Архитектура и структура компьютера.

Лекция 3. Общие принципы организации и работы компьютеров

Вопросы для самоконтроля

1. По каким признакам можно разделять компьютеры на классы и виды?

2. Как эволюционировала элементная база компьютеров от поколения поколению?

3. Какие ЭВМ относятся к 1 поколению? Привести примеры.

4. На основе каких технических элементов создавались компьютеры второго поколения?

5. Какую функцию выполняет операционная система в процессе работы компьютера?

6. Приведите примеры ЭВМ второго поколения.

7. На какой элементной базе конструируются машины третьего поколения?

8. Для каких поколений компьютеров характерно широкое использование интегральных схем?

9. Какое быстродействие характерно для машин четвёртого поколения?

10. В каком направлении идет развитие вычислительной техники четвертого поколения.

3.1. Что такое компьютер?

3.2. Как устроен компьютер?

3.3. Что такое команда?

3.4. Как выполняется команда?

3.1. Что такое компьютер?

Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Существует два основных класса компьютеров:

• цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов;
• аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

Поскольку в настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс компьютеров и слово " компьютер " употреблять в значении " цифровой компьютер ".

Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд.

Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.

Например, у команды " сложить два числа " операндами являются слагаемые, а результатом — их сумма. А у команды " стоп " операндов нет, а результатом является прекращение работы программы.

Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера.

Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.

Компьютеры работают с очень высокой скоростью, составляющей миллионы — сотни миллионов операций в секунду.

3.2. Как устроен компьютер?

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

· память (запоминающее устройство, ЗУ);

· процессор;

· устройство ввода;

· устройство вывода

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме (рис. 2.1). Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.

Рис. 3.1. Общая схема компьютера

Функции памяти:

• приём информации из других устройств;
• запоминание информации;
• выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
• программное управление работой устройств компьютера.

Центральный процессор — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• арифметико-логическое устройство;
• устройство управления;
• шины данных и шины адресов;
• регистры;
• счетчики команд;
• кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

Процессоры характеризуются быстродействием, тактовой частотой и разрядностью. Сравнительная характеристика процессоров Intel приведена в таблице:

Процессор Intel	Быстродействие (опер.в сек.)	Тактовая частота (МГц)
	1-2 млн.	8-25
386DX	6-12 млн	16-40
486DX	20-40 млн	25-50
Pentium	100-200 млн	60-133
Pentium Pro (P6)	300 млн	150-200

Фирмой Intel разработан микропроцессор Pentium-2 с тактовой частотой 300, 350 и 400 МГц, производительность которого на 100% больше, чем у процессора Pentium. Ещё более быстродействующий процессор Pentium-3 имеет тактовую частоту 450-500 МГц. Разработан процессор Pentium-4 с частотой 1000 МГц.

Разрядность процессоров составляет 8, 16, 32, 64 бит. Процессоры 386DX, 486 и Pentium имеют разрядность 32 бит, 286 и 386SX-16бит.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

Для временного хранения информации в процессоре содержатся ячейки, или регистры, которые похожи на ячейки оперативной памяти. Они разде­ляются на регистры общего назначения и специальные регистры.

Регистры общего назначения служат для временного хранения данных, обра­зуемых центральным процессором. Они хранят входные данные схемы ариф­метико-логического устройства и обеспечивают область памяти для хранения результата, порождаемого этим устройством. Устройство управления передает данные из оперативной памяти в регистры общего назначения, информирует ариф­метико-логическое устройство о том, в каких регистрах хранятся данные, активи­рует соответствующую схему в арифметико-логическом устройстве и сообщает ему, в каком регистре должен храниться результат.

Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода).

Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления.

Триггер (flip-flop) – это схема, которая на выходе имеет значение 0 или 1. Это значение остается неизменным до тех пор, пока кратковременный импульс, исходящий из другой цепи, не заставит его переключится на другое значение. Другими словами, триггер будет переходить из одного состояния в другое только под влиянием внешнего стимула. До тех пор, пока оба значения на входе цепи равны 0, результат на выходе (0 или 1) будет оставаться неизменным. Однако подача импульса 1 на верхний вход схемы приведет к тому, что значение на выходе будет равно 1, в то время как подача импульса 1 на нижний вход триггера в результате даст 0.

