какой метод решения задач заложен в принципах построения эвм
Какой метод решения задач заложен в принципах построения эвм
Основные принципы построения ЭВМ были сформулированы американским учёным Джоном фон Нейманом в 40-х годах 20 века:
1. Любую ЭВМ образуют три основные компоненты: процессор, память и устройства ввода-вывода (УВВ).
2. Информация, с которой работает ЭВМ делится на два типа:
4. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.
5. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).
Ниже представлена схема устройства компьютера, построенного по магистральному принципу:
В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие.
Минимальная конфигурация компьютера включает в себя: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь.
Принципы построения и архитектура ЭВМ
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ.
ЭВМ – совокупность технических устройств, предназначенных для автоматизированной обработки дискретных сообщений по требуемому алгоритму.
Идея автоматизации процесса обработки данных заложена в принцип действия ЭВМ. На рис. 1.1 приведена структурная схема абстрактной ЭВМ. Она позволит показать состав, порядок, и принципы взаимодействия основных функциональных частей ЭВМ.
Рис 1.1 Структурная схема ЭВМ.
Любая ЭВМ содержит следующие основные устройства:
— ввода данных в ЭВМ и вывода из нее результатов обработки (УВВ);
АЛУ и УУ образуют процессор.
Память состоит из запоминающих устройств (ЗУ) и предназначена для хранения алгоритма обработки данных и самих данных. Они включают некоторое число L ячеек памяти, каждая из которых используется для запоминания одного l-разрядного двоичного числа. Запись и чтение данных осуществляется только при указании места их хранения.
АЛУ. Выполняет арифметические и логические операции над поступающими в него двоичными кодами команд и данных. Каждый процессор выполняет ограниченный набор команд, входящий в систему команд ЭВМ.
УУ под воздействием поступающих данных автоматически координирует работу всех устройств ЭВМ посредством своевременной выдачи на них управляющих сигналов: предписывает АЛУ выполнение конкретной операции, управляет обменом между ЗУ и процессором, работой УВВ.
Алгоритм – последовательность операций (действий), выполнение которой над исходными данными и промежуточными результатами приводит к конечному результату – решению. В памяти ЭВМ он хранится в виде двоичных многоразрядных чисел – машинных кодов команд.
Программа – описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими данными (операндами) это действие производится.
Перед началом решения задачи в ЗУ через УВВ записываются в кодированном виде программа и подлежащие обработке данные. В ходе вычислительного процесса при выполнении очередной команды из ЗУ считывается эта команда. По адресной части команды определяется местонахождение обрабатываемых данных, они извлекаются из ЗУ, процессор выполняет над ними указанную в коде операцию и записывает результат на хранение в ЗУ. Затем определяется местонахождение следующей команды программы и снова повторяется аналогичный цикл.
1.2 Архитектурно-функциональные принципы построения ЭВМ.
Были разработаны и опубликованы в 1946 г. венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом и его коллегами Г. Гольдстайном и А. Берксом в ставшем классическом отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства».
Основные принципы построения ЭВМ.
1.Программное управление работой ЭВМ. Программы состоят из отдельных шагов-команд; команда осуществляет единичный акт преобразования информации; последовательность команд, необходимая для реализации алгоритма, является программой; все разновидности команд, использующиеся в конкретной ЭВМ, в совокупности являются языком машины или системой команд машины.
2.Принцип условного перехода. Это возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от промежуточных, полученных в ходе вычислений результатов; реализация этого принципа позволяет легко осуществлять в программе циклы с автоматическим выходом из них, итерационные процессы и т. п. Благодаря принципу условного перехода, число команд в программе получается значительно меньше, чем при использовании программы за счет многократного вхождения в работу участков программы.
