Основы вычислительной техники.

Как говорилось выше в современном мире мы повсюду окружены вычислительной техникой и ее элементами, поэтому практически не используется понятие «компьютер». В этой главе пойдет речь о общих принципах работы элементов вычислительной техники, в том числе и компьютеров.

Каждый элемент или устройство вычислительной техники имеет три основных компонента: это канал ввода данных, обработчик данных и канал вывода результатов, рисунок 26.

Если рассматривать эту структурную схему с точки зрения элементарных составляющих вычислительной техники, рассмотренных в разделе логических операций, то для этих элементов на вход подается некоторая информация, в нутрии элемента происходит ее видоизменение, а на выходе выдается другая информация.

Так для элемента логического И, рисунок 27 каналом ввода является шина(среда передачи данных) по которой подаются два бита информации для их обработки (то есть логического умножения). Сам элемент выполняет эту операцию (обработку данных) для поданных на ввод данных, а результатом является информация, поданная обработчиком в однобитную шину вывода (канал результатов). Аналогичным образом работают и другие элементарные составляющие вычислительной техники.

Аналогичным образом можно рассмотреть деятельность человека. Входными каналами для которого являются органы чувств: осязания, обоняния, слуха, вкуса и зрения, а каналом вывода результатов, является, сокращение мышц, на выходи может быть речь, записи и т.п. Если рассмотреть более детально любое механическое устройство, то можно увидеть канал ввода даны, в каком либо виде, средство обработки, и канал результатов.

Рассмотрим более детально каждый компонент структурной схемы вычислительных устройств, представленной на рисунке 27. Каналом ввода обычно является какая либо разновидность клавиатуры (набор кнопок с определенными командами для каждой из них в цифровом виде) либо какой то вид манипулятора, преобразующего информацию в цифровое значение. Устройством вывода, в большинстве случаев может являться дисплей(экран), либо какой то вид манипулятора, способного преобразовывать один вид энергии в другой, например электрическую в механическую (рука робота). И последний и самым главным устройством является обработчик данных, то есть устройство, преобразующее информацию поступающую на канал ввода данных в результаты обработки.

Структурная схема более сложного устройства вычислительной техники приведен на рисунке 28.

На этой схеме видно, что в большинстве устройств вычислительной техники устройство обработки данных имеет достаточно сложную топологию, так на схеме видно, что кроме самого устройства, производящего арифметико-логические операции, устройство обработки данных содержит ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, и ПЗУ – постоянно запоминающее устройство.

Оперативное запоминающее устройство, или оперативная память является энергозависимой, то есть память, содержимое которой существует только во время работы устройства, при выключении питания, данные стираются из оперативной памяти. Этот вид памяти предназначен для временного хранения данных, используемых при выполнении какого либо алгоритма.

Постоянное запоминающее устройство представляет собой энергонезависимую память, то есть хранящую информацию независимо от наличия источника энергии. Этот вид памяти предназначен для хранения в основном шагов алгоритмов, или методов обработки информации. Кроме того, данный вид памяти используется для хранения редко изменяемых данных системы.

Общий алгоритм работы подобных устройств достаточно прост. С устройства ввода данных по шине ввода в устройство обработки данных поступает какая либо команда и соответствующие ей данные, далее в ПЗУ устройством обработки производиться поиск алгоритма, или метода соответствующего этой команде, а данные загружаются в ОЗУ, если требуемый алгоритм существует, то процессором производиться пошаговое выполнение выбранного алгоритма, с данным, находящимися в ОЗУ, после чего, устройство обработки данных выдает информацию на устройство вывода по шине вывода.

Теперь разберемся с более детальным алгоритмом работы того же вычислительного устройства. Начнем с памяти, которая представляет собой массив чисел, каждое из которых занимает один байт, и соответственно имеет свой адрес, номер относительно начала этого массива. Этот массив представляет собой адресное пространство устройства вычислительной техники. Все данные, используемые для выполнения какого либо алгоритма расположены в этом массиве, и естественно имеют свой адрес и размер занимаемый в памяти. В современных устройствах вычислительной существует несколько основных типов данных, приведенных в таблице 16.

Таблица 16.

Основные типы данных используемых устройствами вычислительной техники.

