Чем состоит принцип действия компьютеров. Принципы работы компьютера
Компьютер представляет собой устройство, способное исполнять четко определенную последовательность операций, предписанную программой.
Понятие «компьютер» является более широким, чем понятие «электронно-вычислительная машина» (ЭВМ), поскольку в последнем акцент делается на вычисления. Персональный компьютер (ПК) отличается тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающегр персонала и не отводя под него специального зала с устройства для поддержания климата, мощной системой элек-тропитанйя и прочими атрибутами больших вычислительных машин. Этот компьютер обычно ориентирован на интерактивное взаимодействие с одним пользователем (в играх иногда и с двумя), причем взаимодействие происходит через множество сред общения, от алфавитно-цифрового и графического диалога с помощью дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности, в которой пока не задействованы, наверное, только запахи.
Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Моррисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них построено в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 Г.Джон фон Нейман:
Прежде всего компьютер должен иметь следующие устройства:
Арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;
Запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;
Внешние устройства для ввода/вывода информации.
Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываться данные либо инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть легко доступны для других устройств компьютера.
Связи между устройствами компьютера представлены на рис. 1.1 (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные - информационные).
Рис. 2.1. Схема компьютера по Нейману
В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логарифмических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.
Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и та Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать цикл), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.
Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода/вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешнее устройство компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.
Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметико-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в одно устройство - центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Тем не менее большинство современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.
Персональные компьютеры, совместимые с IBM PC, делятся на несколько поколений (или классов) со следующими характерными особенностями:
IBM PC первой модели имел процессор Intel-8088, адресуемую память 1 Мбайт, шину расширения ISA (8 бит), накопители на гибких дисках (НГМД) до 360 Кбайт.
IBM PC/XT (Extended Technology - расширенная технология) - появились винчестеры - накопители на жестких дисках (НЖМД) и возможность установки математического сопроцессора Intel-8087.
IBM PC/AT (Advanced Technology - прогрессивная или «продвинутая» технология): процессор Intel-80286/80287, адресуемая память 16 Мбайт, шина ISA 16 бит, НГМД 1,2 и 1,44 Мбайт, НЖМД.
B настрящее время класс машин AT развивается в нескольких направлениях: 16-разрядный процессор заменен на 32-разрядный (386 и старше), память адресуется в пространстве нескольких десятков Гбайт, применяются более эффективные шины расширения (EISА, VLB, PCI) с сохранением ISA 16 бит как дешевой щины для обеспечения совместимости со старыми адаптерами, расширяется состав устройств, имеющих системную поддержку на уровне BIOS.
Компьютеры IBM имеют открытую архитектуру и собираются из набора устройств, позволяющих комбинировать множество вариантов. В отличие от них компьютеры Macintosh фирмы Apple поставляются в хорошо закрытом корпусе и практически нет возможности что либо изменить в них.
Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей (блоков):
Системного блока;
Клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;
Монитора (или дисплея) - для отображения текстовой иди графической информации.
Компьютеры выпускаются и в портативном варианте - в «наколенном » (лэптор), или «блокнотном» (ноутбук) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус.
Системный блок является в компьютере «главным». В нем распрлагаются все основные узлы компьютера:
Электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д.
Блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный; ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
Накопители (или дисководы), используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты), CD, DVD;
Накопитель нз жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).
Дополнительные устройства: к системному блоку компьютера IBM PC можно подключить различные устройства ввода/вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности. Многие устройства подсоединяются через специальные гнезда (разъемы).
Кроме монитора и клавиатуры, такими устройствами являются:
Принтер - для вывода на печать текстовой и графической информации;
Мышь - устройство, облегчающее ввод информации в компьютер;
Джойстик -(для компьютерных игр).
Подключение этих устройств выполняется с помощью специальных проводов (кабелей). Для защиты от ошибок разъемы для кабелей сделаны разными. Некоторые кабели (например, для соединения монитора или принтера) закрепляются с помощью винтов.
Устройства могут вставляться внутрь системного блока компьютера, например:
Модем - для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть;
Факс-модем - сочетает возможности модема и телефакса.
Некоторые устройства, например многие разновидности сканеров, используют смешанный способ подключения: в системный блок компьютера вставляется только электронная плата (контроллер), управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется к этой плате кабелем.
Логическое устройство компьютера – процессор , выполняющий все вычисления и обработку информации. В компьютерах типа IBM PC используются процессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними процессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.).