3.Принцип хранимой программы. Заключается в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и исходные данные. Команды для исполнения выбираются из ОЗУ в УУ, а числа – в АЛУ. Для ЭВМ и команда, и число являются машинным словом, и если команду направить в АЛУ в качестве операнда, то над ним можно произвести арифметические операции, изменив ее. Это открывает возможность преобразования программ в ходе их выполнения; кроме того это обеспечивает одинаковое время выборки команд и операндов из ОЗУ для выполнения, позволяет быстро менять программы и их части, вводить непрямые системы адресации, видоизменять программы по определенным правилам.
4.Принцип использования двоичной системы счисления
для представления информации в ЭВМ. Это существенно упрощает техническую конструкцию ЭВМ.
5.Принцип иерархичности ЗУ. Это компромисс между емкостью и временем доступа к данным для обеспечения относительной дешевизны.
Эти принципы фон Неймана относятся к фундаментальным положениям, определившим на многие годы развитие вычислительной техники и кибернетики.
1.3 Основные характеристики и архитектура ЭВМ.
Архитектура ЭВМ – совокупность ее свойств и характеристик, рассматриваемых с точки зрения пользователя машины. Полный комплекс значимых для пользователя общих вопросов функциональной и структурной организации ЭВМ, общения с нею, организации вычислительного процесса, включая совокупность характеристик и параметров ЭВМ, влияющих на решение этих вопросов, охватывается понятием архитектуры.
Важнейшие для пользователя группы характеристик ЭВМ, определяющие ее архитектуру:
— характеристики машинного языка и системы команд (количество и состав команд, их форматы, системы адресации, наличие программно-доступных регистров в процессоре и т. д.), которые определяют алгоритмические возможности процессора ЭВМ;
— технические и эксплутационные характеристики ЭВМ: производительность, показатели надежности, точности, емкость памяти, потребляемая мощность, стоимость и т. д.;
— характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; наличие возможности подключения дополнительных модулей (сверхоперативной памяти, канала прямого доступа к памяти, арифметического расширителя и др.) с целью расширения базовой конфигурации или улучшения технических характеристик базовых модулей;
— состав программного обеспечения и принципы его взаимодействия с техническими средствами ЭВМ.
К ресурсам ЭВМ относятся те реальные аппаратные и программные средства (например, машинное время процессора, емкость ОЗУ, набор УВВ, программные модули), которые ЭВМ может выделить процессу обработки данных на время решения задач пользователя.
Программное и аппаратное обеспечение ЭВМ взаимосвязано и образует с точки зрения пользователя виртуальную ЭВМ, в которой отдельные ресурсы реализованы совокупностью аппаратных и программных средств.
1.4 Области применения и классификация ЭВМ. Понятие о системах ЭВМ.
Успехи в развитии вычислительной техники привели к значительному расширению сферы применения ЭВМ. Первоначально сравнительно узкая сфера применения ЭВМ, главным образом для научных и технических расчетов, в короткий срок существенно расширилась и охватила все области человеческой деятельности.
Существует много способов классификации ЭВМ. Если в качестве главных классификационных признаков взять сложность оборудования, занимаемые им площади и численность обслуживающего персонала, то можно выделить следующие классы ЭВМ: большие, средние, малые (мини), микроЭВМ и микропроцессоры.
Наиболее надежный классификационный признак – потенциальная область применения, по которому ЭВМ подразделяются на ЭВМ общего назначения и проблемно-ориентированные (специализированные). ЭВМ общего назначения предназначены для решения широкого круга научно-технических, экономических и информационно-логических задач. Специализированные ЭВМ приспособлены для решения ограниченного круга задач. Они должны быть дешевы, просты в эксплуатации.
В последние годы особенно бурно развиваются персональные ЭВМ, относящиеся к классу микроЭВМ, и микропроцессоры. Микропроцессоры открывают принципиально новые возможности для высокоэффективной автоматизации производственных процессов, научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, обработки информации при планировании и управлении производством на предприятиях и т. д. В группе ПЭВМ выделяются промышленные ПЭВМ, составляющие основу современных АСУ ТП.
