1.3 Структура и принцип действия ЭВМ

Чтобы понять принцип действия компьютера, остановимся подробнее на наиболее распространенной и простой структуре персонального компьютера, или ПЭВМ. Основное отличие персонального компьютера от больших машин, или так называемых мэйнфреймов, состоит в том, что он позволяет одновременно использовать его ресурсы только одному пользователю. Казалось бы, такой компьютер должен работать исключительно в однопрограммном режиме, т. е. выполнять одну текущую программу, но это не так. Он 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 их ресурсами (т. е. аппаратными и программными средствами) могут пользоваться несколько пользователей одновременно [1].

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 коды как отдельных команд (программа), так и данных. Однако технологический прогресс привел к объединению нескольких узлов и устройств в одной микросхеме [1].

Упрощенная структура компьютера (рис. 1.6) состоит из следующих основных узлов: арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), управляющее устройство (УУ), устройство ввода данных в машину (УВв) и устройство вывода результатов проведенных расчетов (УВыв). Именно такую «пятиблочную» структуру имели вычислительные машины первого поколения. Помимо перечисленных узлов любой компьютер имеет пульт ручного управления, предназначенный для включения машины и слежения за правильностью ее работы.

Рис. 1.6 – Обобщённая (упрощенная) структура ЭВМ фон Неймана

АЛУ с соответствующими схемами управления теперь принято называть процессором, схемы для управления и подключения периферийных устройств – контроллерами и адаптерами, а передача информации между блоками компьютера осуществляется по шинам интерфейса. 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.

Оперативное запоминающее устройство, или оперативная память, хранит коды машинных слов (команд и данных) в своих ячейках. Эти ячейки нумеруются, а номер ячейки называется 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 внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). 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 после окончания обработки. Точно так же информация из ВЗУ, прежде чем принять участие в обработке, должна быть предварительно переписана в ОЗУ.

Устройство управления служит для автоматического управления вычислительным процессом; оно формирует сигналы управления на все устройства компьютера, преобразуя команды программы в управляющие сигналы. Если узел управления совмещен с АЛУ, то такое объединенное устройство называют центральным процессором (ЦП). Он связан с основной памятью (ОП), состоящей из ОЗУ и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), или постоянной памяти, предназначенной для хранения программ ввода-вывода, и различными устройствами ввода и вывода (или периферийными устройствами) посредством шины (рис. 1.7), называемой часто общей шиной (ОШ).

Рис. 1.7 – Открытая архитектура компьютера с общей системной шиной

Такая общая шина состоит из нескольких «подшин»: адреса, данных, управления. Мы будем их называть просто шинами. В персональных машинах для экономии места на системной плате (т. е. плате, на которой расположены 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.

Помимо ЦП и ОП компьютер содержит множество периферийных (или внешних) устройств, предназначенных для связи с внешним миром (человеком, объектами управления и т. п.). Эти устройства подключаются к ОШ с помощью контроллеров, адаптеров, шинных мостов и т. п. (см. гл. 3).