В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений к основному процессору добавляют математический сопроцессор . Он помогает основному процессору производить математические операции над вещественными числами. Сейчас микропроцессоры фирмы Intel сами выполняют эти операции, так что для них сопроцессор не требуется.
Следующим очень важным элементом компьютера является оперативная память . Именно из нее про цессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки; в нее они записывают полученные результаты. Назва ние «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиесяв ней данные сохраняются, только пока компьютер включен.
Для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом/выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются два промежуточных звена:
1. Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером . Некоторые контроллеры (например, контроллеры дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.
2. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую обычно называют шиной .
Для упрощения подключения устройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей - электронных плат . На основной плате компьютера - системной (материнской) обычно располагаются основной процессор, сопроцессор, оперативная память, шины. Схемы, управляющие некоторыми внешними и дополнительными устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры), находятся на отдельных платах, вставляющихся в унифицированные разъемы (слоты ) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере - шине. Таким образом, наличие свободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств. Чтобы заменить одно устройство другим, надо вынуть соответствующую плату из разъема и вставить вместо нее другую.
Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода/вывода . Эти порты бывают следующих типов:
Параллельные (обозначаемые LPT1 - LPT4), к ним обыкновенно подключаются принтеры;
Асинхронные последовательные (обозначаемые СОМ1 - COM3). Через них обычно подсоединяются мышь, модем и т.д.;
Игровой порт - для подключения джойстика. Некоторые устройства могут подключаться и к параллельным, и к последовательным портам. Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большей скоростью, чем последовательные (за счет использования большого числа проводов в кабеле).
Комплектующие элементы IBM продаются в виде отдельных устройств. Преимущество такой поставки заключается в возможности создавать конфигурацию системы в соответствии со своими потребностями. Обычно предпочтительными оказываются варианты конфигурации, обеспечивающие большую гибкость системы.
Наиболее важные компоненты и параметры, определяющие достоинства системы IBM . К ним относятся следующие компоненты:
Микропроцессор (процессор);
Тактовая частота;
Объем памяти и скорость обращения к ней;
Объем памяти жесткого диска и скорость записи/считывания
Быстродействие является самым существенным параметром при использовании компьютера в «медленных» процессах, к которым относится издательская обработка текста. Такие операции, как «выключка» строк, размещение текста на странице, осуществление режима для совместного представления текста и графических изображений, требуют значительных затрат времени даже в лучших современных машинах.
Соответствующая организация управления работой процессора позволяет решать сразу несколько задач или обслуживать несколько пользователей. Распределение времени и ресурсов процессора между пользователями осуществляет операционная система.
Любой компьютер (большая ЭВМ, мини-ЭВМ, персональный компьютер) может быть представлен состоящим из следующих основных блоков:
устройство управления (УУ). Организует процесс выполнения программ;
арифметическо-логическое устройство (АЛУ). Обеспечивает выполнение арифметических и логических операций. В современных персональных компьютерах УУ и АЛУ объединены в один блок, который называется процессором;
запоминающее устройство. Обеспечивает запоминание и хранение данных в компьютере;
устройства ввода и вывода информации (клавиатура, мониторы, принтеры и др.).
Взаимодействие этих устройств обеспечивает выполнение всех функций компьютера.
1.2. Представление информации в компьютере
Компьютер обрабатывает только информацию, представленную в двоичной цифровой форме, вне зависимости от того, какой вид был у исходных данных: был ли это текст, или изображения, или звук. При вводе в компьютер данные кодируются и в компьютере представляются в двоичной системе счисления в виде нулей и единиц. Единицей информации в компьютере является бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать только одно из двух значений: 0 или 1, это минимальная информация, которая может существовать в природе. Минимальной "значимой" единицей информации, соответствующей символу, является байт - восемь последовательных неразрывных битов. В одном байте можно закодировать один из 256-ти символов (латинский, греческий и русский алфавиты, различные служебные символы и т.д.). Более крупными единицами информации являются килобайт (1024 байтов), мегабайт (1024 килобайт), гигабайт (1024 мегабайт).
В дальнейшем мы будем говорить о персональных компьютерах IBM PC совместимых с ними, как наиболее распространенных в музеях страны.