Основные черты современных промышленных ПЭВМ:
— большое число подключаемых плат (до 14);
— пассивная панель вместо материнской платы;
— возможность монтажа в обойме 19”;
— клавиатура, как правило, встроена в корпус;
— использование повышенной отказоустойчивости компонентов.
Расширение сферы применения вычислительной техники и особенно ее использование в автоматизированных системах управления привели к включению в состав машин большого комплекса разнообразных периферийных устройств для ввода, запоминания, хранения, регистрации, отображения, индикации. Конкретные применения предъявляют конкретные требования к составу периферийных устройств, объему оперативной и внешней памяти и т. п.
Это привело к тому, что при проектировании вычислительной техники концепцию ЭВМ с фиксированным составом оборудования, где главное место занимало устройство обработки информации, сменила концепция агрегативной вычислительной машины (системы) с переменным составом оборудования который определяется выполняемыми ею функциями. При таком подходе отдельные устройства выполняются в виде агрегатов (модулей), которые в нужной номенклатуре и количестве объединяются в ЭВМ. Важное место в агрегатированных машинах занимают унифицированные сопряжения (интерфейсы), обеспечивающие обмен информацией между агрегатами, входящими в состав ЭВМ, и допускающие подключение необходимого состава периферийных устройств.
Интерфейс – это стандарт на сопряжение информационных блоков, определяющий число линий, тип передаваемой по каждой линии информации и направление передачи, кодировку информации, передаваемой по линии, все электрические и временные параметры сигналов и конструктивы соединения (разъемы).
Информационная совместимость ЭВМ – это единые способы кодирования информации и форматы данных или хотя бы по меньшей мере одинаковые или кратные длины машинных слов в различных моделях.
Программная совместимость – программы, составленные для одной модели, могут выполняться на других моделях ряда. Практически это достигается единой для всех машин ряда системой команд.
Единая система команд позволяет иметь общие для машин системы ЭВМ операционные системы.
Помимо программной совместимости машины, входящие в систему ЭВМ, должны обладать аппаратной совместимостью, заключающейся в возможности присоединения к ядру любой модели ЭВМ (процессору и оперативной памяти) любых периферийных устройств, общих для всей системы ЭВМ.
Таким образом, общие форматы данных и команд, единая система команд, общие операционные системы, общая номенклатура периферийных устройств, общие методы технической и математической эксплуатации и обслуживания, единая методика построения технической документации – вот что превращает совокупность отдельных моделей ЭВМ в систему (ряд).
1.5. Общие принципы построения современных ЭВМ.
К общим принципам построения современных ЭВМ относятся:
1) Возможность мультипрограммной работы;
2) Иерархическая организация структуры ЭВМ, программного обеспечения и управления вычислительным процессом;
3) Обеспечение максимальных удобств в работе пользователей и эффективной эксплуатации оборудования;
4) Возможность адаптации, развития и модернизации ЭВМ.
Эти принципы были выработаны в процессе эволюции ЭВМ и обусловлены не только стремлением улучшить технико-экономические показатели ЭВМ (соотношение производительность/стоимость), но и желанием повысить эффективность использования ресурсов ЭВМ, сделать общение пользователя с ЭВМ максимально удобным. В первоначальной структуре ЭВМ произошёл ряд изменений.
В составе ЭВМ выделились центральное (обрабатывающее) ядро и периферия (все УВВ, внешняя память). Периферийное оборудование стало подключаться к центральному ядру через специализированные процессоры (каналы ввода-вывода), управляющие обменом между УВВ и выделенной областью памяти и обеспечивающие прямой доступ УВВ к памяти. С увеличением количества и разнообразия периферийных устройств возросло число КВВ и произошла их специализация (разделение) на высокоскоростные – селекторные и низкоскоростные – мультиплексные, а также выделилось специализированное интерфейсное оборудование, обеспечивающее информационное и электрическое сопряжение периферии с центральным ядром. В результате ЭВМ приобрела иерархическую структуру, в которой центральное ядро, КВВ, интерфейсы и периферия находятся на разных уровнях иерархии.
