Архитектура классической ЭВМ

В 1946 году Джоном Нейманом на летней сессии Пенсильванского университета был распространен отчет, заложивший основы развития вычислительной техники на несколько десятилетий вперед. Последующий опыт разработки ЭВМ показал правильность основных выводов Неймана, которые, естественно, в последующие годы развивались и уточнялись.

Основные рекомендации, предложенные Нейманом для разработчиков ЭВМ:

1. Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины – в запоминающем устройстве (ЗУ), обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы.

3. Программа так же, как и числа, с которыми оперирует машина, представляется в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:

1). промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же ЗУ, что и программа;

2). числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы.

4. Трудности физической реализации ЗУ, быстродействие которого соответствовало бы скорости работы логических схем, требует иерархической организации памяти.

5. Арифметические устройства машины конструируются на основе схем, выполняющих операцию сложения. Создание специальных устройств для вычисления других операций нецелесообразно.

6. В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).

ЭВМ, построенная по принципам, определенным Нейманом, состоит из следующих основных блоков (рис. 1): запоминающего устройства, арифметико-логического устройства и устройства управления.

Рис. 1. Структура классической ЭВМ

Запоминающее устройство, или память – это совокупность ячеек, предназначенных для хранения некоторого кода. Каждой из ячеек присвоен свой номер, называемый адресом. Информацией, записанной в ячейке, могут быть как команды в машинном виде, так и данные.

Машинная команда – это двоичный код, определяющий выполняемую операцию, адреса используемых операндов и адрес ячейки ЗУ, по которому должен быть записан результат выполненной операции.

Операции, определяемые кодом операции команды, выполняются в арифметико-логическом устройстве (АЛУ).

Все действия в ЭВМ выполняются под управлением сигналов, вырабатываемых устройством управления (УУ). Устройство управления формирует адрес команды, которая должна быть выполнена в данном цикле, и выдает управляющий сигнал на чтение содержимого соответствующей ячейки запоминающего устройства. Считанная команда передается в УУ. По информации, содержащейся в адресных полях команды, УУ формирует адреса операндов и управляющие сигналы для их чтения из ЗУ и передачи в арифметико-логическое устройство. После считывания операндов устройство управления по коду операции, содержащемуся в команде, выдает в АЛУ сигналы на выполнение операции. Полученный результат записывается в ЗУ по адресу приемника результата под управлением сигналов записи.

Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа программного управления, который составляет главную особенность ЭВМ.

Команды выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти, кроме команд безусловного и условного перехода, изменяющих этот порядок соответственно безусловно или только при выполнении некоторого условия, обычно задаваемого в виде равенства нулю, положительного или отрицательного результата предыдущей команды или отношения типа <, =, > для указываемых командой чисел. Благодаря наличию команд условного перехода ЭВМ может автоматически изменять ход выполняемого процесса, решать сложные логические задачи.

При помощи устройства ввода программа и исходные данные считываются и переносятся в ОП.

Системный блок

Основная классификация компьютерной аппаратуры заключается в разделении ее на две части: системный блок и периферию.

Главная часть современного персонального компьютера – системный блок, который содержит основные компоненты компьютера. Главные из компонентов компьютера – процессор и оперативная память.

Системный блок обычно содержит следующие компоненты:

1) системную плату;

2) жесткий диск;

3) дисковод для дискет;

4) дисковод для компактов;

5) блок питания, который соединен с электрической сетью и питает все компоненты системного блока.

Системная (материнская) плата – большая печатная плата, на которой размещены две главные компоненты компьютера, очень тесно между собой связанные: 1) процессор, 2) оперативная память.

Процессор соединяется специальными проводниками – шинами – с гнездами (слотами, разъемами), к которым и подключаются все остальные компьютерные устройства.

Периферийные устройства (кроме клавиатуры и мыши) подключаются сигнальными кабелями к своим картам, которые размещаются в гнездах.

Жесткий диск и дисководы, размещенные в системном блоке, подсоединяются сразу к своим гнездам шлейфами – лентами из проводников.

Процессор выполняет арифметические операции с двоичными числами.

Частота процессора – главный параметр процессора. Этот параметр является основной характеристикой быстродействия компьютера. Величина частоты примерно соответствует количеству арифметических операций, выполняемых процессором в секунду. Частота процессоров измеряется в единицах частоты – герцах – и ее производных. Современные процессоры ПК имеют частоты 1–2 гигагерца (Гг).

Серия процессора – условный номер модели процессора. Серия процессора также существенно влияет на мощность компьютера. При переходе на следующую серию увеличивается скорость обмена данными между процессором и оперативной памятью. В настоящее время последней моделью является Pentium D.

Компьютерная периферия – это все компьютерные устройства, не входящие в состав системного блока.

Периферия тоже классифицируется и распадается на два класса.

1. Устройство ввода – устройство, позволяющее вводить данные в компьютер или управлять им. Устройствами ввода являются, например, клавиатура, манипуляторы, сканер; микрофон.

2. Устройство вывода выводит информацию из компьютера, в том числе и для чтения человеком. Устройствами вывода являются, например, монитор, принтер, динамики.

1.1 Клавиатура.

1.2 Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) – это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Трекбол – небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.

Дигитайзер – устройство для преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму. Представляет собой плоскую панель – планшет, располагаемую на столе, и специальный инструмент – перо, с помощью которого указывается позиция на планшете.

1.3 Монитор – устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.).