2. Устройство персонального компьютера
Конструктивно персональный компьютер IBM PC состоит из следующих основных блоков:
системный блок;
группа устройств внешней памяти (накопители на магнитных, магнитооптических, оптических дисках, стриммеры для архивации данных на ленте и др.);
группа устройств ввода и вывода, которые могут включать:
клавиатуру - для ввода символов;
мышку, джойстик - устройства, облегчающие ввод и манипулирование данными;
монитор (или дисплей) - для представления на экране текстовой и графической информации;
принтер - для вывода на печать текстов или изображений;
сканеры - для ввода изображений;
устройства для подключения в сеть (например, модемы), а также и некоторые другие устройства.
Приведенная классификация носит нестрогий, иллюстративный характер.
2.1. Системный блок
Основными элементами системного блока являются:
Микропроцессор, небольшая электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Основная характеристика микропроцессора: тип модели - тип и тактовая частота. Большинство современных компьютеров используют процессоры Intel Celeron или Pentium, тактовая частота у которых до 1200 мегагерц и выше (чем выше тактовая частота, тем быстрее работает процессор).
Сопроцессор. Это дополнительное вычислительное устройство, предназначенное для ускорения вычислений, которое бывает весьма важно при обработке изображений.
Оперативная память. Принцип разделения на "оперативную" и "внешнюю" память базируется на чисто экономических соображениях: оперативная память - быстрая, но дорогая, внешняя - дешевая, но медленная. Особенностью оперативной памяти является то, что данные хранятся в ней только в течение того времени, когда компьютер включен. Если к моменту выключения компьютера данные не перенести из оперативной памяти на внешние носители, эти данные будут утеряны. Оперативную память обычно обозначают RAM (Random Acsess Memory). В современных компьютерах устанавливают обычно RAM не менее 256 мегабайт.
Шина, или системная магистраль, которая связывает различные элементы внутри компьютера и обеспечивает передачу данных между ними. В зависимости от функционального назначения выделяются: шина данных, адресная шина, шина управления. В зависимости от типа и назначения компьютера устанавливаются шины различного типа.
Все эти четыре элемента располагаются как правило на конструктивном элементе, который называется материнской платой.
Контроллеры. Это устройства, предназначенные для согласования работы отдельных узлов компьютера: процессора, оперативной памяти, дисководов, клавиатуры и других устройств.
Конструктивно основные элементы системного блока и устройства памяти помещаются в корпусе компьютера. Кроме того, в корпусе помещается блок питания, кабельная сеть и некоторые вспомогательные элементы.
Принцип работы компьютера
Сведения, приведенные в этом разделе, при повседневной работе с компьютером могут не понадобиться. Однако общее представление о принципе действия компьютера иметь необходимо – это может помочь при решении некоторых внезапных проблем.
«Сердцем» компьютера без преувеличения является процессор. Его часто обозначают английской аббревиатурой CPU, то есть Central Processor Unit. Процессор – очень сложное устройство, основная функция которого – выполнение программ.
Каждый тип процессора имеет свою систему команд. Процессору передаются специальные числовые последовательности, которые в соответствии с его внутренней таблицей интерпретируются им как определенные команды. Например, в системе команд процессора PDP-11 двоичное число 0110000001000000 означает «сложить число, находящееся в регистре № 1 с числом из регистра № 0 и результат поместить в регистр № 0» (регистры – специальная область процессора для хранения временных данных). В других системах команд то же самое число может интерпретироваться совершенно по-другому или вообще не означать никакой команды. Любая программа поступает в процессор в виде таких двоичных команд, поэтому программу, написанную для одного типа процессора, процессор с другой системой команд исполнить не сможет.
Еще одной важнейшей частью компьютера является запоминающее устройство, или память. Запоминающие устройства можно условно разделить на две категории:
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство (в нем хранятся неизменяемые данные);
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (используется для записи и чтения данных).
В ОЗУ могут записываться, например, результаты работы программы для последующего их вывода на какое-либо внешнее устройство. В ПЗУ данные хранятся «вечно», записанные в ОЗУ – безвозвратно теряются при выключении электропитания.
В популярной сегодня английской терминологии ПЗУ называется ROM (ReadOnly Memory), а ОЗУ – RAM (Random Access Memory). В некоторых случаях может использоваться также особый тип памяти, информация из которой не уничтожается при выключении питания, как в ПЗУ, и при этом есть возможность программной записи данных в эту память (как в ОЗУ, только медленнее). Такой тип памяти ранее почти не использовался, но в последние годы получил широкое распространение. Его называют Flash-памятью.
