Функциональная структура компьютера

Лекция. Архитектура современных высокопроизводительных ЭВМ. Функциональная структура компьютера. Основные концепции функционирования. Программное обеспечение компьютера. Основы алгоритмизации.

Функциональная структура компьютера

Устройство ввода

Блок памяти

Арифметико-логическое устройство

Блок вывода

Блок управления

Основные концепции функционирования

Структура шины

Программное обеспечение

Этапы подготовки и решения задач на ЭВМ

Алгоритмы и способы их описания

Функциональная структура компьютера

Как следует из рис. 3.1, компьютер состоит из пяти главных, функционально не­зависимых частей:

устройство ввода,

устройство памяти,

арифметико-логическое устройство,

устройство вывода и

устройство управления.

Устройство ввода при­нимает через цифровые линии связи закодированную информацию от операто­ров, электромеханических устройств типа клавиатуры или от других компьюте­ров сети. Полученная информация либо сохраняется в памяти компьютера для последующего применения, либо немедленно используется арифметическими и логическими схемами для выполнения необходимых операций. Последователь­ность шагов обработки определяется хранящейся в памяти программой. Полу­ченные результаты отправляются обратно, во внешний мир, посредством устрой­ства вывода. Все эти действия координируются блоком управления. На рис. 3.1. намеренно не показаны связи между функциональными устройствами. Объясня­ется это тем, что такие связи могут быть по-разному реализованы. Как именно, вы поймете несколько позже. Арифметические и логические схемы в комплексе с главными управляющими схемами называют процессором, а все вместе взятое оборудование для ввода и вывода часто называют устройством ввода-вывода (input-output unit).

Теперь обратимся к обрабатываемой компьютером информации. Ее удобно разделять на две основные категории: команды и данные. Команды, или машин­ные команды, — это явно заданные инструкции, которые:

• управляют пересылкой информации внутри компьютера, а также между компьютером и его устройствами ввода-вывода;

• определяют подлежащие выполнению арифметические и логические операции.

Список команд, выполняющих некоторую задачу, называется программой. Обыч­но программы хранятся в памяти. Процессор по очереди извлекает команды про­граммы из памяти и реализует определяемые ими операции. Компьютер полно­стью управляется хранимой программой, если не считать возможность внешнего вмешательства оператора и подсоединенных к машине устройств ввода-вывода.

Данные — это числа и закодированные символы, используемые в качестве опе­рандов команд. Однако термин «данные» часто используется для обозначения любой цифровой информации. Согласно этому определению, сама программа (то есть список команд) также может считаться данными, если она обрабатывается другой программой. Примером обработки одной программой другой является компиляция исходной программы, написанной на языке высокого уровня, в список машинных команд, составляющих программу на машинном языке, которая назы­вается объектной программой. Исходная программа поступает на вход компиля­тора, который транслирует ее в программу на машинном языке.

Рис. 3.1. Базовые функциональные устройства компьютера

Информация, предназначенная для обработки компьютером, должна быть зако­дирована, чтобы иметь подходящий для компьютера формат. Современное аппа­ратное обеспечение в большинстве своем основано на цифровых схемах, у которых имеется только два устойчивых состояния, ON и OFF (см. лекцию 2). В ре­зультате кодирования любое число, символ или команда преобразуется в строку двоичных цифр, называемых битами, каждый из которых имеет одно из двух воз­можных значений: 0 или 1. Для представления чисел (как станет ясно из лекции 4) обычно используется позиционная двоичная нотация. Иногда применяется двоич­но-десятичный формат (Binary-Coded Decimal, BCD), в соответствии с которым каждая десятичная цифра кодируется отдельно, с помощью четырех бит.

Буквы и цифры также представляются посредством двоичных кодов. Для них разработано несколько разных схем кодирования. Наиболее распространенными считаются схемы ASCII (American Standard Code for Information Interchange — американский стандартный код для обмена информацией), где каждый символ представлен 7-битовым кодом, и EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Inter­change Code — расширенный двоично-десятичный код для обмена информаци­ей), в котором для кодирования символа используется 8 бит.