Децентрализация управления вычислительным процессом создала предпосылки для одновременного выполнения ЭВМ нескольких программ, т. е. для реализации режима мультипрограммной работы ЭВМ. Это потребовало загрузки в память ЭВМ пакета, состоящего из нескольких поставленных в очередь на обработку программ, и введения в ОС специальной программы – супервизора, которая одновременно со счётом по текущей программе организует ввод данных для следующей и вывод результатов по предыдущей программе.
Тенденция к децентрализации структуры привела к разделению функций внутри процессора: появились специализированные процессоры с закреплёнными за ними определёнными операциями.
Для достижения большей информационной ёмкости и необходимого быстродействия ЗУ память ЭВМ строится с соблюдением иерархического принципа:
— Сверхоперативное ЗУ (СОЗУ);
— ОЗУ (расслоенное на несколько блоков с индивидуальными устройствами управления);
Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ разных уровней позволяет рассматривать все информационные ёмкости ЭВМ как некую единую абстрактную виртуальную память и осуществлять обращение к любой ячейке памяти посредством абстрактного поля виртуальных адресов.
В ЭВМ, предназначенных для мультипрограммной работы, выделились следующие средства (программные и аппаратные):
— Средства распределения памяти между разными программами;
— Система защиты памяти;
— Система прерываний и приоритетов;
В большинстве ЭВМ, используемых для мультипрограммной работы, предусматривается организация нескольких режимов работы, таких как:
— Режим пакетной обработки;
— Режим разделения времени;
— Режим «запрос-ответ» и др.
Архитектура современной ЭВМ общего назначения приведена на рис.1.2.
Рис.1.2.
Селекторный канал осуществляет обмен между ОЗУ и ВЗУ. При этом скорость обмена составляет 1-2 Мб/с. Т. к. скорость передачи высокая, а, следовательно, время, за которое происходит весь обмен данными, короткое, канал поддерживает связь ОЗУ с выбранным ВЗУ все время пока не закончится обмен.
Мультиплексный канал осуществляет обмен между ОЗУ и низкоскоростными внешними устройствами. При этом ОЗУ может выдавать и принимать данные со скоростью сотни тысяч байт в секунду, а УВВ принимают и передают данные со скоростью порядка тысячи байт в секунду и медленнее.
Чтобы полностью использовать пропускную способность канала, его снабжают своим быстродействующим ЗУ и системой переключения с одного УВВ на другое (со стороны УВВ) и с одного блока ОЗУ на другой (со стороны ОЗУ). Такой канал работает в 2 такта: во-первых, он накапливает данные из УВВ в ячейках своей памяти, закрепленных за этим УВВ, переключаясь, по мере готовности передать или принять данные, с одного УВВ на другое, а во-вторых, обменивается более крупными партиями данных между своими ЗУ и ОЗУ. За эту способность к быстрому переключению получил название мультиплексного.
Для стандартизации подключения всех ВЗУ и УВВ к магистралям, идущим от каналов к устройствам, все электрические параметры этих магистралей стандартизованы. Этот стандарт называется главным интерфейсом.
 |
Схема интерфейсов ЭВМ общего назначения приведена на рис. 1.3.
Рис. 1.3 Схема интерфейсов ЭВМ общего назначения.
 |
Система обмена малых ЭВМ через общую шину эффективна лишь при сравнительно небольшом наборе периферийных устройств.
КПУ – контроллер периферийного устройства.
1.6 .Структура программного обеспечения.
Программное обеспечение ЭВМ представляет собой совокупность ОС, программы технического обслуживания (ПТО) и пакетов прикладных программ (ППП).
ОС является ядром программного обеспечения и содержит ряд директивных программ, отвечающих за планирование работы и распределение ресурсов ЭВМ, облегчающих взаимодействие пользователей и их программ с аппаратными средствами. Кроме того, ОС содержит программы-трансляторы с алгоритмических языков, предназначенных для перевода пользовательских программ на машинный язык.