Чтобы процессор мог ориентироваться «на просторах» запоминающего устройства, вся память разделена на ячейки. Каждая ячейка имеет свой уникальный адрес, записанный в виде чисел. Обычно память организована в виде матрицы, и для обращения к ячейке памяти процессор должен задать номер ее столбца и строки. Этим управляют системные сигналы CAS и RAS.
Перед запуском любая программа должна быть целиком или частично загружена с внешнего устройства в оперативную память. Процессор в определенной последовательности считывает из оперативной памяти команды и исполняет их. Для этого в нем имеется специальный регистр – счетчик команд, который всегда содержит адрес ячейки памяти, где расположена команда, которая будет исполняться следующей. Перед началом работы программы этот регистр содержит адрес ячейки памяти, в которую загружена первая команда программы, а во время исполнения каждой команды содержимое счетчика команд автоматически увеличивается до исполнения очередной операции.
Приведенная схема поверхностно описывает процесс выполнения программы. Современные процессоры способны начинать исполнение новой команды до завершения предыдущей, инициировать исполнение нескольких команд сразу и т. п. Но общий принцип остается прежним.
Чтобы «общаться» с человеком, компьютеру необходимы устройства для ввода и вывода информации. В качестве основного устройства ввода сейчас применяется клавиатура с буквенно-цифровыми и управляющими клавишами. Каждая клавиша передает в компьютер уникальный двоичный код, а специальная программа, которая обычно записана в ПЗУ компьютера, преобразует эти коды в вид, приемлемый для использования в программах. Результат работы программы выводится на экран монитора.
Почти всегда результат работы требуется сохранить, чтобы иметь возможность вернуться к нему в другой раз. Для этого, а также для записи самих текстов программ (программного кода) предназначены внешние накопители информации. Сейчас с этой целью, как правило, используются накопители на гибких и жестких магнитных дисках, а также лазерные оптические диски.
Теперь вы имеете представление о принципе работы компьютера и пора перейти к подробному описанию его составляющих. Напомню, что в зависимости от аппаратной платформы и компании-производителя расположение некоторых деталей компьютера может отличаться. Поэтому будем считать, что у пользователя имеется PC в стандартном вертикальном корпусе, таком, как MidiTower.
Из книги Skype: бесплатные звонки через Интернет. Начали! автора Гольцман Виктор ИосифовичПринцип работы Как осуществляется передача голоса через Интернет? Технология интернет-телефонии преобразует звук человеческого голоса в поток цифровых сигналов, которые совершают движение по Всемирной сети.В результате он поступает к вашему собеседнику, и уже на его
Из книги Защита вашего компьютера автора Яремчук Сергей Акимович2.1. Принцип работы антивируса Пользователь часто может сам обнаружить присутствие вируса на компьютере. Например, о заражении системы почтовым червем Email-Worm.Win32.NetSky.b можно судить по возрастанию загрузки процессора до 90 % и активной работе жесткого диска (в результате
Из книги ArCon. Дизайн интерьеров и архитектурное моделирование для всех автора Кидрук Максим ИвановичПринцип работы Впервые прототип нового типа системы отражения атак был представлен общественности в феврале 2004 года и назывался Prevx Home. Уникального в представленной системе было много. В отличие от антивирусных систем, использующих для определения злонамеренных файлов
Из книги Интернет. Новые возможности. Трюки и эффекты автора Баловсяк Надежда ВасильевнаОбщий принцип работы с программой Выше было отмечено, что весь принцип работы (проектирования и моделирования) с программой ArCon построен на объектно-ориентированном подходе. Попробуем разобраться, что именно подразумевается под таким
Из книги Сетевые средства Linux автора Смит Родерик В.Принцип работы подкастинга Подкастинг чем-то напоминает интернет-радио, но в отличие от этого сетевого сервиса подкасты размещаются на компьютере пользователя в виде отдельных файлов, после чего их можно записывать на MP3-плеер и слушать в любое удобное время. Подкастинг
Из книги Интернет – легко и просто! автора Александров ЕгорПринцип работы протокола NNTP Современные серверы новостей используют для обмена между собой и для взаимодействия с клиентами протокол NNTP (Network News Transfer Protocol - протокол передачи сетевых новостей). Как правило, серверы NNTP используют порт 119. Следует заметить, что
