Структура вычислительной машины и принцип её работы

Обработка информации реализуется с помощью некоторой функции f, отображающей множество данных D во множество возможных результатов R (рис.5).

Рис. 5.Отображение множества данных в множество результатов.

Чтобы промоделировать f с помощью технического устройства необходимо располагать тремя физическими представлениями:

– физическим представлением множества данных D';

– физическим представлением множества результатов R';

– физическим представлением функции обработки f', таким, что применение f' к D' должно давать элемент R'.

Функция f' должна быть физически реализуемой, то есть должна вычисляться на некотором физическом устройстве.

Чтобы выполнить обработку информации и интерпретировать результат необходимо располагать кодами представления исходных данных и результатов (рис. 5):

– входным кодом j, представляющим элемент данных D с помощью физического элемента из D';

– выходным кодом y, интерпретирующим элемент из R' с помощью элемента из R.

Рис.6. Представление реального процесса с помощью
технического устройства.

Отображения j, y и f' выбираются так, чтобы выполнялось условие

f (x) = y(f' (j(x)))

ЭВМ позволяет получить указанные физические представления. Принципиально вычислительная машина состоит из двух частей (рис. 7):

– центрального процессора, позволяющего с помощью электронных устройств выполнять f';

– памяти, являющейся физической системой, представляющей D' и R'.

Рис. 7. Структура вычислительной машины.

Память есть физическая система с большим числом возможных состояний. Каждое состояние с помощью отображений j и y связывается с элементами множеств D и R. Практически используемые системы имеют конечное число состояний, то есть множества D и R представляются конечными множествами D' и R'.

Удобно представлять память состоящей из множества N одинаковых физических систем, каждая из которых имеет M состояний. Каждая такая физическая система называется словом. Обычно M = 2⁸ = 256. Это позволяет поставить в соответствие каждому состоянию 8-разрядное двоичное число.

Наиболее просто строить память из физических элементов, имеющих два устойчивых состояния. Такой элемент называется бит. Тогда слово образуется комбинацией восьми таких элементов или битов и называется байтом.

Каждое из возможных состояний слова можно интерпретировать в зависимости от ситуации и используемых кодов как:

– целое натуральное число в диапазоне от 0 до 255;

– слово из букв обычного алфавита и т.д.

Отдельные слова могут объединяться в структуры, позволяющие представлять более сложные объекты, такие как вещественные числа, таблицы, списки и т.д.

Вычислительная машина должна выполнять конечное число физически реализуемых базовых операций над содержимым слов памяти. Современные однопроцессорные ЭВМ имеют архитектуру, предложенную фон Нейманом и называются фоннеймановскими машинами. Принцип организации их работы заключается в следующем.

1. Память машины представляет собой линейную последовательность пронумерованных слов или ячеек. Номер ячейки называется её адресом.

2. Одни и те же ячейки памяти могут содержать исходные данные, полученные результаты или команды машины.

3. Команды выполняются последовательно в соответствии с порядком, определяемым программой.

ЭВМ является универсальным преобразователем информации, способным реализовывать любые алгоритмы преобразования данных.

Центральный процессор состоит из двух частей – управ-ляющего устройства и арифметическо-логического устройства (АЛУ).

Управляющее устройство определяет последовательность выполнения команд и занимается поиском их в памяти. Оно имеет специальную ячейку памяти, называемую регистром команд, в которую помещается подлежащая выполнению команда.

Арифметически-логическое устройство выполняет команды, передаваемые управляющим устройством. Оно имеет несколько специальных ячеек памяти, называемых регистрами общего назначения, в которых временно хранятся операнды команд и результаты выполнения команд.

Преобразования j и y внешней формы данных D и результатов R во внутреннюю D' и R' выполняются с помощью периферийных устройств, связывающих компьютер с внешним миром. Различаются устройства ввода или чтения и устройства вывода или записи. Устройства ввода передают информацию в память машины, устройства вывода передают информацию из памяти машины на внешние устройства (экран дисплея, принтер, графопостроитель и пр.).

Память вычислительной машины подразделяется на оперативную и внешнюю. Оперативная память служит для временного хранения программ и данных непосредственно во время вычислений. Содержимое оперативной памяти сохраняется только во время работы компьютера. Внешняя память имеет значительно больший объём и служит для долговременного хранения программ и данных. Информация во внешней памяти хранится в виде файлов, являющихся последовательностями байтов. Для того чтобы программа могла быть выполнена, она должна быть загружена в оперативную память машины.

Программа на машинном языке организована в виде последовательности ячеек памяти, каждая из которых содержит одну команду. Каждая команда в свою очередь состоит из кода операции и набора операндов.

Рис. 8. Формат трехадресной команды.

На рис.8 избражен формат трехадресной команды. Здесь Коп – код выполняемой операции, Адрес 1и Адрес 2 – адреса ячеек памяти, содержащих операнды команды. Например, в операции сложения операндами будут слагаемые. Адрес 3 – адрес ячейки памяти, в которую будет помещен результат операции.

В зависимости от числа используемых адресов команды бывают трехадрес-ными, двухадресными, одноадресными и безадресными.

Типичный набор операций, выполняемых аппаратной вычислительной машиной состоит из следующих операций:

1. арифметические операции;

2. операции для проверки различных свойств элементов данных;

3. операции для доступа к различным частям элементов данных и их изменения;

4. операции управления устройствами ввода-вывода;

5. операции для управления последовательностью выполнения операций.

При выполнении программы вычислительная машина выполняет простой циклический алгоритм, изображенный на рис. 9.

Рис.9. Цикл выполнения программы.

Работа компьютера заключается в выборе слов данных из памяти в процессор, модификации их содержимого и записи обратно в память.