Общая структура и функции компьютера

Любой компьютер, даже, на первый взгляд, самый простой, представляет собой сложную систему, состоящую из сотен тысяч или даже миллионов простейших элек­тронных компонентов. Единственный способ описать функционирование и структуру подобного рода сложных систем — выполнить ее иерархическую декомпозицию. Любую иерархическую систему можно представить в виде ограниченного множества взаимодействующих подсистем, каждая из которых несет определенную функциональную нагрузку и в свою очередь может иметь иерархическую структуру. Иерархическая декомпозиция может быть распространена на достаточно большую глубину, например, относительно компьютерных систем — вплоть до уровня отдель­ных логических комбинационных схем.

Осознание иерархической природы сложной системы очень существенно как с точки зрения ее описания (анализа), так и с точки зрения проектирования (синтеза) такой системы. На определенном этапе проектирования разработчик, как правило, имеет дело с каким-либо одним уровнем иерархии. Описание функций каждого уровня выполняется в терминах абстрактных функций компонентов этого уровня, каковыми являются элементы следующего, более низкого в иерархии уровня. При проектировании подсистемы любого уровня для разработчика наибольший интерес представляют ее (подсистемы) структура и распределение функций между компонен­тами. Структура — это способ объединения компонентов подсистемы в единое це­лое, а функции — операции, выполняемые каждым компонентом в процессе реали­зации функции, назначенной всей подсистеме.

При решении проблемы анализа сложной системы (ее описания) можно применить один из двух альтернативных подходов: начать с описания функций элементов самого низкого уровня и далее подниматься по уровням иерархии все выше и выше (снизу вверх) или рассмотреть систему в целом и попытаться отыскать в ней подсистемы, относительно независимые в смысле выполняемых функций (сверху вниз). Далее такого же рода декомпозиция применяется к выделенным подсистемам и т.д. Практика анализа разного рода больших систем показала, что нисходящий подход обладает несомненными преимуществами в смысле яс­ности и эффективности анализа.

Этому подходу мы и будем следовать. Описание компьютерной системы начнем с главных ее компонентов, рассмотрим их структуру и функции, а затем пе­рейдем на следующий уровень иерархии и начнем рассматривать структуру и функ­ции составных элементов этих главных компонентов.

Рассмотрим ба­зовые функции, которые выполняет компьютер. В самом общем смысле таких функций всего четыре:

1. обработка данных;

2. хранение данных;

3. перемещение данных;

4. управление.

Компьютер, естественно, в первую очередь обязан обрабатывать данные, которые могут принимать самые разные формы, а диапазон выполняемых опе­раций по их обработке также очень широк. Однако, все разнообразие операций может быть сведено к немногим базовым типам или методам обработки.

Существенное место занимает и функция хранения данных. Даже если компьютер обрабатывает данные на ходу, т.е. по мере их поступления из опера­ционной среды, причем результат также немедленно отправляется получателю, компьютер должен обладать способностью хотя бы временно хранить промежу­точные результаты и фрагменты данных, которые обрабатываются в текущий момент времени. Таким образом, система должна выполнять функцию хранения данных хотя бы и на короткое время. Но в большинстве случаев этого недоста­точно. От компьютера чаще всего требуется выполнение функции долговремен­ного хранения файлов данных, которые могут обрабатываться или обновляться по мере необходимости.

Компьютер должен также обладать способностью перемещать данные, при­чем в обе стороны, т.е. получать первичные данные из операционной среды и отправлять результаты обработки внешним абонентам. Среда, в которой "живет" компьютер, состоит из устройств, играющих либо роль источников данных, либо роль приемников информации. Процесс перемещения данных между компьюте­ром и операционной средой принято называть процессом ввода-вывода, а устрой­ства, входящие в состав операционной среды, — периферийными устройствами. Когда данные передаются на большое расстояние, т.е. выполняется обмен дан­ными с удаленными устройствами, этот процесс принято называть передачей данных (data communication).

И наконец, все эти три функции (обработка, хранение и перемещение данных) должны выполняться в определенной по­следовательности, т.е. от компьютера требуется еще и выполнение функции управления. В конечном счете функция управления в основном ложится на пле­чи того, кто снабжает компьютер последовательностью команд, т.е. программой. В самой же компьютерной системе функция управления сводится к распределению ресурсов и управлению другими функциями в процессе обработки команд, заданных программой.

На уровне анализа множества операций, выполняемых в компьютерной системе, можно разделить на ограниченное число видов. Можно выделить четыре основных вида операций:

1. Компьютер может работать как устройство перемещения данных от одного абонента к другому, причем данные передаются без изменения смысла, содержащейся в ней информации.

2. Компьютер функционирует как устройство хранения данных, обеспечивая циркуляцию информации в обе стороны между периферийными устройствами и средствами выполнения функции хранения (т.е. данные записываются в компьютер или считываются из компьютера).

3. Преобразование данных - преобразуемые данные либо извлекаются из хранилища, и туда же отправляются результаты.

4. Преобразование данных - данные поступают из операционной среды, а результаты отправляются в хранилище.

Теперь рассмотрим структуру. Компьютер является объектом, способным некоторым образом взаимодействовать с внешней по отношению к нему средой через связи, которые можно разделить на:

1. Связи с локальным периферийным оборудованием;

2. Связи для передачи данных на большое расстояние.

Поэтому если рассматривать компьютер как элемент информационной среды, то это будет выглядеть так:

На верхнем уровне иерархии эта структура компьютера состоит их следующих основных компонентов:

Центральный процессор (ЦП)- управляет функционированием всей системы и выполняет функции обработки информации.

Оперативная память (ОП)- хранит исходные данные и всю информацию, необходимую для их обработки

Устройства ввода-вывода (Увв/в)- перемещает данные между компьютером и окружающей средой в обе стороны.

Системные внутренние связи - представляют собой некоторый механизм, обеспечивающий обмен информацией между остальными компонентами- ЦП,ОП и Увв/в.

В состав конкретного компьютера могут входить один или несколько компонентов каждого типа. Как правило, в компьютере имеется один ЦП, но в последнее время с состав компьютерной системы включается несколько процессоров. Теперь рассмотри структуру ЦП. В состав ЦП входят:: устройство управления (УУ), на которое возлагаются функции управления прочими компонентами ЦП, а следовательно, всем компьютером;

Арифметическое и логическое устройство (АЛУ), которое выполняет все операции, связанные с содержательной обработкой информации;

Регистры, которые хранят оперативную информацию во время выполнения процессором текущей операции;

Внутренние связи ЦП, некоторый механизм, обеспечивающий совместную работу трех прочих компонентов ЦП.

Существует несколько подходов у структурной организации устройства управления, из которых наибольшее распространение получил принцип микропрограммной реализации управления. Микропрограммирование - это программирование на языке еще более низкого уровня, чем язык ассемблера, когда каждая команда машинного языка преобразуется в последовательность команд языка микроопераций.

Дата добавления: 2014-01-07