Из книги Как найти и скачать в Интернете любые файлы автора Райтман М. А.Принцип работы Прежде чем пускаться в перипетии электронной переписки, желательно хотя бы поверхностно знать устройство инструмента, именуемого электронной почтой.Ведь согласитесь, не очень комфортно путешествовать на автомобиле, совершенно не зная, что творится у
Из книги Интерактивные доски и их использование в учебном процессе автора Горюнова М. А.Принцип работы Идея работы ICQ, довольно простая. При установке специальной программы (кстати говоря, бесплатной) вам присваивается UIN (Unique Identification Number – уникальный идентификационный номер). Это что-то вроде вашего адреса или номера телефона, который можно раздавать своим
Из книги Раскрутка: секреты эффективного продвижения сайтов автора Евдокимов Николай СеменовичПринцип работы программы-клиента DC++ Как уже упоминалось ранее, программа DC++ - это клиент для файлообменных сетей Direct Connect.Сеть Direct Connect - это пиринговая децентрализованная сеть, состоящая из отдельных серверов (хабов), к которым подключаются компьютеры пользователей для
Из книги Linux глазами хакера автора Флёнов Михаил ЕвгеньевичПринцип работы с инструментами интерактивной доски Как и у большинства интерактивных досок, программное обеспечение Flow!Works имеет графический интерфейс, интуитивно понятный пользователю за счет продуманных зрительных образов инструментов.Чтобы воспользоваться
Из книги Восстановление данных на 100% автора Ташков Петр АндреевичПринцип работы трафикового модуля В автоматизированном привлечении трафика задействуются следующие инструменты: подборщик слов для семантического ядра, система внутренней оптимизации, специальные каскады фильтров для закупки и съема ссылок с учетом сбора трафика,
Из книги Linux и UNIX: программирование в shell. Руководство разработчика. автора Тейнсли Дэвид4.7.1. Принцип работы Итак, давайте рассмотрим принцип работы защиты служб. Для этого создается директория, которая является для программы корневой. В Linux для этого существует команда chroot, которая создает chroot-окружение. Получается псевдокорневая файловая система внутри
Из книги Разработка ядра Linux автора Лав РобертПринцип работы и устройство flash-памяти В основе любой flash-памяти лежит кристалл кремния, на котором сформированы не совсем обычные полевые транзисторы. У такого транзистора есть два изолированных затвора: управляющий (control) и плавающий (floating). Последний способен
Из книги автораПринцип работы SIM-карты Основная функция карты – безопасная идентификация телефона в сети, а хранение данных, например списка телефонных номеров или записной книжки, является лишь побочной и второстепенной функцией. SIM-карта является микрокомпьютером на базе
Из книги автора20.2.2. Принцип работы команды getopts Команда getopts считывает строку строка_параметров. При этом она выбирает корректные опции, которые могут быть применены в сценарии.Команда getopts разыскивает все аргументы, начинающиеся дефисом, и определяет значения всех опций. Затем
Из книги автораПринцип работы и реализация Компьютеры - это предсказуемые устройства. Действительно, трудно найти случайное поведение в системе, поведение которой можно практически полностью программировать. Однако окружающая среда, где находится машина, полна различных шумов,
Чтобы понять принципы действия компьютера, вначале остановимся подробнее на наиболее распространенной и более простой структуре персонального компьютера, или ПЭВМ. Основное отличие персонального компьютера от больших машин, или так называемых мэйнфреймов состоит в том, что он позволяет одновременно пользоваться его ресурсами только одному пользователю. Казалось бы, что такой компьютер должен работать исключительно в однопрограммном режиме, т.е. выполнять одну текущую программу, но это не так. Такой компьютер может выполнять одновременно несколько программ – обработки, вывода результатов, загрузки, поиска информации в сети и т.д. Кроме того, многие «персональные» машины используются в качестве серверов в сети и перестали предоставлять свои ресурсы (т.е. аппаратные и программные средства) исключительно одному пользователю; ресурсами таких серверов могут пользоваться несколько пользователей одновременно.
Структура самого компьютера за все время существования машин изменилась незначительно. Она по-прежнему строится на основе модели фон-Неймана , во всяком случае, ее основная память состоит из отдельных ячеек с последовательными номерами (или «адресами»), в которых могут храниться как коды отдельных команд (программа), так и данных. Однако технологический прогресс привел к объединению нескольких узлов и устройств в одной микросхеме.
