Архитектура и Функциональные единицы компьютеров

Лекция 10

Под архитектурой компьютера мы будем понимать описание его схемы и принципов работы на логическом уровне, без детализации физических принципов работы компонентов компьютера. Комбинация аппаратных средств, программного обеспечения, средств связи и данных составляют архитектуру компьютерной системы. Мы отметили, что на сегодня Джон фон Нейман считается разработчиком архитектуры компьютера. Хотя были предложены и созданы другие экспериментальные архитектуры компьютера, архитектура фон Нейман продолжает быть стандартной архитектурой для компьютера и никакая другая архитектура не имела никакого коммерческого успеха до настоящего времени. Существенно, что в области, где технологические изменения происходят очень часто, архитектура компьютеров остается фактически неизменной, начиная с 1951.

Главные руководящие принципы, которые определяют архитектуру фон Неймана, включают:

1. Принцип программного менеджмента. Программа должна состоять из набора команд, которые выполняются процессором автоматически, одна за другой, в некоторой последовательности без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Принцип однородности памяти позволяет легко менять программы.

3. Принцип адресности. Структурно основная память должна состоять из пронумерованных ячеек. В любой момент времени любая ячейка должна быть доступна для процессора.

· Память адресована линейно; то есть имеется единственный последовательный числовой адрес для каждой ячейки памяти.

· Память адресована номером, определяющим местоположения информации в запоминающем устройстве, независимо от содержащихся данных.

Кроме того, Джон фон Нейман определил функциональную организацию компьютера: он должен быть составлен из устройства управления, которое выполняет команды (CU); арифметико–логического устройство (ALU), которое исполняет арифметические и логические вычисления и памяти (Memory). Устройство управления и арифметико-логическое устройство вместе составляют центральный процессор CPU.

Персональный компьютер типа IBM PC, названный по имени американской компании, которая в 1981 выпустила такие персональные компьютеры (Internаtional Business Machines Personal Computer), стал стандартом персональных компьютеров. В IBM PC была предусмотрена возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Корпорация IBM сделала компьютер не однородным устройством в виде единого целого, а обеспечила возможность его сборки из независимо сделанных частей. Методы совместимости устройств с PC IBM не держались в секрете и были доступны для всех заинтересованных лиц. Этот принцип назвали принципом открытой архитектуры и он обеспечивает возможность дополнения или замены имеющихся аппаратных средств на новые. Такие действия называются "модернизация".

Существует пять главных функциональных единиц цифрового компьютера: 1. Ввод - чтобы ввести внешнюю информацию в машину; 2. Память или запоминающее устройство - чтобы хранить информацию и сделать ее доступной в нужное время;

3. Арифметико-логическое устройство - чтобы выполнять вычисления; 4. Вывод - чтобы донести данные от компьютера до внешнего мира. 5. Устройство управления - чтобы заставить все составляющие компьютера действовать единой командой.

На рис.4, представлен функциональная схема компьютера. Полный набор команд и данных обычно вводится через устройства ввода в память, где они хранятся.

Fig. 4. Функциональная схема компьютера

Каждая команда затем подается в устройство управления. Он интерпретирует команду и выдает команды другим функциональным единицам, чтобы заставить их выполнить операции над данными. Арифметические действия выполняются в арифметико-логическом устройстве и результаты затем направляются обратно в память. Информация может направляться из АЛУ или из памяти через соответствующее оборудование к внешним пользователям.

Пять функциональных единиц компьютера должны общаться друг с другом. Они могут делать это посредством языка машинных команд, который использует код, составленный из комбинаций электрических импульсов. Эти комбинации импульсов обычно представляются нолями и единичками: 1 – импульс, 0- нет импульса. Ввод преобразовывает информацию, подаваемую оператором, в машинный язык. Другими словами, информация переводится с нашего языка в комбинации «есть импульс» - «нет импульса», понятные для компьютера. Это создает дополнительную работу для вывода - преобразовать комбинации «есть импульс» - «нет импульса» в форму, понятную нам, типа распечатанного на принтере сообщения.

Дата добавления: 2014-01-05