Архитектура персонального компьютера

Введение¶

Операционные системы окружают нас повсюду – это основное программное обеспечение персональных компьютеров, серверов, мобильных устройств, сетевых устройств (роутеры, коммутаторы) и даже современных автомобилей (борт-компьютер), телевизоров и прочего. Перечислять можно очень долго, ведь они требуются практически в каждой компьютерной системе.

Любой компьютер представляет собой связанную совокупность: процессора, памяти и устройств ввода-вывода.

Рис. 1. Общее представление архитектуры компьютера

Более подробная структура архитектуры ПК

Сама по себе, аппаратура умеет делать только очень простые, базовые операции — по типу: сложить два числа, перейти к адресу, записать по адресу и тд.

Например, процессор умеет выполнять только четыре базовых типа инструкции:

Получается, что непосредственное создание и управление сложными процессами (приложениями) на аппаратуре становится крайне неэффективным и неудобным. То есть, например, создать и запустить на исполнение программу-браузер исключительно с помощью данных инструкций становится крайне сложной задачей. Особенно при условии, что помимо этого процесса (браузера) существуют и другие процессы, которые также пользуются ресурсами вычислительной машины.

Возникает вопрос — Как заставить всё это слаженно и эффективно работать, сделав пользование компьютером удобным как для обычного человека, так и для прикладного программиста?

Чтобы ответить на этот вопрос более последовательно, немного заглянем туда, откуда всё начиналось.

4.5. Как устроен компьютер

Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной
компьютерной системы — персонального компьютера. Персональным компьютером
(ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный
на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе
принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем: Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями. Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты
компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рисунке 4.5.

  Рис. 4.5. Общая структура персонального компьютера с
подсоединенными периферийными устройствами

Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они
должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и
face — лицо).

Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне
международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство)
связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной
данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не
напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по
такой схеме:

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных
цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их
интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление
периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса:
последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или
достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному
порту подсоединяют более «быстрые» устройства — принтер и сканер. Через
игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к
своим специализированным портам, которые представляют собой просто
разъёмы.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора,
размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной
или материнской (MotherBoard). А
контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства,
выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и
подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также
слотами расширения (англ. slot — щель, паз).

Классификация[править | править код]

По типу применяемого процессора

• CISC (англ. complex instruction set computing) — архитектура с полным набором команд. Такие процессоры выполняют все команды, простые и сложные, за большое количество тактов. Команд в таких процессорах много, и компиляторы верхнего уровня редко используют все команды
• RISC (англ. reduced instruction set computing) — архитектура с сокращённым набором команд. Такие процессоры, в целом, работают быстрее, чем с CISC-архитектурой, за счёт упрощения архитектуры и сокращения количества команд, но для выполнения сложной команды она составляется из набора простых, что увеличивает время выполнения команды (за большее количество тактов). Стоит отметить, что современные процессоры RISC по внутренней сложности приближаются, а то и превосходят классические CISC аналоги
• MISC (англ. minimal instruction set computing) — архитектура с минимальным набором команд. Такие процессоры имеют минимальное количество команд, все команды простые и требуют небольшого количества тактов на выполнение, но если выполняются сложные вычисления, например, с числами с плавающей запятой, то такие команды выполняются за существенно большее количество тактов, превышающее CISC- и RISC-архитектуры
• VLIW (англ. very long instruction word — «очень длинная машинная команда») — архитектура с длинной машинной командой, в которой указывается параллельность выполнения вычислений. Такие процессоры получили широкое применение в цифровой обработке сигналов

По принципу разделения памяти

• Гарвардская архитектура — характерной чертой является разделение памяти программ и памяти данных
• Фон Неймановская архитектура — характерной чертой является совместное хранение программ и данных

Что собой представляет архитектура ПК

Архитектура современного ПК представляет собой логическую организацию, структуру и ресурсы, то есть механизмы вычислительной системы. Последние могут выделяться на определенный временной интервал для процесса обработки информации.

Правила построения персонального компьютера

Основой современной вычислительной машины являются принципы архитектуры ПК, сформулированные Джоном Нейманом:

1. Программное управление. Состоит из группы команд, которые выполняет процессор автоматически (одну за другой в определенной последовательности).

2. Однородность памяти. Программы и другие данные хранятся в одном разделе памяти. Одни и те же действия выполняются и над данными, и над командами.

3. Адресность. Основная память состоит из пронумерованных секторов (ячеек).

