Архитектура ЭВМ. Принципы работы компьютера

ЭВМ определяется как комплекс взаимосвязанных программно-управляемых технических устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных с целью получения результатов решения вычислительных и информационных задач.

Основные принципы функционирования компьютера были сформулированные в 1945 году Джоном фон Нейманом.

1. В основе работы ЭВМ лежит программный принцип, согласно которому все вычисления выполняются путем последовательного выполнения команд программы ЭВМ.

2. Принцип хранимой программы означает, что программы и данные во время выполнения программы хранятся в одном адресном пространстве в оперативной памяти и различаются не по способу кодирования, а по способу использования. Программа может выступать также в качестве исходных данных (самомодифицируемые программы).

3. Использование двоичного кодирования при хранении и обработке данных в ЭВМ. Отдельные разряды двоичного числа объединяются в более крупные единицы, называемые словами.

4. Информация размещается в ячейках различных запоминающих устройств. Каждая ячейка памяти имеет адрес, по которому происходят запись или считывание слов данных и программ.

К настоящему время принципы фон Неймана дополнены рядом других принципов:

- открытая архитектура, которая означает, что в основе разработки новых ЭВМ лежат общедоступные стандарты, которые унифицируют взаимодействие различных типов оборудования и отдельных технических узлов ЭВМ. Использование при разработке оборудования открытых стандартов позволяет разным производителям разрабатывать для ЭВМ новые аппаратные средства, заменяющие или дополняющие существующее оборудование;

- модульность построения технической архитектуры состоит в том, что вся ЭВМ состоит из отдельных функционально и конструктивно законченных модулей. Соблюдение этого принципа упрощает процедуру замены устаревших или неработоспособных узлов ЭВМ на современные или рабочие;

- стандартизация технических устройств ЭВМ означает, что все устройства ЭВМ согласованы по своим электрическим, электромагнитным параметрам, протоколам работы, габаритам и т.д.;

- принцип микропрограммирования, заключающийся в том, что машинный язык не является конечной субстанцией, приводящей в действие процессы в ЭВМ. Процессор имеет в своем составе блок микропрограммного управления. Этот блок для каждой команды на машинном языке генерирует последовательность действий-сигналов для физического выполнения требуемой машинной команды. Можно также считать набор команд микропрограммами по отношению к операционной системе.

При этом под архитектурой ЭВМ понимают абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию.

Понятие архитектуры является комплексным и включает:

- структурную схему ЭВМ;

- средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ;

- организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;

- организацию и способы адресации памяти;

- способы представления и форматы данных ЭВМ;

- набор машинных команд ЭВМ;

- обработку прерываний.

Структура ЭВМ представляет совокупность конструктивных элементов (устройств), из которых состоит ЭВМ, и связей между ними.

Связь между различными устройствами, представляющую собой физическую магистраль, состоящую из многопроводной линии для передачи электрических сигналов, называют интерфейсной шиной. Различают шины для передачи адресов, управляющих сигналов и данных.

Перечисленные принципы функционирования ЭВМ предполагают обязательное наличие у ЭВМ следующих устройств:

● арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

● устройство управления, предназначенное для организации и синхронизации работы всех устройств ЭВМ;

● память для хранения данных;

● внешние устройства для обеспечения обмена информацией с человеком.

Обобщенная структурная схема ЭВМ представлена ниже

В современных компьютерах арифметико-логическое устройство и устрой-ство управления объединены в один блок - процессор, предназначенный для обработки данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций и программного управления работой устройств компьютера.

Все арифметические и логические операции непосредственно выполняются арифметико-логическим устройством.

Устройство управления формирует и подает во все блоки ЭВМ управляющие импульсы, обусловленные выполняемой командой.

Для кратковременного хранения данных, непосредственно используемых в вычислениях, имеются специальные ячейки памяти процессора, называемые процессорной памятью или регистрами.

Под кэш - памятью понимают особый вид быстродействующей памяти, выполняющей в компьютере роль промежуточной памяти (буфера) при обмене данными между быстродействующим устройством ЭВМ и менее быстродействующим с целью уменьшения периодов ожидания более производительного устройства.

Программы и данные во время непосредственного сеанса работы хранятся в основной (оперативной) памяти компьютера.

Оперативная память состоит из ячеек памяти одинаковой длины.

Байт является наименьшей адресуемой единицей оперативной памяти. Для идентификации ячеек в оперативной памяти каждой из них присваивается адрес, представляющий собой номер ячейки.

Ячейки нумеруются числами из последовательного натурального ряда чисел. Организация оперативной памяти ЭВМ представлена на рис.4.2.

Запись в память данных осуществляется подачей на шину адреса сигналов, соответствующих адресам ячеек, в которые помещаются данные из шины записи.

При чтении данных из памяти по шине адреса передаются адреса читаемых ячеек, а сами данные из ячеек передаются по шине чтения. Возможность произвольного доступа к любой из ячеек памяти позволяет называть оперативную память, как память с произвольным доступом (RAM - Random Access Memory).

Тактовые импульсы вырабатываются генератором тактовых импульсов ЭВМ и используются для синхронизации процессов передачи информации между устройствами. Базовая последовательность импульсов задает тактовую частоту работы процессора и во многом определяет скорость работы ЭВМ.

Внешние устройства ввода-вывода и хранения данных подключаются к ЭВМ через адаптеры или контроллеры. Основное назначение адаптера состоит в управлении и синхронизации работы внешнего устройства с работой других устройств ЭВМ.

Устройства ввода обеспечивают считывание данных с определенных устройств (клавиатуры, сканера, графических манипуляторов и других) и преобразование их в последовательности электрических сигналов, воспринимаемых другими устройствами ЭВМ.

Устройства вывода представляют результаты обработки информации в форме, удобной для визуального восприятия. К таким устройствам относятся принтеры, мониторы, графопостроители.

Внешние устройства хранения предназначаются для организации долговременного хранения данных и программ. К устройствам внешнего хранения относятся накопители на жестких и гибких дисках, DVD (Digital Video Disk) и CD (Compact Disk) накопители, накопители на магнитных лентах (стримеры), Flasch - память и другие.

Управление работой внутренних и внешних устройств ЭВМ производится устройством управления процессора через основной набор логических схем компьютера.

Дата добавления: 2014-01-15