ПТО обеспечивает автоматическую проверку работоспособности ЭВМ, диагностику, локализацию неисправностей и значительно снижают трудоемкость эксплуатации ЭВМ. ППП могут содержать упорядоченные наборы программ для решения типовых задач определенного класса.
По задачам и функциям различные компоненты ПО делятся на общее и специальное ПО. Общее ПО включает ОС и ПТО, специальное – ППП для решения конкретных задач по отдельным отраслям профессиональной деятельности.
Детально основные компоненты ПО рассматриваются в других курсах и здесь не рассматриваются. Несколько замечаний по ОС.
Операционной системой будем называть комплекс программно-аппаратных средств и необходимых информационных массивов, организующих вычислительный процесс по реализации заданий пользователей путем оптимального планирования использования и управления всеми ресурсами ЭВМ.
Это наиболее общее и полное определение ОС. Оно позволяет представить ЭВМ с точки зрения пользователя как виртуальную многоуровневую систему (рис. 1.6).
1 – виртуальная система пользователя;
2 – внешняя расширенная машина;
3 – внутренняя расширенная машина.
b – базовые функции ОС;
c – основные функции ОС;
e – язык управления заданиями и алгоритмические языки.
Впервые предложена Декстрой в 1968г. в работе “Структура мультипрограммных систем”. Основана на представлении вычислительной системы в виде вложенных друг в друга виртуальных машин, имеющих совместимость иерархического типа.
Наименьший уровень представляет собой физическую машину и реализуется аппаратными средствами на принципах микропрограммного или схемного управления. Каждый следующий уровень обеспечивает новые свойства за счет ОС и общего программного обеспечения. На самом нижнем уровне находятся средства реализации микроопераций. Средства и функции управления каждого последующего уровня формируются из средств и функций более низких по отношению к рассматриваемому уровней. Каждый уровень характеризуется длительностью реализуемого управления и определенной шириной охвата управляемых средств. Высшие уровни управления реализуются компонентами ОС, являющейся программным продолжением устройства управления и образующей интерфейс между пользователем и ЭВМ.
По степени развитости некоторые современные ОС настолько способны автоматизировать функции оператора, что с полным правом могут быть отнесены к искусственному интеллекту.
Практическое применение концепции многоуровневой виртуальной системы: упрощение и формализация описания процесса функционирования ВС и ее основных компонент.
Учитель информатики
Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.
Основополагающие принципы устройства ЭВМ
§ 7. Основополагающие принципы устройства ЭВМ
Информатика. 10 класса. Босова Л.Л. Оглавление
7.1. Принципы Неймана-Лебедева
В каждой области науки и техники существуют фундаментальные идеи или принципы, определяющие на многие годы вперёд её содержание и направление развития. В компьютерных науках роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя крупнейшими учёными XX века — Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.
Принцип — основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.
Принципы Неймана-Лебедева — базовые принципы построения ЭВМ, сформулированные в середине прошлого века, не утратили свою актуальность и в наши дни.
Джон фон Нейман (1903-1957) — американский учёный, сделавший важный вклад в развитие целого ряда областей математики и физики. В 1946 г., анализируя сильные и слабые стороны ЭНИАКа, совместно с коллегами пришёл к идее нового типа организации ЭВМ.
Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) — академик, основоположник вычислительной техники в СССР, главный конструктор первой отечественной электронной вычислительной машины МЭСМ, автор проектов компьютеров серии БЭСМ (Большая Электронная Счётная Машина), разработчик принципиальных положений суперкомпьютера «Эльбрус». В 1996 году посмертно награждён медалью «Пионер компьютерной техники» — самой престижной наградой международного компьютерного сообщества.