Построение персонального компьютера

Классическая архитектура ПК строится на вышеперечисленных принципах. Она определяет условия работы, информационные связи, взаимное соединение главных логических узлов персонального компьютера. К ним относятся внешняя и основная память, центральный процессор и периферийные устройства.

Персональный компьютер конструктивно выполнен в виде основного системного блока. К нему через специализированные разъемы присоединяются периферийные устройства. Архитектура ПК содержит следующие основные узлы: системную плату, блок питания, накопители на жестком магнитном и оптическом дисках, интерфейсы для дополнительных и внешних устройств. В свою очередь, на материнской (системной) плате располагаются микропроцессор, тактовый генератор импульсов, математический сопроцессор и микросхемы памяти. А также таймер, контроллеры периферийных устройств, видео- и звуковая карта.

Архитектура ПК основана на модульно-магистральном принципе. Данное правило позволяет пользователю самостоятельно комплектовать требуемую конфигурацию персонального компьютера, а также (при необходимости) производить ее модернизацию. Удобство модульной организации системы заключается в магистральном принципе обмена данными. Контроллеры всех устройств взаимодействуют с оперативной памятью и микропроцессором через главную магистраль передачи информации, которую называют «системной шиной». Она выполнена в виде печатного моста на материнской плате. Системная шина – это главный интерфейс вычислительной машины, и вся архитектура ПК построена вокруг нее. Именно этот элемент обеспечивает связь и сопряжение всех устройств друг с другом. Системная шина производит три направления передачи данных:

— между основной памятью и микропроцессором;

— между портами ввода и вывода внешних устройств и процессором;

— между портами и основной памятью.

Внешние устройства персонального компьютера обеспечивают связь последнего с окружающей средой: объектами управления, пользователями и другими вычислительными машинами.

Основные функциональные характеристики ПК:

1. Быстродействие, производительность, тактовая частота.

2. Разрядность кодовых шин интерфейсов и микропроцессора.

3. Типы локальных и системных контроллеров.

4. Размер оперативной памяти.

5. Емкость жесткого диска.

6. Наличие, размер и виды кэш-памяти.

7. Тип видеоадаптера.

8. Вид мультимедийных аудиосредств.

9. Программное обеспечение.

10. Аппаратная совместимость с другими персональными компьютерами.

11. Возможность работы машины в вычислительной сети, а также в многозадачном режиме.

Основные абстракции¶

Процесс — совокупность инструкций и данных, что находятся в оперативной памяти и обрабатываются процессором. Другими словами — исполнение программы в целом (не путать с потоком исполнения).

Примечание

Компьютерная программа сама по себе — лишь пассивная последовательность инструкций. В то время как процесс — непосредственное выполнение этих инструкций.

В рамках ОС, это абстракция, которая предоставляет иллюзию персональной машины. То есть то, что данный исполнимый код полностью владеет всеми вычислительными ресурсами машины.

Состояние (контекст) процесса

С внешней стороны, процесс можно описать следующим:

• Состояние

  • Состояние памяти
  • Содержимое регистров процессора

• Адрестное пространство — у каждого процесса своё.
• Состояние исполнения — то, исполняется ли этот процесс на процессоре в данный момент или ожидает чего-либо.
• CPU — величина использовния процессорного времени.

Изнутри, процесс можно условно разделена на четыре части: Stack, Heap (кучу), Text (код) и данные (Data).

Рис 7. Сегменты памяти процесса

Состояния исполнения

Когда процесс выполняется, он проходит через разные состояния. Эти этапы могут различаться в разных операционных системах.

Общая картина выглядит так:

Рис 8. Состояния исполнения процесса

Примечание

• Новый: начальное состояние при создании процесса.
• Готов: процесс ожидает исполнения на процессоре. В течение работы процессор может переключаться между процессами, переводя одни в режим готовности, другие – в режим исполнения.
• Исполнение: непосредственное выполнение инструкций на процессоре.
• Ожидает: процесс переходит в состояние ожидания. Например, ждёт ввода данных или получения доступа к файлу.
• Завершен: как только процесс завершится, он перейдёт в это состояние и будет ожидать удаления.

Информация о процессе

Вся информация о процессе содержится в специальной структуре данных, поддерживаемой операционной системой для каждого процесса – PCB (Process Control Block) — Блок управления процессов.

Рис 9. Process Control Block

Примечание

• Process ID: идентификатор каждого из процессов в ОС.
• State: текущее состояние процесса.
• Privileges: разрешения доступа к системным ресурсам.
• Pointer: указатель на родительский процесс.
• Priority: приоритет процесса и другая информация, которая требуется для планирования процесса.
• Program Counter: указатель на адрес следующей команды, которая должна быть выполнена.
• CPU registers: регистры процессора, необходимые для состояния исполнения.
• Accounting Information: уровень нагрузки на процессор, статистика и другие данные.
• I/O Information: список ресурсов, использующих чтение и запись.

