные производные единицы: килобайт (1 килобайт = 2¹⁰ байт или 1024 байт), мегабайт (I мега­байт = 2¹⁰ килобайт), гигабайт (1 гигабайт = 2¹⁰ мегабайт), килобит (1 килобит = 2¹⁰ бит) и т.д. Эти производные единицы обозначаются Кбайт, Мбайт, Гбайт, Кбит соответственно.

Обрабатываемая ЭВМ информация представляется в виде электри­ческих сигналов. Например, цифра "1" может представляться нали­чием определенного потенциала, а цифра "0" - отсутствием потен­циала в определенной электрической цепи. Обработку этих сигналов осуществляют электронные устройства, выполняемые в виде микро­схем. Конструктивно микросхемы выполняются в пластмассовых, металло-стеклянных, металло-керамических и керамических корпусах.

Микросхема может представлять собой и целый процессор (та­кой процессор в этом случае называется микропроцессором), и законченную ЭВМ (однокристальная микро-ЭВМ). Вместе с процессором на одной плате располагаются микросхемы, обра­зующие оперативную и постоянную память ЭВМ. Отличить микросхемы памяти от микросхем процессора можно только по маркировке, нанесенной наих корпусах.

Внешняя память устроена совсем иначе. В ней информация кодируется неналичием или отсутствием электрического сигнала, а намагниченностью или ненамагниченностью частичек вещества.

Любой вид памяти характеризуется двумя основными характерис­тиками - емкостью, показывающей, сколько битов или байтов может одновременно храниться в ней и быстродействием, определяемым вре­менамичтения информации из памятиили записи ее в память. При этом память с быстрым чтением и записью информации оказывается более дорогой, а память с медленным чтением и записью можно сде­лать более дешевой и большого объема.

При построении ЭВМ обычно стремятся, чтобы процессор как можно меньше простаивал. Чтобы обеспечить бесперебойную работу процессора, нужно, чтобы время чтения требуемой информации из па­мяти былоне больше, чем время выполнения операции. Таким обра­зом, в состав ЭВМ должна входить быстрая или оперативная память. К этой памяти процессор обращается постоянно в ходе выполнения своих операций. Упрощенно ее можно представить в виде массива ячеек, каждая из которых имеет определенный адрес. Это позволяет из произвольной ячейки, адрес которой задан, выбирать информацию или, наоборот, записы­вать в нее некоторую информацию.

С другой стороны, если о некоторой информации заранее из­вестно, что она долго не потребуется, тоее можно поместить в де­шевую медленную память и лишь при необходимости, когда нужно, пе­реписывать в оперативную память.

Сочетание быстрой (оперативной) и медленной (внешней) памя­ти позволяет строить вычислительные системы с необходимыми техни­ческими характеристиками.

Дата добавления: 2014-01-06