Рассмотрим сущность основных принципов Неймана-Лебедева:
1) состав основных компонентов вычислительной машины;
2) принцип двоичного кодирования;
3) принцип однородности памяти;
4) принцип адресности памяти;
5) принцип иерархической организации памяти;
6) принцип программного управления.
Первый принцип определяет состав основных компонентов вычислительной машины.
Любое устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь определённый набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.
Функциональная схема такого компьютера, отражающая программное управление работой и взаимодействием его основных узлов, представлена на рисунке 2.5.
Рис. 2.5. Функциональная схема компьютеров первых поколений
Его информационным центром является процессор:
• все информационные потоки (тонкие стрелки на рисунке) проходят через процессор;
• управление всеми процессами (толстые стрелки на рисунке) также осуществляется процессором.
Такие блоки есть и у современных компьютеров. Это:
• процессор, состоящий из арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего обработку данных, и устройства управления (УУ), обеспечивающего выполнение программы и организующего согласованное взаимодействие всех узлов компьютера;
• память, предназначенная для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также самой программы обработки информации. Различают память внутреннюю и внешнюю. Основная часть внутренней памяти используется для временного хранения программ и данных в процессе обработки. Такой вид памяти принято называть оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Ещё одним видом внутренней памяти является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее программу начальной загрузки компьютера. Внешняя или долговременная память предназначена для длительного хранения программ и данных в периоды между сеансами обработки;
• устройства ввода, преобразующие входную информацию в форму, доступную компьютеру;
• устройства вывода, преобразующие результаты работы компьютера в форму, доступную для восприятия человеком.
Вместе с тем в архитектуре современных компьютеров и компьютеров первых поколений есть существенные отличия. О них будет сказано чуть ниже.
Рассмотрим суть принципа двоичного кодирования информации.
Вся информация, предназначенная для обработки на компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а также программы её обработки представляются в виде двоичного кода — последовательностей 0 и 1.
Все современные компьютеры хранят и обрабатывают информацию в двоичном коде. Выбор двоичной системы счисления обусловлен рядом важных обстоятельств: простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления, её «согласованностью» с булевой логикой, простотой технической реализации двоичного элемента памяти (триггера).
Несмотря на всеобщее признание, использование в компьютерной технике классической двоичной системы счисления не лишено недостатков. В первую очередь это проблема представления отрицательных чисел, а также нулевая избыточность (т. е. отсутствие избыточности) двоичного представления. Пути преодоления указанных проблем были найдены уже на этапе зарождения компьютерной техники.
В 1958 г. в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова под руководством И. П. Брусенцова был создан троичный компьютер «Сетунь» (рис. 2.6). В нём применялась уравновешенная троичная система счисления, использование которой впервые в истории позволило представлять одинаково просто как положительные, так и отрицательные числа.
Итак, благодаря двоичному кодированию, данные и программы по форме представления становятся одинаковыми, а следовательно, их можно хранить в единой памяти.
Рис. 2.6. ЭВМ «Сетунь»
Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти, и внешне в памяти они неразличимы. Распознать команды и данные можно только по способу использования. Это утверждение называют принципом однородности памяти.
Так как представленные в памяти команды и данные внешне неразличимы, то одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда в зависимости лишь от способа обращения к нему. Так, если к двоичной последовательности обращаются как к числу, то в ней выделяют поле (область) знака и поле значащих разрядов. Если к двоичной последовательности обращаются как к команде, то в ней выделяют поле кода операции и поле адресов операндов.
Однородность памяти позволяет производить операции не только над данными, но и над командами. Взяв в качестве данных для некоторой программы команды другой программы, в результате её исполнения можно получить команды третьей программы. Данная возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.
Структурно оперативная память компьютера состоит из отдельных битов — однородных элементов, обладающих двумя устойчивыми состояниями, одно из которых соответствует нулю, а другое — единице. Для записи или считывания группы соседних битов объединяются в ячейки памяти, каждая из которых имеет свой номер (адрес).
Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса). Это принцип адресности памяти.