Цикл работы компьютера
Упрощенная структура компьютера приведена на рисунке 1.1. Она состоит из следующих пяти основных узлов: арифметико-логического устройства (АЛУ), оперативной памяти (ОЗУ), управляющего устройства (УУ), устройства ввода данных в машину (УВв) и устройства вывода результатов проведенных расчетов (УВыв). [Такую структуру имели первые вычислительные машины, нередко называемые машинами первого поколения.]
Помимо перечисленных узлов любой компьютер имеет пульт ручного управления, предназначенный для включения машины и слежения за правильностью ее работы. [Теперь принято называть арифметико-логическое устройство с соответствующими схемами управления процессором , схемы для управления и подключения периферийных устройств – контроллерами и адаптерами, а передача информации между блоками компьютера осуществляется по шинам интерфейса.]
Устройство управления
Устройство ввода
Устройство вывода
Оперативное
запоминающее
устройство
Арифметико-логическое
устройство
Рисунок 1.1 Упрощенная структура компьютера
Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций над машинными словами, т.е. кодами, находящимися в памяти и поступающими в АЛУ для обработки. Кроме того, оно выполняет различные операции по управлению вычислениями.
Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство хранит коды машинных слов (команд и данных) в своих «ячейках». Эти ячейки нумеруются, а номер ячейки называют адресом . [В памяти компьютера, как правило, находятся только команды и данные.] Машина использует хранимую в ОЗУ информацию для организации вычислительного процесса. Информация попадает в ОЗУ из устройства ввода или из внешней памяти (на рисунке не показана). Внешняя память позволяет хранить большие объемы информации, но обладает меньшим быстродействием по сравнению с ОЗУ. В течение всего процесса обработки информация поступает в АЛУ только из ОЗУ, а результаты выполнения программы выдаются на устройство вывода только после окончания обработки. Точно также, информация из внешней памяти (ВЗУ) прежде, чем принять участие в обработке, должна предварительно быть переписана в ОЗУ.
Устройство управления (УУ) служит для автоматического управления вычислительным процессом; оно формирует сигналы управления на все устройства компьютера, преобразуя команды программы в управляющие сигналы. Как уже отмечалось, если узел управления совмещен с АЛУ, то такое объединенное устройство часто называют центральным процессором (ЦП или просто процессором). Он связан с основной памятью (ОП), состоящей из ОЗУ и постоянной памяти, предназначенной для хранения программ ввода/вывода, и различными устройствами ввода и вывода (или периферийными устройствами) посредством шины (называемой часто «общей шиной», или ОШ), см. рисунок 1.2. Такая общая шина состоит из нескольких «подшин»: адреса, данных и управления. Мы часто будем их называть просто шинами. Причем в персональных машинах для экономии места на системной плате (т.е. плате, на которой расположен процессор, память и разъемы для подключения периферийных устройств) шины адреса и данных иногда выполняют в виде одной разделяемой во времени шины; тогда адрес и данные по ней передаются только поочередно.
Рисунок 1.2 Центральная часть машины
Помимо ЦП и ОП, компьютер содержит множество других устройств, предназначенных для связи с внешним миром (человеком, объектами управления и т.п.). Как уже указывалось, эти устройства называются периферийными (или внешними) и подключаются к ОШ с помощью контроллеров, адаптеров, шинных мостов и т.п.
В персональном компьютере (а в последнее время и в компьютерах других типов) основная память состоит из двух частей – постоянной (ПЗУ) и оперативной (ОЗУ). В очень небольшой по современным понятиям [она достигает нескольких мегабайт] постоянной памяти хранится программа начальной загрузки, называемая BIOS (Basic Input-Output System). Эта информация «зашита» в памяти, т.е. хранится постоянно. Оперативная память в момент включения компьютера не содержит никакой информации. При его включении на все блоки подается сигнал установки в исходное «нулевое» состояние; затем начинают формироваться тактовые импульсы, и компьютер начинает работать.
Чтобы понять, как работает компьютер, нужно знать из каких элементов он состоит, т.е. что такое триггер, счетчик, регистр, логическая схема и т.п. Подробнее о работе всех этих компонентов можно узнать из последующих разделов книги. Здесь же дадим только основное представление об этих компонентах. Триггер представляет собой электронную схему, которая может находиться в одном из двух устойчивых состояний «0» и «1». Внешними сигналами можно переводить триггер из одного состояния в другое. Регистр – это несколько определенным образом соединенных триггеров, т.е. можно записать двоичное слово в регистр, прочитать его, сдвинуть, инвертировать. Счетчик позволяет определить число поступивших на него сигналов. Он строится также на основе триггеров. Логическая схема реализует определенную логическую функцию, т.е. формирует выходной сигнал при определенных комбинациях сигналов на ее входах.