Устройство ввода

Компьютер принимает кодированную информацию через устройство ввода, зада­чей которого является чтение данных. Наиболее распространенным устройством ввода является клавиатура. Когда пользователь нажимает клавишу, соответст­вующая буква или цифра автоматически преобразуется в определенный двоич­ный код и по кабелю пересылается либо в память, либо процессору.

Существует и ряд других устройств ввода, среди которых джойстики, трекболы и мыши. Они используются совместно с дисплеем в качестве графических входных устройств. Для ввода звука могут использоваться микрофоны. Воспри­нимаемые ими звуковые колебания измеряются и конвертируются в цифровые коды для хранения и обработки.

Блок памяти

Задачей блока памяти является хранение программ и данных. Существует два класса запоминающих устройств, а именно первичные и вторичные. Первичное за­поминающее устройство (primary storage) — это память, быстродействие которой определяется скоростью работы электронных схем. Пока программа выполняет­ся, она должна храниться в первичной памяти. Эта память состоит из большого количества полупроводниковых ячеек, каждая из которых может хранить один бит информации. Ячейки редко считываются по отдельности — обычно они обра­батываются группами фиксированного размера, называемыми словами. Память организована так, что содержимое одного слова, содержащего n бит, может запи­сываться или считываться за одну базовую операцию.

Для облегчения доступа к словам в памяти с каждым словом связывается от­дельный адрес. Адреса — это числа, идентифицирующие конкретные местополо­жения слов в памяти. Для того чтобы прочитать слово из памяти или записать его в таковую, необходимо указать его адрес и задать управляющую команду, которая начнет соответствующую операцию.

Количество битов в каждом слове часто называют длиной машинного слова. Обычно слово имеет длину от 16 до 64 бит. Одним из факторов, характеризую­щих класс компьютера, является емкость его памяти. Малые машины обычно мо­гут хранить лишь несколько десятков миллионов слов, тогда как средние и боль­шие машины обычно способны хранить сотни миллионов и миллиарды слов. Типичными еди­ницами измерения количества обрабатываемых машиной данных являются слово, несколько слов или часть слова. Как правило, за время одного обращения к памя­ти считывается или записывается только одно слово.

Во время выполнения программа должна находиться в памяти. Команды и дан­ные должны записываться в память и считываться из памяти под управлением процессора. Исключительно важна возможность предельно быстрого доступа к лю­бому слову памяти. Память, к любой точке которой можно получить доступ за ко­роткое и фиксированное время, называется памятью с произвольным доступом (Random-Access Memory, RAM). Время, необходимое для доступа к одному слову, называется временем доступа к памяти. Это время всегда одинаково, независимо от того, где располагается нужное слово. Время доступа к памяти в современных устройствах RAM составляет от нескольких наносекунд до 100. Память компьюте­ра обычно представляет собой иерархическую структуру, состоящую из трех или четырех уровней полупроводниковых RAM-элементов с различной скоростью и разным размером. Наиболее быстродействующим типом RAM-памяти является кэш-память (или просто кэш). Она напрямую связана с процессором и часто нахо­дится на одном с ним интегрированном чипе, благодаря чему работа процессора значительно ускоряется. Память большей емкости, но менее быстрая, называется основной памятью (main memory). Далее в этой лекции процесс доступа к информа­ции в памяти описывается подробнее, а позднее мы детально рассмотрим прин­ципы ее функционирования и вопросы, связанные с производительностью.

Первичные запоминающие устройства являются исключительно важными компонентами для компьютера, но они довольно дороги. Поэтому компьютеры оборудуются дополнительными, более дешевыми вторичными запоминающими устройствами, используемыми для хранения больших объемов данных и боль­шого количества программ. В настоящее время таких устройств имеется доста­точно много. Но наиболее широкое распространение получили магнитные диски, магнитные ленты и оптические диски (CD-ROM).