Информацию о процессах в целом, ОС хранит в специальной таблице процессов.

Процесс может делиться на потоки (threads). Они обеспечивают параллелизм, то есть одновременное исполнение нескольких потоков инструкций, на уровне программы.

Поток выполнения (нить, thread) — последовательность исполнения инструкций. Ход исполнения программы**.

Процесс является контейнером ресурсов (адресное пространство, процессорное время и тд), а поток – последовательность инструкций, которые исполняются внутри этого контейнера.

Примечание

Реализация потоков выполнения и процессов в разных операционных системах отличается друг от друга, но в большинстве случаев поток выполнения находится внутри процесса.

Рис 10. Многопоточный процесс

Потоки, существующие в рамках одного процесса, в его адресном пространстве, могут совместно использовать ресурсы процесса, например такие как память или файл. Тогда как процессы не разделяют этих ресурсов, так как каждый существует в своём адресном пространстве.

Также поток называют легковесный процесс.

Сегодня потоки широко применяются в работе серверов и многопроцессорных устройств с общей памятью.

Рассмотрим на примере утилиты htop.

Рис 11. Вывод утилиты мониторинга процессов htop

Примечание

PID — Process ID; Уникальное число идентификатор для каждого процесса

TGID — Tread Group ID; Индентификатор группы потоков

На скриншоте, процесс 2881 имеет множество потоков, отношение которых к нему можно определить по тому, что TGID у этих потоков имеет значение PIDа этого процесса — 2881. Таким образом, один процесс разбивается на множество потоков, в которых инструкции исполняются параллельно.

Основные узлы компьютера

Комплекс нескольких логических схем и элементов памяти, создающих выходные сигналы, является узлом ПК. Абсолютно все компьютерные программы или игры имеют требования к основным характеристикам для корректной работы. Все узлы компьютера должны быть максимально совместимы друг с другом. В противном случае работать в программах будет некомфортно.

К перечню подобных узлов системного блока обычно относят:

1. Процессор – основополагающий элемент всего функционала компьютера;
2. Системная плата, ее еще называют «материнской»;
3. Блок питания – необходим для энергоснабжения ПК;
4. Жесткий диск – хранилище информации на ПК или ноутбуке;
5. Оптический привод – устройство для чтения с внешних носителей, который редко встречается на новейших системах;
6. Разъемы для подключаемых устройств.

Структура программного обеспечения для компьютеров на базе архитектуры IBM

Главным критерием, по которому персональный компьютер можно отнести к платформе IBM, является возможность работы с различными операционными системами. И это тоже является следствием открытости данного архитектурного вида. Компьютеры, выполненные на платформе IBM, могут оснащаться операционными системами Windows, Linux в самых разных исполнениях, и, кроме этого, другими операционными системами, совместимыми с аппаратным обеспечением персональных компьютеров с данной архитектурой. Помимо программного обеспечения от известных брендов, на платформу IBM возможно ставить разные другие программы малоизвестных авторов, разработка и установка которых, как правило, не требует согласовывать их с компаниями, производящими аппаратные компоненты. В состав программных элементов, имеющихся во всех компьютерах на основе IBM, входит базовая система ввода-вывода, которая называется BIOS. Её назначение заключается в обеспечении выполнения главных аппаратных операций персонального компьютера независимо от типа установленной на компьютере операционной системы. Это тоже является признаком открытой архитектуры, разработчики BIOS весьма толерантно относятся к проектировщикам операционных систем и других программных продуктов. Да и сам факт выпуска BIOS под разными брендами тоже является признаком открытости.

Архитектура IBM

Такой тип как открытая архитектура позволяет свободно подключать любую периферию к компьютеру. Достигнуто это благодаря использовании информационной шины (ее объем можно узнать из характеристик материнской платы). Она позволила производителям периферийного оборудования разработать контроллеры для любых стандартов.

Управление системой осуществляется непосредственно процессором. Под его же управлением находятся информационная шина. Современный принцип открытой архитектуры ПК подразумевает наличие функциональных и центральных контроллеров.

Функциональные контроллеры обеспечивают подключение модема, мыши, клавиатуры и принтера.

Архитектура IBM предоставляет собой набор инструкции по созданию приложений в облаке. Эталоном считается базовый шаблон в то время как реализация – это определенные технологии, методы и выбор инструмента для создания и развертывания этого шаблона.

