Принципы организации информационных процессов в вычислительных устройствах

Большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных американским уче­ным, одним из "отцов" кибернетики Джоном фон Нейманом. Он пришел к мысли, что программа должна быть представлена в памяти компьютера в цифровой форме, вместе с данными. Он также отметил, что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, должна быть заменена бинарной (двоичной) арифметикой.

В целом принципы фон Неймана сводятся к следующему:

1) Основными блоками вычислительной машины являются устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода-вывода (рис.3.1).

Обобщенная структурная схема машины фон Неймана:

АЛУ – арифметико-логическое устройство; УУ – устройство управления;

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; ВП – внешняя память.

Отметим тот факт, что обратная связь УУ с ВП и устройством ввода осуществляется посредством ОЗУ, куда они направляют свои данные.

2) Принцип хранимой программы. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Причем вся информация (т.е. команды и данные) кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами (машинными словами). Разнотипные слова (содержащие команды или числа) различаются по способу использования, но не по способу кодирования.

3) Адресный принцип. В команде указываются не сами числа, над которыми нужно выполнять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, хранящих эти числа.

4) Автоматизм. После ввода программы и данных машина работает автоматически, выполняя предписания программы без вмешательства человека. Для этого каждая выполняемая команда содержит указание об адресе следующей команды. Указание может быть: неявным (перейти к команде, следующей по адресу за выполняемой), безусловным (перейти к команде по заданному адресу), условным (в зависимости от результата выполнения заданного условия, перейти к команде по тому или иному адресу).

5) Переадресация. Адреса ячеек памяти, указанные в команде, можно вычислять и преобразовывать как числа.

Эти принципы впервые были использованы в машине EDSAC (ElectronicDiscreteStorageComputer — электронная дискретная хранящая машина). Всего память этой машины включала 4096 слов, каждое из которых имело размер 40 бит. Каждое слово могло содержать или 2 команды (управляющие слова) по 20 бит (8 бит указывали на тип команды, а остальные 12 бит определяли адрес одного из 2¹² = 4096 слов), или целое число со знаком на 40 бит.

Команда – совокупность сведений, необходимых процессору для выполнения определенного действия при выполнении программы. Как видно из сказанного выше, команда состоит из кода операции, содержащего указание на вид выполняемой операции, и нескольких адресных полей, указывающих расположение операндов команды в памяти.

Арифметико–логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения в ЭВМ арифметических и логических операций, задаваемых командами программы. АЛУ формирует по двум входным переменным одну выходную, выполняя заданную командой операцию (сложение, вычитание и т.д.). Участвующие в операциях данные выбираются из ОЗУ, результаты операций отсылаются в ОЗУ.

Устройство управления (УУ) – координирует работу процессора, посылая в определенной временной последовательности управляющие сигналы в устройства ЭВМ, обеспечивая их соответствующее функционирование и взаимодействие друг с другом.

На этапе вы­борки команды УУ интерпретирует команду, выбранную из оперативной памяти. На этапе выполнения команды в соответствии с типом реализуемой операции УУ формирует требуемый набор ко­манднизкого уровня или микрокоманд для АЛУ и дру­гих устройств. Последовательность микрокоманд, соответ­ствующая одной команде, называется микропрограммой. Микрокоманды задают последовательность простейших низкоуровневых операций, таких, как пересылка данных, сдвиг дан­ных, запоминание результатов и др. Такие элементарные низкоуровневые операции называют микроопе­рациями.

Оперативная память (ОЗУ) – служит для хранения выполняемой программы, исходных данных задачи, промежуточных и конечных результатов решения задачи. ОЗУ еще ее называют основной памятью. Она относится к разряду внутренней памяти, т.к. конструктивно расположена внутри ЭВМ. При выключении питания компьютера содержимое ОЗУ стирается.

Внешняя память (ВП) – память, имеющая относительно невысокое быстродействие, но по сравнению с ОЗУ существенно более высокую емкость. Внешняя память (например, магнитные диски или ленты) предназначена для записи данных с целью их длительного хранения и последующего считывания (возможно, и на другом компьютере). В силу того, что быстродействие ВП значительно ниже быстродействия АЛУ, последнее в процессе работы взаимодействует лишь с ОЗУ, получая из него команды и данные, отсылая в эту память результаты операций. Часто при решении сложных задач емкость ОЗУ оказывается недостаточной. В этих случаях в процессе решения задач данные, определенными порциями, могут пересылаться из ВП в ОЗУ, откуда они затем выбираются для обработки в АЛУ.

Устройства ввода/вывода служат для преобразования информации из внутреннего представления в компьютере (машинного кода) в форму, доступную окружающим, и обратно. Под окружающими понимаем как людей, так и другие электронные устройства (например, технологическое оборудование, которым управляет компьютер). К устройствам ввода относятся клавиатура, мышь, джойстик, микрофон, сканер, видеокамера, различные датчики. К устройствам вывода – дисплей, принтер, плоттер, акустические системы, различныеисполнительныемеханизмы.

Устройства хранения (внешняя память) вместе с устройствами ввода/вывода можно объединить общим понятием периферийные устройства.

Существует еще большой класс коммуникационных устройств, предназначенных для передачи информации между компьютерами и (или) их частями. Эти устройства обеспечивают, например, соединение компьютеров в локальные сети (с помощью сетевой карты) или подключение компьютера к сети Интернет (через телефонную линию с помощью модема).