Очень важно, что информация может считываться из ячеек и записываться в них в произвольном порядке, т. е. процессору в произвольный момент доступна любая ячейка памяти. Организованную таким образом память принято называть памятью с произвольным доступом.
Разрядность ячеек памяти (количество битов в ячейке) у компьютеров разных поколений была различной. Основой оперативной памяти современных компьютеров является восьмибитная ячейка. Ячейка такой разрядности может быть использована для работы с одним символом. Для хранения чисел используется несколько последовательных ячеек (четыре — в случае 32-битного числа).
На современных компьютерах может одновременно извлекаться из памяти и одновременно обрабатываться до 64 разрядов (т. е. до восьми байтовых (восьмибитных) ячеек). Это возможно благодаря реализации на них принципа параллельной обработки данных — одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий.
Можно выделить два основных требования, предъявляемых к памяти компьютера:
1) объём памяти должен быть как можно больше;
2) время доступа к памяти должно быть как можно меньше.
Создать запоминающее устройство, одновременно удовлетворяющее двум этим требованиям, затруднительно. Действительно, в памяти большого объёма требуемые данные искать сложнее, в результате чего их чтение замедляется. Для ускорения чтения нужно использовать более сложные технические решения, что неизбежно приводит к повышению стоимости всего компьютера. Решение проблемы — использование нескольких различных видов памяти, связанных друг с другом. В этом и состоит суть принципа иерархической организации памяти.
Трудности физической реализации запоминающего устройства высокого быстродействия и большого объёма требуют иерархической организации памяти.
В современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по своим основным характеристикам: времени доступа, сложности, объёму и стоимости. При этом более высокий уровень памяти меньше по объёму, быстрее и имеет большую стоимость в пересчёте на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне.
Большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещён в более быструю, но дорогостоящую и поэтому небольшую память. Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительного комплекса.
Главное отличие компьютеров от всех других технических устройств — это программное управление их работой.
Принцип программного управления определяет общий механизм автоматического выполнения программы.
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности команд. Команды представляют собой закодированные управляющие слова, в которых указывается:
• какое выполнить действие;
• из каких ячеек считать операнды (данные, участвующие в операции);
• в какую ячейку записать результат операции.
Команды, входящие в программу, выполняются процессором автоматически в определённой последовательности. При этом выполняется следующий цикл действий:
1) чтение команды из памяти и её расшифровка;
2) формирование адреса очередной команды;
3) выполнение команды.
Этот цикл повторяется до достижения команды, означающей окончание выполнения программы, решающей некоторую конкретную задачу. В современных компьютерах по завершении работы программы управление передаётся операционной системе.
7.2. Архитектура персонального компьютера
Современные персональные компьютеры различаются по своим размерам, конструкции, разновидностям используемых микросхем и модулей памяти, другим характеристикам. В то же время все они имеют единое функциональное устройство, единую архитектуру — основные узлы и способы взаимодействия между ними (рис. 2.7).
Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.
На рисунке 2.7 изображены хорошо известные вам узлы современного компьютера:
процессор,
внутренняя память,
устройства ввода,
устройства вывода и внешняя память.
Рис. 2.7. Функциональная схема компьютера (К — контроллер)
Обмен данными между устройствами компьютера осуществляется с помощью магистрали.
Магистраль (шина) — устройство для обмена данными между устройствами компьютера.Магистраль состоит из трёх линий связи:
• шины адреса, используемой для указания физического адреса, к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи;
• шины данных, предназначенной для передачи данных между узлами компьютера;
• шины управления, по которой передаются сигналы, управляющие обменом информацией между устройствами и синхронизирующие этот обмен.
В компьютерах, имевших классическую фон-неймановскую архитектуру, процессор контролировал все процессы ввода/вывода. При этом быстродействующий процессор затрачивал много времени на ожидание результатов работы от значительно более медленных внешних устройств. Для повышения эффективности работы процессора были созданы специальные электронные схемы, предназначенные для обслуживания устройств ввода/вывода или внешней памяти.