Значимость триггера состоит в том, что он идеально подходит для хранения битов в компьютере. Значение, которое хранится, является значением на выходе триггера. Другие схемы могут с легкостью управлять этим значением, посылая импульсы на входы триггера, и так же другие схемы могут отвечать на хранящееся значение, используя выход триггера в качестве собственного входа.

В 60-х годах XX века для хранения битов в ЭВМ использовались небольшие кольца из ферромагнитного материала, обмотанные проволокой, так называемые сердечники (ферриты). При пропускании тока через проволоку происходит намагничивание сердечника. Далее, наблюдая за эффектом, который магнитное поле оказывает на электрический ток, приходящий через центр сердечника, мы можем определить его направление. Таким образом, сердечник представлял собой средство для хранения битов: 1 была представлена магнитным полем одного направления, 0 – магнитным полем другого направления. Сейчас такие системы устарели и вышли из употребления из-за большого размера и больших энергических затрат.

Более современным способом хранения битов является конденсатор, который состоит из двух небольших металлических пластин, расположенных параллельно друг другу на некотором расстоянии. Если к пластинам подсоединить источник напряжения: к одной пластине – положительный полюс, к другой – отрицательный, заряды из источника перейдут на пластины. Теперь, если убрать источник напряжения, то заряды останутся на пластинах. Если соединить пластины, то возникнет электрический ток, и заряды будут нейтрализованы. Таким образом, конденсатор может находиться в одном из двух состояний (заряжен и разряжен), одно из которых может быть принято за 0, другое – за 1. современные технологии позволяют создать миллионы крошечных конденсаторов, объединенных в одну цепь на одной пластине (называемой чипом). Поэтому конденсатор стал распространенным способом для хранения битов в вычислительных машинах.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

• сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;
• счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

· регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Для передачи двоичного кода центральный процессор и оперативная память компьютера соединены набором проводов, который называется шиной (рис. 3.1). С помощью этой шины процессор может извлекать, или считывать, данные из оперативной памяти, посылая вместе с сигналом считывания адрес ячейки памяти. Подобным же образом центральный процессор может поместить, или записать, данные в память, посылая вместе с сигналом записи адрес ячейки и данные, которые нужно сохранить в этой ячейке.

3.3. Что такое команда?

Команда — это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

В общем случае, команда содержит следующую информацию:

• код выполняемой операции;
• указания по определению операндов (или их адресов);
• указания по размещению получаемого результата.

В зависимости от количества операндов, команды бывают:

• одноадресные;
• двухадресные;
• трехадресные;
• переменно-адресные.

Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде.

В современных компьютерах длина команд переменная (обычно от двух до четырех байтов), а способы указания адресов переменных весьма разнообразные. В адресной части команды может быть указан, например:

• сам операнд (число или символ);
• адрес операнда (номер байта, начиная с которого расположен операнд);
• адрес адреса операнда (номер байта, начиная с которого расположен адрес операнда), и др.

Рассмотрим несколько возможных вариантов команды сложения (англ. add — сложение), при этом вместо цифровых кодов и адресов будем пользоваться условными обозначениями:

• одноадресная команда add x (содержимое ячейки x сложить с содержимым сумматора, а результат оставить в сумматоре)
  

add

x

• двухадресная команда add x, y (сложить содержимое ячеек x и y, а результат поместить в ячейку y)
  

add

x

y

• трехадресная команда add x, y, z (содержимое ячейки x сложить с содержимым ячейки y, сумму поместить в ячейку z)
  

add

x

y

z

3.4. Как выполняется команда?

Выполнение команды можно проследить по схеме (Рис.3.1)

Как правило, этот процесс разбивается на следующие этапы:

• из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;
• выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;
• устройство управления расшифровывает адресное поле команды;
• по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;
• УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;
• результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;
• все предыдущие этапы повторяются до достижения команды “стоп”.

Дата добавления: 2013-12-13