3.6. Принципы функционирования персонального компьютера

Основные принципы организации электронных вычислительных машин были заложены Дж. Фон Нейманом:

1. Принцип двойного кодирования. Электронные машины должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2. Принцип программного управления. Электронная машина выполняет вычисления по программе. Программа состоит из набора команд, которые выполняются автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3. Принцип хранимой программы. В процессе решения задачи программа должна размещаться в запоминающем устройстве машины, обладающем высокой скоростью выборки и записи.

4. Принцип однотипности представления чисел и команд. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны.

5. Принцип иерархичности памяти. Сложность реализации единого емкого быстродействующего запоминающего устройства требует иерархического построения памяти. По меньшей мере, должно быть два уровня иерархии: основная память и внешняя.

6. Принцип адресности основной памяти. Основная память должна состоять из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна программе в любой момент времени по ее двоичному адресу.

Процессор и основная память являются центральными устройствами компьютера, поскольку именно на их основе реализуется принцип программного управления. Все остальные устройства компьютера считаются внешними, или периферийными.

Внешние устройства компьютера - устройства, обеспечивающие ввод и вывод данных из основных устройств компьютера (устройства ввода-вывода) и долговременное хранение информации, не обрабатываемой процессором в данный момент времени (внешние запоминающие устройства).

В одном компьютере может использоваться до нескольких сотен внешних устройств разного типа. Состав устройств ввода-вывода может изменяться в зависимости от классов задач, решаемых на компьютере.

Производительность и эффективность использования компьютера определяются не только составом и характеристиками ее устройств, но и способом организации их совместной работы. Связь между устройствами компьютера осуществляется с помощью сопряжений, которые называются интерфейсами.

Интерфейс представляет собой совокупность стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информацией (сигналами) между устройствами. Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу информации в виде сигналов между устройствами независимо от их особенностей.

Основной, центральной частью компьютера является процессор, объединяющий арифметико-логическое устройство и устройство управления в единое целое. У современных компьютеров значительно расширились номенклатура и число подключаемых устройств ввода-вывода; запоминающее устройство приняло иерархический вид за счет сверхоперативной кэш-памяти и разнообразных внешних накопителей.

Появился термин "аппаратная платформа" для классов и типов ЭВМ. Под этим термином стали понимать совокупность технических средств, определяющих среду функционирования конкретных программ обработки данных. В основу аппаратной платформы были положены совокупность интерфейсной системы передачи данных и тип используемого процессора.

Термин "архитектура ЭВМ" приобрел новое звучание применительно к современным компьютерам.

Архитектура компьютера - это совокупность основных устройств, узлов и блоков, а также структура основных информационных и управляющих связей между ними, обеспечивающая выполнение заданных функций; структура базового программного обеспечения, а также сочетание аппаратного и базового программного обеспечения, поддерживающее объединение компьютеров в сети.

Принципом построения и функционирования современных компьютеров различных классов является программное управление, в основе которого находится представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

В общем случае алгоритм определяется как порядок выполнения операций над данными с целью получения конечного результата либо как конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций. Одна и та же задача может быть реализована по различным алгоритмам, в то же время для реализации одного и того же алгоритма могут использоваться различные программы, учитывающие особенности архитектуры компьютера.

При решении задачи вся информация должна быть доступна процессору и располагаться в оперативной памяти. Для современных ЭВМ принята байтовая структура памяти, т.е. все ее пространство условно разбивается на ячейки по 1 байту. Байты виртуально нумеруются, и к ним по адресам памяти обращается центральный процессор. Передача данных между внутренней памятью и центральным процессором осуществляется словами.

Исходя из предложенного Дж. Фон Нейманом иерархического принципа памяти, в современных компьютерах память по назначению, методам использования и параметрам подразделяется на оперативную, постоянную, внешнюю сменяемую, внешнюю несменяемую, процессорную.

Для четкого понимания принципа программного управления работой отметим, что это управление "внутри машины" реализуется благодаря взаимодействию двух блоков: центрального процессора и внутренней памяти. Внутренняя память предназначается для кратковременного хранения программ и обрабатываемых данных. Она содержит данные (числа и символы), подлежащие обработке, промежуточные и окончательные результаты. Часть оперативной памяти может выступать как буфер для хранения отдельных параметров внешних устройств машины.

Устройство управления, являющееся составной частью центрального процессора, обеспечивает автоматическое выполнение программы путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ. Устройство управления, считывая очередную команду, расшифровывает ее, определяет перечень необходимых компонентов для ее выполнения, загружает их из памяти и реализует. При этом каждая команда под воздействием сигналов устройства управления выполняется в цикле, рис. 3.5.

Программное управление осуществляется в несколько этапов:

1. Формирование адреса очередной команды. Адрес первой команды программы находится вне цикла специальным способом.

2. Нахождение и выборка из оперативной памяти команды, расшифровка ее содержания.

3. Поиск в оперативной памяти и чтение из нее необходимых данных.

4. Выполнение команды.