Теперь продолжим рассмотрение работы простейшего компьютера. Содержимое счетчика команд (СчК; его называют также IP – instruction pointer) процессора передается по адресной шине на регистр адреса (РгА) основной памяти (рисунок 1.3). В момент включения компьютера в счетчике команд всегда находится один и тот же начальный адрес. Таким образом, запрашивается содержимое ячейки памяти с этим начальным адресом, принадлежащим BIOS. Как правило, эта ячейка содержит код команды безусловного перехода, служащей для изменения содержимого счетчика команд. Содержимое ячейки, т.е. код этой команды передается на регистр команд (РгК) процессора по шине данных ОШ. Содержимое ячейки памяти поступает на РгК, поскольку «запрос» к памяти произведен из счетчика команд ; это обязательное требование для любого компьютера традиционной архитектуры.
Регистр РгК процессора в свою очередь состоит из нескольких регистров – регистра кода операции (РгКОП) и регистров адресов процессора (РгАП). Часть слова (содержимого ячейки ОП, к которой произведено обращение), попавшая в регистр кода операции, передается в блок управления (БУ), вырабатывающий последовательность управляющих сигналов.
Когда выполняется команда безусловного перехода, вторая «адресная» часть слова, попавшая в один из регистров адреса процессора, под управлением сигналов с БУ передается вновь на счетчик команд. Эта команда одноадресная – т.е. ее «адресная» часть содержит только один адрес. На этом и завершается ее выполнение. БУ формирует сигнал об окончании выполнения команды, а содержимое СчК вновь передается на РгА памяти, т.е. происходит запрос следующей команды.
Р
РгКОП РгАП
гКРисунок 1.3 Передача команд из ОП в ЦП
Таким образом, процедура обращения к памяти повторяется. Содержимое ячейки памяти, к которой произведено повторное обращение, рассматривается в качестве новой команды, т.е. вновь загружается на РгК процессора. Обычно вторая команда служит для начала загрузки ОЗУ с магнитного диска; она уже не является командой безусловного перехода. При выполнении этой команды под управлением кода операции (часть команды, попавшая на РгКОП) вырабатываются иные управляющие сигналы, а содержимое первого регистра РгАП, представляющего собой часть РгК, передается на адресный регистр памяти и рассматривается в качестве адреса первого операнда.
Для ОЗУ безразлично, откуда пришел запрос – из счетчика команд или из адресного регистра, поэтому в регистре данных памяти слово формируется так же, как и раньше. Однако, поскольку «запрос» этого слова поступил из адресного регистра РгАП, то в процессоре оно помещается на первый регистр данных арифметического устройства (АЛУ). Затем блок управления формирует аналогичные сигналы для передачи на РгА памяти содержимого второго РгАП; в результате содержимое ячейки памяти с адресом, находящимся в РгАП, поступает на второй регистр данных арифметического устройства.
Затем блок управления вырабатывает сигналы в зависимости от кода операции в РгКОП, подает их на АЛУ, которое выполняет соответствующую операцию, а ее результат помещает в выходной регистр-аккумулятор. После этого содержимое регистра-аккумулятора передается в ячейку памяти, адрес которой обычно находится в первом РгАП, т.е. выполняется еще одно обращение к ОП. Содержимое регистра-аккумулятора передается на шину данных, а адрес ячейки из РгАП – на адресную шину. [В зависимости от конструкции машины, числа адресов в выполняемой команде (адресности) и ряда других особенностей, содержимое регистра-аккумулятора может сохраняться в нем, передаваться в ячейку ОП по адресу, находящемуся в первом или втором РгАП.]
После сохранения содержимого регистра-аккумулятора к счетчику команд СчК добавляется длина текущей команды в байтах (часто говорят «единица»), чтобы обратиться к следующей ячейке памяти, и начинается новый цикл выполнения очередной команды.