Название	Размер в байтах
Байт
Слово
Двойное слово
Четверное слово
Вещественное число
Вещественное число с двойной точностью

Таким образом, в зависимости от типа записанного числа, в адресном пространстве устройства вычислительной техники определяется размер данных. Формат записи всех типов данных идентичен. Несмотря на размеры занимаемые данными, вся информация в устройствах вычислительной техники храниться в двоичной системе счисления.

Как было сказано выше один байт равен восьми битам, однако восьми битовое число, записанное в память устройства вычислительной техники, может иметь различные диапазоны реальных значений. Существует три основных вида представления информации в устройствах вычислительной техники:

1. Положительное, то есть диапазон его значения от 0 до (2ⁿ)-1, где n - количество занимаемых бит, на примере однобайтового числа, это от 0 до 255.
2. Отрицательное, то есть диапазон его значения от -(2ⁿ)-1 до 1, где n - количество занимаемых бит, на примере однобайтового числа, это от -255 до 0.
3. Неопределенное, которое может быть и положительным и отрицательным, диапазон его значения от -(2^n-1)-1 до +(2^n-1)-1, где n - количество занимаемых бит, на примере однобайтового числа, это от -127 до 127. При таком представлении данных в памяти устройства седьмой бит используется как знаковый, если он равен единице, то число отрицательной, а если 0, то положительное.

Более детальное представление битовой информации в устройствах вычислительной техники на примере однобайтового числа приведено на рисунке 29.

Положительное

Числовые биты

Отрицательное

Числовые биты

Неопределенное

+/-

Числовые биты

Рисунок 29.

Количество занимаемых бит под хранение данных в адресном пространстве устройства вычислительной техники определяется только ее разрядностью типа, то есть количеством бит, выделенных под заданный тип данных. Так например, если необходимо записать число 10011, в ячейку памяти, выделенную для хранения однобайтового числа, то несмотря на то, что число фактически занимает всего пять разрядов, в адресном пространстве им будет использоваться все восемь, незначащие биты слева заполняться нулями, то есть число будет представлено в виде 00010011. Соответственно если его необходимо поместить в ячейку памяти размером два байта(или слово), то слева будет дописано еще восемь нулей, и число, в памяти устройства вычислительной техники будет представлено в виде 0000000000010011. Это обусловлено разрядностью устройства вычислительной техники. С точки зрения аппаратной реализации все адресное пространство разбито на байты, то есть в любом случае минимальной единицей адресного пространства является байт, поэтому нет возможности производить чтение, запись и обработку информации из адресного пространства более мелкими объемами, однако современные вычислительные комплексы поддерживают и более крупные объемы одновременного ввода/вывода и обработки данных. Так существуют 16-ти разрядные, 32-разрядные и 64-разрядные вычислительные системы.

Итак, стало ясно, что все данные в любом устройстве вычислительной техники хранятся в одномерном массива, и каждое из них имеет свой адрес, то есть, процессор, или арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ) для получения данных, требуемых в алгоритме, должно обратиться по какому то адресу к одномерному массиву, являющемуся адресным пространством этого устройства и прочитать их оттуда. Кроме того, АЛУ, полученные результаты так же должно записать в адресное пространство этого же устройства.

Устройство ввода, так же записывает введенные данные, в адресное пространство, а устройство вывода, читает результаты из адресного пространства. Кроме того, команды (шаги алгоритма), поступающие процессору так же так же записываются в адресное пространство, и уже от туда читаются процессором. Команды содержат информацию о трубимых действиях и адресах, из которых требуется прочитать данные ила записать результаты. Итак получили схему работы любого устройства вычислительной техники, рисунок 30.

Команда, с точки зрения устройства вычислительной техники представляет собой число, которое устройством управления ассоциируется с указанием о вы полнении какой то конкретной команды, сложение, вычитание, умножение,…. Следует обратить особое внимание, на то, что устройства вычислительной техники понимает только числа, поэтому любой алгоритм, исполнителем которого является такое устройство должен быть представлен в виде последовательности шагов, описанных в виде команд, представленных в виде соответствующих числовых значений, откуда и появилось понятие машинный язык, язык понятный исполнителю, которым является устройство вычислительной техники.