Устройство ЭВМ. Принципы фон Неймана

В начале рассказа об устройстве ЭВМ полезно сравнить функционирование машины и информационной деятельностью человека. Составим таблицу соответствия блоков машины органам человека.

 

Информационные процессы человека и ЭВМ
Человек	Процесс	ЭВМ
Органы чувств	Сбор информации	Устройства ввода: клавиатура, мышь, сканер, микрофон,…
Память, книги, журналы	Накопление	Память внутренняя и внешняя
Мозг	Обработка	Процессор
Речь, письмо	Вывод информации	Устройства вывода: монитор, принтер, плоттер, наушники,…

 

В 1946 один из создателей первых ЭВМ Джон фон Неман изложил принципы построения ЭВМ, которые используются до сих пор:

1) Машина должна работать не в десятичной системе, как механические арифмометры, а в двоичной. Это означает, что программа и данные должны быть записаны в кодах двоичной системы, где каждое число или символ представляется определенной комбинацией нулей и единиц.

2) Программа, которая управляет последовательностью выполнения операций, должна храниться в памяти машины. Там же должны храниться исходные данные и промежуточные результаты.

3) Чтобы достаточно быстро можно было считать, память компьютера следует организовать по иерархическому принципу, то есть она должна состоять по крайней мере из двух частей: быстрой, но небольшой емкости (оперативной) и большой (и потому более медленной) внешней.

 

Согласно этим принципам можно изобразить блок-схему ЭВМ в виде рис.1.

Рис. 1

 

Кратко охарактеризуем каждый блок.

Процессор — устройство, обеспечивающее обработку данных по заданной программе. Он также организует обмен данными и командами между устройствами ЭВМ. Процессор умеет выполнять некоторый заданный набор операций по обработке данных и управления процессом этой обработки. Набор операций определяется конструкцией процессора. Процессор может выполнять обработку данных только при наличии заранее составленной программы. Программы и данные для ее выполнения хранятся в ОЗУ. Программы состоит из команд, которые содержат коды операций, информацию об операндах и о том, куда поместить результат.

Автоматическая работа процессора по заданной программе обеспечивается двумя основными устройствами, входящими в его состав: арифметико-логическим устройством (АЛУ) и устройством управления (УУ). При этом используются регистры (ячейки памяти внутри процессора, предназначенные для кратковременного хранения данных в процессе их обработки и быстрого доступа к ним).

Промежу­точные результаты сохраняются в РОН. Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора путем уменьшения времени его непроизводи­тельного простоя. УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т. е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

Основными характеристиками процессоров являются разрядность и быстродействие. Разрядность — это число одновременно обрабатываемых бит. Быстродействие — число выполняемых команд в секунду. Быстродействие связано с тактовой частотой, на которой работает процессор. Чем выше тактовая частота, тем выше и быстродействие.

На современных машинах типа IBM устанавливаются следующие типы процессоров:

Процессор	Год вып.	ШД	ША	Адресуемая память	Тактовая частота
				1 Мб	6 МГц
					4,7–10 МГц
					10–25 МГц
				4Гб	16–40 МГц
				4Гб	25–100 МГц
Pentium				4Гб	66–200 МГц
Pentium Pro				4Гб	166–250 МГц
Celeron				4Гб	–
Pentium II				4Гб	266–533 МГц
Pentium III				4Гб	533МГц–1.7 ГГц
Pentium IV				4Гб	До 2,7 ГГц

 

Процессор может комплектоваться сопроцессором, который может реализовывать разнообразные функции.

Программа — это набор команд (инструкций), составленный челове­ком и выполняемый ЭВМ. Команда обеспечивает выработку в УУ управ­ляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементар­ные операции.

Таким образом, программы состоят из команд, а при выполнении ко­манд процессор разбивает команды на элементарные операции.

Элементарными операциями для процессора являются арифметиче­ские и логические действия, перемещение данных между регистрами про­цессора, счет и т. д.

 

Основной функцией системной шины является передача информа­ции между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Системная шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода.

Сделаем образное сравнение работы системной шины с работой поч­ты. По шине данных пересылаются письма в места, адреса которых указаны на шине адреса. Шина управления следит, чтобы письма при движении не мешали друг другу и перемещались по очереди. Под письмами нужно пони­мать операнды (данные и команды), которыми обмениваются отдельные блоки ЭВМ.

 

Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обра­батываемых данных.

Существует несколько разновидностей памяти: оперативная, постоян­ная, внешняя, кэш, CMOS (КМОП), регистровая. Существование целой ие­рархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, энерго­зависимости, назначению, объему и стоимости. Многообразие видов памяти помогает снять противоречие между высокой стоимостью памяти одного вида и низким быстродействием памяти другого вида.

Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пере­счете на один байт имеет большую стоимость, чем память более низкого уровня.

Регистровая память — наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной). Она представляет собой несколько регистров общего назначения (РОН), которые размещены внутри процессора. Регистры ис­пользуются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет и т. д.

Наилучшим вариантом было бы размещение всей памяти на одном кристалле с процессором. Однако из-за существующих технологических сложностей изготовления памяти большого объема пришлось бы большое число микросхем отправить в брак.

Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие. В ЭВМ число запоминающих устройств с этим видом памяти может быть различным. В современных ЭВМ имеется два-три запоминающих устройства этого вида,

Кэш-память первого уровня располагается внутри процессора, а кэш­память второго уровня — вне процессора (на так называемой материнской плате).

В переводе с английского языка слово cache (кэш) означает «тайник», так как кэш-память недоступна для программиста (она автоматически ис­пользуется компьютером). Кэш-память используется для ускорения выпол­нения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память (и обратно). Работа кэш-памяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания новых данных и команд).

Этот вид памяти уменьшает противоречие между быстрым процессо­ром и относительно медленной оперативной памятью.

Кэш-память первого уровня, которая размещается на одном кристалле с процессором, принято обозначать символами L1. Кэш-память, которая распо­лагается на материнской плате (второй уровень), обозначается символами L2.

На структурной схеме показана только кэш-память L1.

Энергозависимая память CMOS (КМОП-память) служит для запоми­нания конфигурации данного компьютера (текущего времени, даты, выбран­ного системного диска и т. д.). Для непрерывной работы этого вида памяти на материнской плате ЭВМ устанавливают отдельный малогабаритный ак­кумулятор или батарею питания.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной (текущей) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычисли­тельных операций. Это значит, что процессор может выбрать из ОЗУ коман­ду или обрабатываемые данные (режим считывания) и после арифметиче­ской или логической обработки данных поместить полученный результат в ОЗУ (режим записи). Размещение новых данных в ОЗУ возможно на тех же местах (в тех же ячейках), где находились исходные данные. Понятно, что прежние команды (или данные) будут стерты.

ОЗУ используется для хранения программ, составляемых пользовате­лем, а также исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора.

В качестве запоминающих элементов в ОЗУ используются либо триг­геры (статическое ОЗУ), либо конденсаторы (динамическое ОЗУ).

ОЗУ — это энергозависимая память, поэтому при выключении пита­ния информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.

По быстродействию ОЗУ уступает кэш-памяти и тем более сверхопе­ративной памяти— РОН. Но стоимость ОЗУ значительно ниже стоимости упомянутых видов памяти.

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится инфор­мация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию состав­ляют тест-мониторные программы (они проверяют работоспособность ком­пьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие ра­ботой отдельных устройств ЭВМ, например клавиатурой) и др.

ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется даже при выключении электропитания.

Перспективным видом постоянной памяти является память с электри­ческим способом стирания и записи информации (FLASH-память), которая при острой необходимости позволяет перепрограммировать ПЗУ и тем са­мым оперативно улучшать характеристики ЭВМ.

 

Устройства ввода/вывода предназначены для ввода в память ЭВМ данных для обработки и вывода результатов для дальнейшего использования.

Современные ЭВМ строятся по магистрально-модульному принципу. Магистрально-модульная блок-схема ЭВМ изображена на рис.2.

Процессор и память называют центральными устройствами ЭВМ. Они присутствуют в каждом компьютере. Все остальные устройства называют внешними, или периферийными. К центральным устройствам подключается системная магистраль. Внешние устройства подключаются, в свою очередь, к системной магистрали через контроллеры (или адаптеры).

Рис. 2

 

Контроллер — специализированное устройство согласования центральных и внешних устройств. Помимо названных устройств существуют также внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Они предназначены для долговременного хранения программ и данных. Эти устройства выполняются в виде различного рода накопителей (на гибких и жестких магнитных дисках, на магнитной ленте, и т. д.).

Системная магистраль включает в себя адресную шину, шину данных и шину управления. Большая часть процессорных операций предполагает обращение к оперативной памяти. По адресной шине передается адрес ячейки памяти, к которой происходит обращение. По шине данных передаются данные, считанные или записываемые. Максимальный адрес ячейки памяти, к которой можно обратиться зависит от разрядности шины. По 16–разрядной шине можно адресовать 65536 ячеек размером 1 байт. По 24–разрядной — 1048576 ячеек.