Таким образом, выполнение программы происходит последовательно: каждый раз в машине реализуется лишь одна команда, попадающая в регистр команд из ОП. Но чтобы увеличить производительность компьютера, нужно либо повысить скорость выполнения команды, либо выполнять несколько последовательных команд одновременно. Повышение скорости выполнения команды связано с улучшением технических характеристик и увеличением быстродействия всех компонентов, входящих в компьютер – ЦП, ОП, шин интерфейсов, устройств ввода-вывода. Но увеличение скорости выполнения команды принципиально ограничено – скорость распространения сигналов в машине не может быть больше скорости света, а длина пути определяется числом вентилей и применяемой технологией. Второй путь, заключающийся в параллельном выполнении нескольких команд, наиболее перспективен. Однако и он обладает рядом ограничений, которые мы рассмотрим ниже.
Один из выдающихся математиков нашего столетия Джон фон Нейман разработал принципы построения логической системы вычислительной машины, способной использовать гибкую запоминаемую программу, которую можно было бы изменять, не перестраивая всей схемы машины. В соответствии спринципами фон Неймана для работы компьютера необходимы следующие устройства:
1) арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции (АЛУ);
2) устройство управления, которое организует процесс выполнения программ (УУ);
3) запоминающее устройство, или память, для хранения программ и данных (ЗУ);
4) внешние устройства для ввода-вывода информации(УВВ);
5) пульт управления (ПУ).
Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легкодоступны для других устройств компьютера (рис. 18).
В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для этих операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.
Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т. д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от определенных условий и т.д., т. е. создавать сложные программы.
Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.
Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления чаще всего объединены в единое устройство - центральный процессор. Кроме того, выполнение программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера, - прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Тем не менее большинство современных компьютеров соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.
Процессор, илимикропроцессор, является основным устройством ЭВМ и представляет собой функционально законченное устройство обработки информации. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессор использует собственную память небольшого объема, именуемую местной, или сверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ.
Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы. При выполнении программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.
Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоминающем устройстве -памяти ЭВМ, куда они вводятся через устройство ввода. Емкость памяти измеряется в величинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов. Функционально она делится на две части - внутреннюю и внешнюю.
Внутренняя, илиосновная, память - это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины.
Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память.
Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти содержимое постоянной заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы и данные, к примеру, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется. Как правило, эти данные не могут быть изменены, выполняемые на компьютере программы могут только их считывать. Такой вид памяти обычно называется ROM (read only memory - память только для чтения), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Поскольку большая часть этих программ связана с обслуживанием ввода-вывода, эту память называют ROM BIOS (Basic Input-Output System базовая система ввода-вывода).
Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется.
Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Часто для оперативной памяти используют обозначениеRAM(random access memory, т. е. память с произвольным доступом).
От количества установленной в компьютере оперативной памяти напрямую зависит, с какими программами можно на нем работать. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо вовсе не будут работать, либо станут работать крайне медленно.
Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.
Кроме обычной оперативной памяти и постоянной памяти в компьютере имеется также небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его часто называют CMOS-RAM, поскольку эта память обычно выполняется по технологии «CMOS», обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-RAM не изменяется при выключении электропитания компьютера. Эта память располагается на контролере периферии, для электропитания которого используются специальные аккумуляторы.
Для изменения параметров конфигурации компьютера вBIOSсодержится программа настройки конфигурации компьютера Setup. Аккумулятор снабжает электроэнергией и встроенные в компьютер часы (так называемые часы реального времени). Наличие этих часов позволяет не задавать текущее время при каждом включении компьютера.
Еще один вид памяти в IВМ РС-совместимых компьютерах это видеопамять, т. е. память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера - электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран монитора.
Внешняя память (ВЗУ)
предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые к тому же являются переносными. Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем ко внутренней.
Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных устройств компьютера (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и выполняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства (рис. 19).
ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования компьютера. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервирования информации.
Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода информации в машину и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с машиной. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти. Иногда устройства ввода-вывода называютпериферийными, иливнешними, устройствами. К ним относятся, в частности, дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы, печатающие устройства (принтеры), графопостроители, сканеры, звуковые колонки и др.
Монитор принимает изображение от системного блока. Его экран является рабочим полем. С помощьюклавиатуры в компьютер вводятся любой текст, символы, подаются команды и осуществляется управление работой компьютера.Мышь - средство управления курсором на экране монитора. (Все периферийные устройства ввода-вывода описаны в § 8.)
Для управления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устройствами, адаптеры или контроллеры. Системный интерфейс - это конструктивная часть компьютера, предназначенная для взаимодействия его устройств и обмена информацией между ними. В больших, средних и суперЭВМ в качестве системного интерфейса использовались сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода, именуемые каналами. Такие устройства обеспечивают высок