4.9. Что такое видеоадаптер и графический акселератор

Видеоадаптер — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.

Наиболее распространенный видеоадаптер на сегодняшний день — адаптер
SVGA (Super Video Graphics Array — супервидеографический массив), который
может отображать на экране дисплея 1280х1024 пикселей
при 256 цветах и 1024х768 пикселей при 16 миллионах цветов.

С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, наряду
с традиционными видеоадаптерами широко используются разнообразные устройства
компьютерной обработки видеосигналов:

  Рис. 4.9. Графический акселератор

· Графические акселераторы
(ускорители) — специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие
эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от
большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно
вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.

· Фрейм-грабберы, которые
позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона,
камеры, лазерного проигрывателя и т. п., с тем, чтобы захватить нужный кадр в
память и впоследствии сохранить его в виде файла.  

· TV-тюнеры — видеоплаты,
превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужную
телевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким
образом можно следить за ходом передачи, не прекращая работу.

2.2 2.2. архитектура и структура компьютера

При
рассмотрении компьютерных устройств
принято различать их архитектуру и
структуру.

Архитектурой
компьютера называется его описание на
некотором общем уровне, включающее
описание пользовательских возможностей
программирования, системы команд, системы
адресации, организации памяти и т.д.
Архитектура определяет принципы действия,
информационные связи и взаимное соединение
основных логических узлов компьютера:
процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и
периферийных устройств. Общность
архитектуры разных компьютеров
обеспечивает их совместимость с точки
зрения пользователя.

Структура
компьютера — это совокупность его
функциональных элементов и связей между
ними. Элементами
могут быть самые различные устройства — от
основных логических узлов компьютера до
простейших схем. Структура компьютера
графически представляется в виде
структурных схем, с помощью которых можно
дать описание компьютера на любом уровне
детализации.

Наиболее
распространены следующие архитектурные
решения.

·
Классическая
архитектура (архитектура фон
Неймана) — одно арифметико-логическое
устройство (АЛУ), через которое проходит
поток данных, и одно устройство управления (УУ),
через которое проходит поток команд —
программа (рис. 1). Это однопроцессорный
компьютер.   К этому типу архитектуры
относится и архитектура персонального
компьютера с общей шиной (рис. 4). Все
функциональные блоки здесь связаны между
собой общей шиной, называемой также системной
магистралью.

·
Многопроцессорная
архитектура. Наличие в компьютере
нескольких процессоров означает, что параллельно
может быть организовано много потоков
данных и много потоков команд. Таким
образом, параллельно могут выполняться
несколько фрагментов одной задачи.
Структура такой машины, имеющей общую
оперативную память и несколько процессоров,
представлена на рис. 3.

 
Рис. 2. Архитектура многопроцессорного
компьютера

·
Многомашинная
вычислительная система. Здесь
несколько процессоров, входящих в
вычислительную систему, не имеют общей
оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную).
Каждый компьютер в многомашинной системе
имеет классическую архитектуру, и такая
система применяется достаточно широко.
Однако эффект от применения такой
вычислительной системы может быть получен
только при решении задач, имеющих очень
специальную структуру: она должна
разбиваться на столько слабо связанных
подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество
в быстродействии многопроцессорных и
многомашинных вычислительных систем перед
однопроцессорными очевидно.

·
Архитектура с
параллельными процессорами. Здесь несколько
АЛУ работают под управлением одного УУ.
Это означает, что множество данных может
обрабатываться по одной программе — то
есть по одному потоку команд. Высокое
быстродействие такой архитектуры можно
получить только на задачах, в которых
одинаковые вычислительные операции
выполняются одновременно на различных
однотипных наборах данных. Структура таких
компьютеров представлена на рис. 3.

 
Рис. 3. Архитектура с параллельным
процессором

В
современных машинах часто присутствуют
элементы различных типов архитектурных
решений. Существуют и такие архитектурные
решения, которые радикально отличаются от
рассмотренных выше.

Рис. 4. Общая
структура персонального компьютера с
подсоединенными периферийными

Физически магистраль
представляет собой многопроводную линию с
гнездами для подключения электронных схем.
Совокупность проводов магистрали
разделяется на отдельные группы: шину
адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные
устройства (принтер и др.) подключаются к
аппаратуре компьютера через специальные
(адаптеры) — устройства управления
периферийными устройствами.

Контроллер
— устройство, которое связывает
периферийное оборудование или каналы связи
с центральным процессором, освобождая
процессор от непосредственного управления
функционированием данного оборудования.

