Устройство ЭВМ. Принципы фон Неймана

В начале рассказа об устройстве ЭВМ полезно сравнить функционирование машины и информационной деятельностью человека. Составим таблицу соответствия блоков машины органам человека.

Информационные процессы человека и ЭВМ
Человек	Процесс	ЭВМ
Органы чувств	Сбор информации	Устройства ввода: клавиатура, мышь, сканер, микрофон,…
Память, книги, журналы	Накопление	Память внутренняя и внешняя
Мозг	Обработка	Процессор
Речь, письмо	Вывод информации	Устройства вывода: монитор, принтер, плоттер, наушники,…

В 1946 один из создателей первых ЭВМ Джон фон Неман изложил принципы построения ЭВМ, которые используются до сих пор:

1) Машина должна работать не в десятичной системе, как механические арифмометры, а в двоичной. Это означает, что программа и данные должны быть записаны в кодах двоичной системы, где каждое число или символ представляется определенной комбинацией нулей и единиц.

2) Программа, которая управляет последовательностью выполнения операций, должна храниться в памяти машины. Там же должны храниться исходные данные и промежуточные результаты.

3) Чтобы достаточно быстро можно было считать, память компьютера следует организовать по иерархическому принципу, то есть она должна состоять по крайней мере из двух частей: быстрой, но небольшой емкости (оперативной) и большой (и потому более медленной) внешней.

Согласно этим принципам можно изобразить блок-схему ЭВМ в виде рис.1.

Рис. 1

Кратко охарактеризуем каждый блок.

Процессор — устройство, обеспечивающее обработку данных по заданной программе. Он также организует обмен данными и командами между устройствами ЭВМ. Процессор умеет выполнять некоторый заданный набор операций по обработке данных и управления процессом этой обработки. Набор операций определяется конструкцией процессора. Процессор может выполнять обработку данных только при наличии заранее составленной программы. Программы и данные для ее выполнения хранятся в ОЗУ. Программы состоит из команд, которые содержат коды операций, информацию об операндах и о том, куда поместить результат.

Автоматическая работа процессора по заданной программе обеспечивается двумя основными устройствами, входящими в его состав: арифметико-логическим устройством (АЛУ) и устройством управления (УУ). При этом используются регистры (ячейки памяти внутри процессора, предназначенные для кратковременного хранения данных в процессе их обработки и быстрого доступа к ним).

Промежу­точные результаты сохраняются в РОН. Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора путем уменьшения времени его непроизводи­тельного простоя. УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т. е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

Основными характеристиками процессоров являются разрядность и быстродействие. Разрядность — это число одновременно обрабатываемых бит. Быстродействие — число выполняемых команд в секунду. Быстродействие связано с тактовой частотой, на которой работает процессор. Чем выше тактовая частота, тем выше и быстродействие.

На современных машинах типа IBM устанавливаются следующие типы процессоров:

Процессор	Год вып.	ШД	ША	Адресуемая память	Тактовая частота
				1 Мб	6 МГц
					4,7–10 МГц
					10–25 МГц
				4Гб	16–40 МГц
				4Гб	25–100 МГц
Pentium				4Гб	66–200 МГц
Pentium Pro				4Гб	166–250 МГц
Celeron				4Гб	–
Pentium II				4Гб	266–533 МГц
Pentium III				4Гб	533МГц–1.7 ГГц
Pentium IV				4Гб	До 2,7 ГГц

Процессор может комплектоваться сопроцессором, который может реализовывать разнообразные функции.

Программа— это набор команд (инструкций), составленный челове­ком и выполняемый ЭВМ. Командаобеспечивает выработку в УУ управ­ляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементар­ные операции.

Таким образом, программы состоят из команд, а при выполнении ко­манд процессор разбивает команды на элементарные операции.

Элементарными операциямидля процессора являются арифметиче­ские и логические действия, перемещение данных между регистрами про­цессора, счет и т. д.

Основной функцией системной шиныявляется передача информа­ции между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Системная шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода.

Сделаем образное сравнение работы системной шины с работой поч­ты. По шине данных пересылаются письма в места, адреса которых указаны на шине адреса. Шина управления следит, чтобы письма при движении не мешали друг другу и перемещались по очереди. Под письмами нужно пони­мать операнды(данные и команды), которыми обмениваются отдельные блоки ЭВМ.

Памятьпредназначена для записи, хранения, выдачи команд и обра­батываемых данных.

Существует несколько разновидностей памяти: оперативная, постоян­ная, внешняя, кэш, CMOS (КМОП), регистровая. Существование целой ие­рархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, энерго­зависимости, назначению, объему и стоимости. Многообразие видов памяти помогает снять противоречие между высокой стоимостью памяти одного вида и низким быстродействием памяти другого вида.

Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пере­счете на один байт имеет большую стоимость, чем память более низкого уровня.

Регистровая память— наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной).Она представляет собой несколько регистров общего назначения (РОН), которые размещены внутри процессора. Регистры ис­пользуются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет и т. д.

Наилучшим вариантом было бы размещение всей памяти на одном кристалле с процессором. Однако из-за существующих технологических сложностей изготовления памяти большого объема пришлось бы большое число микросхем отправить в брак.

Кэш-памятьпо сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие. В ЭВМ число запоминающих устройств с этим видом памяти может быть различным. В современных ЭВМ имеется два-три запоминающих устройства этого вида,

Кэш-память первого уровня располагается внутри процессора, а кэш­память второго уровня — вне процессора (на так называемой материнской плате).

В переводе с английского языка слово cache (кэш) означает «тайник», так как кэш-память недоступна для программиста (она автоматически ис­пользуется компьютером). Кэш-память используется для ускорения выпол­нения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память (и обратно). Работа кэш-памяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания новых данных и команд).

Этот вид памяти уменьшает противоречие между быстрым процессо­ром и относительно медленной оперативной памятью.

Кэш-память первого уровня, которая размещается на одном кристалле с процессором, принято обозначать символами L1. Кэш-память, которая распо­лагается на материнской плате (второй уровень), обозначается символами L2.

На структурной схеме показана только кэш-память L1.

Энергозависимая память CMOS(КМОП-память) служит для запоми­нания конфигурации данного компьютера (текущего времени, даты, выбран­ного системного диска и т. д.). Для непрерывной работы этого вида памяти на материнской плате ЭВМ устанавливают отдельный малогабаритный ак­кумулятор или батарею питания.

Оперативное запоминающее устройство(ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной (текущей) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычисли­тельных операций. Это значит, что процессор может выбрать из ОЗУ коман­ду или обрабатываемые данные (режим считывания) и после арифметиче­ской или логической обработки данных поместить полученный результат в ОЗУ (режим записи). Размещение новых данных в ОЗУ возможно на тех же местах (в тех же ячейках), где находились исходные данные. Понятно, что прежние команды (или данные) будут стерты.

ОЗУ используется для хранения программ, составляемых пользовате­лем, а также исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора.

В качестве запоминающих элементов в ОЗУ используются либо триг­геры (статическоеОЗУ), либо конденсаторы (динамическоеОЗУ).

ОЗУ — это энергозависимая память, поэтому при выключении пита­ния информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.

По быстродействию ОЗУ уступает кэш-памяти и тем более сверхопе­ративной памяти— РОН. Но стоимость ОЗУ значительно ниже стоимости упомянутых видов памяти.

В постоянном запоминающем устройстве(ПЗУ) хранится инфор­мация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию состав­ляют тест-мониторные программы (они проверяют работоспособность ком­пьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие ра­ботой отдельных устройств ЭВМ, например клавиатурой) и др.

ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется даже при выключении электропитания.

Перспективным видом постоянной памяти является память с электри­ческим способом стирания и записи информации (FLASH-память), которая при острой необходимости позволяет перепрограммировать ПЗУ и тем са­мым оперативно улучшать характеристики ЭВМ.

Устройства ввода/вывода предназначены для ввода в память ЭВМ данных для обработки и вывода результатов для дальнейшего использования.

Современные ЭВМ строятся по магистрально-модульному принципу. Магистрально-модульная блок-схема ЭВМ изображена на рис.2.

Процессор и память называют центральными устройствами ЭВМ. Они присутствуют в каждом компьютере. Все остальные устройства называют внешними, или периферийными. К центральным устройствам подключается системная магистраль. Внешние устройства подключаются, в свою очередь, к системной магистрали через контроллеры (или адаптеры).

Рис. 2

Контроллер — специализированное устройство согласования центральных и внешних устройств. Помимо названных устройств существуют также внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Они предназначены для долговременного хранения программ и данных. Эти устройства выполняются в виде различного рода накопителей (на гибких и жестких магнитных дисках, на магнитной ленте, и т. д.).

Системная магистраль включает в себя адресную шину, шину данных и шину управления. Большая часть процессорных операций предполагает обращение к оперативной памяти. По адресной шине передается адрес ячейки памяти, к которой происходит обращение. По шине данных передаются данные, считанные или записываемые. Максимальный адрес ячейки памяти, к которой можно обратиться зависит от разрядности шины. По 16–разрядной шине можно адресовать 65536 ячеек размером 1 байт. По 24–разрядной — 1048576 ячеек.