Назад (Информатика).

Основные принципы построения вычислительной машины.

Электронная вычислительная машина [ЭВМ] или компьютер - это многофункциональное электронное устройство для накопления, обработки и передачи информации.

Существует два основных класса компьютеров:

цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде числовых двоичных кодов;
аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины [электрическое напряжение, время и т.д.], которые являются аналогами вычисляемых величин.

Поскольку в настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс машин и слово "компьютер" употреблять в значении "цифровой компьютер".

Основу компьютера образует аппаратура [HardWare], построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютера состоит в выполнении программ [SoftWare] - заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

Принцип двоичного кодирования. Вся информация в компьютере передается, хранится и обрабатывается в двоичном виде.

Принцип программного управления. Программа представляет собой набор команд, которые процессор выполняет автоматически в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти. Разнотипная информация различается по способу использования, а не по способу кодирования.

Принцип адресности. Информация размещается в ячейках памяти, которые имеют точный адрес. Зная адрес, можно получить доступ к нужной информации в любой момент времени.

Основными блоками компьютера являются:

центральный процессор [ЦП];
основная память [ОП].

ЦП состоит из двух частей: арифметико-логического устройства [АЛУ], включающего схемы для обработки данных, и блока управления (БУ), который содержит схемы, координирующие деятельность всей машины. Для временного запоминания информации в ЦП имеются ячейки, называемые регистрами, которые похожи на ячейки основной памяти. В зависимости от конструкции ЦП в нем могут быть предусмотрены следующие регистры:

регистр состояния [РС], в котором хранятся признаки результата последней операции;
аккумулятор [АК], в котором размещаются подлежащие обработке данные или результат обработки;
регистр команд [РК], служащий для размещения кода исполняемой команды;
регистр адреса [РА], содержащий адрес ячейки памяти, из которой будет извлечен операнд или записан результат обработки;
регистр данных [РД], используемый в качестве буфера между основной памятью и остальными регистрами процессора;
счетчик команд [СК], содержимое которого увеличивается на единицу в момент выборки из памяти исполняемой команды и, если выбрана команда перехода, может быть заменено на содержимое адресной части команды перехода.

Регистры предназначены для хранения тех данных, с которыми машине необходимо работать непосредственно сейчас; основная память используется для хранения тех данных, которые понадобятся для работы в ближайшем будущем; а внешняя память применяется для хранения данных, с которыми в ближайшее время вряд ли потребуется работать.

Во многих машинах к этой иерархической структуре присоединен дополнительный уровень, который называется сверхоперативной памятью [кэш]. Кэш - это раздел высокоскоростной памяти с временем доступа, сравнимым со временем доступа к регистрам центрального процессора. Часто кэш непосредственно входит в состав ЦП. В эту специальную область памяти машина стремится скопировать именно ту часть основной памяти, в которой содержатся данные, необходимые для работы на данный момент. В этом случае обмен данными будет осуществляться не между регистрами и основной памятью, как это обычно бывает, а между регистрами и кэшем. Затем, в подходящий момент, все выполненные изменения одновременно передаются в основную память машины.

Для передачи битовых комбинаций между ЦП и основной памятью машины эти устройства соединяются группой проводов, которая называется шиной. Именно через эту шину центральный процессор извлекает данные из основной памяти, направляя в нее адрес необходимой ячейки памяти вместе с сигналом считывания. Аналогичным образом ЦП помещает данные в память, указав адрес ячейки назначения и записываемую информацию, сопровождаемые сигналом записи.

Основные принципы построения вычислительной машины.