Контроллер — это специальный микропроцессор, предназначенный для управления внешними устройствами: накопителями, мониторами, принтерами и т. д.
Благодаря контроллерам данные по магистрали могут передаваться между внешними устройствами и внутренней памятью напрямую, минуя процессор. Это приводит к существенному снижению нагрузки на центральный процессор и повышает эффективность работы всей вычислительной системы.
Современные компьютеры обладают магистрально-модульной архитектурой, главное достоинство которой заключается в возможности легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.
Если спецификация на шину (детальное описание всех её параметров) является открытой (опубликованной), то производители могут разработать и предложить пользователям разнообразные дополнительные устройства для компьютеров с такой шиной. Подобный подход называют принципом открытой архитектуры. Благодаря ему пользователь может собрать именно такую компьютерную систему, которая ему нужна.
7.3. Перспективные направления развития компьютеров
Мир современных компьютеров необычайно разнообразен. Кроме микропроцессоров, встраиваемых во всевозможные устройства, и разных типов персональных компьютеров существуют значительно более мощные вычислительные системы.
Это серверы в глобальной компьютерной сети, управляющие её работой и хранящие огромные объёмы информации.
Это многопроцессорные системы параллельной обработки данных, обеспечивающие:
• сокращение времени решения вычислительно сложных задач;
• сокращение времени обработки больших объёмов данных;
• решение задач реального времени;
• создание систем высокой надёжности.
Время однопроцессорных вычислительных систем прошло. Не только суперкомпьютеры, но и современные персональные компьютеры, ноутбуки, игровые приставки основаны на многопроцессорных, многоядерных и других технологиях, предполагающих одновременное выполнение множества инструкций.
В наши дни электронная техника уже подошла к предельным значениям своих технических характеристик, которые определяются физическими законами. Поэтому идёт поиск неэлектронных средств хранения и обработки данных, ведутся работы по созданию квантовых и биологических компьютеров, проводятся исследования в области нанотехнологий.
САМОЕ ГЛАВНОЕ
В каждой области науки и техники существуют фундаментальные идеи или принципы, определяющие на многие годы вперёд её содержание и направление развития. В компьютерных науках роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя крупнейшими учёными XX века — Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.
К основополагающим принципам построения компьютеров (принципам Неймана-Лебедева) можно отнести следующие:
1) состав основных компонентов вычислительной машины;
2) принцип двоичного кодирования;
3) принцип однородности памяти;
4) принцип адресности памяти;
5) принцип иерархической организации памяти;
6) принцип программного управления.
Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.
Классическая архитектура компьютеров первых поколений предполагала осуществление взаимодействия всех устройств через процессор и наличие неизменного набора внешних устройств.
Современные персональные компьютеры обладают открытой магистрально-модульной архитектурой — устройства взаимодействуют через шину, что способствует оптимизации процессов обмена информацией внутри компьютера. Второе преимущество современной архитектуры — возможность легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.
Вопросы и задания
1. Перечислите основные фундаментальные идеи, лежащие в основе построения компьютеров.
2. Какие устройства принято выделять в компьютерах классической архитектуры? Сравните их с устройством машины Беббиджа.
3. Чем обусловлен выбор двоичного кодирования для представления информации в компьютере?
4. Как вы понимаете утверждение «Одно и то же значение ячейки памяти в зависимости от способа обращения к нему может использоваться и как данные, и как команда»?
5. В чём состоит суть принципа адресности памяти?
6. Почему в современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по времени доступа, сложности, объёму и стоимости?
7. В чём состоит суть принципа программного управления?
8. Подготовьте сообщение о Джоне фон Неймане и его вкладе в развитие компьютерной техники.
9. Для чего предназначена магистраль (шина)? Из каких частей она состоит?
10. Что такое магистрально-модульная архитектура? В чём её главное достоинство?
11. В чём заключается принцип открытой архитектуры?