4.8. Что такое аудиоадаптер

Аудиоадаптер (Sound Blaster или звуковая плата) это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования.

Аудиоадаптер содержит в себе два преобразователя информации:

• аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть,
  аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и
  записывает его на магнитный носитель;
• цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого
  в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с
  помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.

Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука,
обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями
тембров звучаний различных музыкальных инструментов. Звуковые файлы обычно имеют
очень большие размеры. Так, трёхминутный звуковой файл со стереозвучанием
занимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sound Blaster, помимо своих
основных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.

Архитектура компьютеров в классическом варианте

Главные принципы, по которым могли быть сконструированы персональные компьютеры согласно целевой логической структуре, были предложены Нейманом, известным учёным-математиком. Методические положения, предложенные Нейманом, являются классической архитектурой персонального компьютера. Компьютер должен иметь в своём составе следующие главные элементы:

1. Блок логики и арифметики.
2. Блок управления.
3. Блок внешнего устройства памяти.
4. Блок оперативной памяти.
5. Блок ввода-вывода данных.

Согласно этой структуре, работа отдельных элементов должна выполняться в строго определённом порядке. Прежде всего в память персонального компьютера загружается информация из выполняемой программы. Информационные данные могут быть введены при помощи внешних устройств. Далее блок управления берёт информацию из памяти компьютера и отправляет её на обработку. При обработке информации могут быть задействованы другие элементы компьютера.

Архитектура с параллельными процессорами

В данной архитектуре несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и другие архитектурные решения, отличные от рассмотренных выше.

4.6. Какие основные блоки входят в состав компьютера

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных
конструктивных компонент:

  Рис. 4.6. Виды корпусовсистемного блока

• системного блока;
• монитора;
• клавиатуры;
• манипуляторов.

В системном блоке размещаются:

• блок питания;
• накопитель на жёстких магнитных дисках;
• накопитель на гибких магнитных дисках;
• системная плата;
• платы расширения;
• накопитель CD-ROM;
• и др.

Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную
(Tower — башня) компоновку. Типичный системный блок со снятой крышкой корпуса —
на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Системный блок со снятой крышкой корпуса

1 — Системная плата.2 — Разъём дополнительного второго процессора.3 — Центральный процессор с радиатором для отвода тепла.4 — Разъёмы оперативной памяти.5 — Накопитель на гибких магнитных дисках.6 — Накопитель CD-ROM.7 — Сетевая карта.8 — Графический акселератор.9 — Блок питания, преобразующий переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и внутренних устройств. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока.

2.1 Принципы построения компьютеров

В основу
построения подавляющего большинства
компьютеров положены следующие общие
принципы, сформулированные в 1945 г.
американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип
программного управления. Из него
следует, что программа состоит из набора
команд, которые выполняются процессором
автоматически друг за другом в
определенной последовательности.

Выборка
программы из памяти осуществляется с
помощью счетчика команд. Этот
регистр процессора последовательно
увеличивает хранимый в нем адрес очередной
команды на длину команды.

А так как
команды программы расположены в памяти
друг за другом, то тем самым организуется
выборка цепочки команд из последовательно
расположенных ячеек памяти.

Если же нужно
после выполнения команды перейти не к
следующей, а к какой-то другой, используются
команды условного или безусловного
переходов, которые заносят в счетчик
команд номер ячейки памяти, содержащей
следующую команду. Выборка команд из
памяти прекращается после достижения и
выполнения команды “стоп”.

Таким
образом, процессор исполняет программу
автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип
однородности памяти. Программы и
данные хранятся в одной и той же памяти.
Поэтому компьютер не различает, что
хранится в данной ячейке памяти — число,
текст или команда. Над командами можно
выполнять такие же действия, как и над
данными. Это открывает целый ряд
возможностей. Например, программа в
процессе своего выполнения также может
подвергаться переработке, что позволяет
задавать в самой программе правила
получения некоторых ее частей (так в
программе организуется выполнение циклов и
подпрограмм). Более того, команды одной
программы могут быть получены как
результаты исполнения другой программы.
На этом принципе основаны методы трансляции
— перевода текста программы с языка
программирования высокого уровня на язык
конкретной машины.

3. Принцип
адресности. Структурно основная память
состоит из перенумерованных ячеек;
процессору в произвольный момент времени
доступна любая ячейка. Отсюда следует
возможность давать имена областям памяти,
так, чтобы к запомненным в них значениям
можно было впоследствии обращаться или
менять их в процессе выполнения программ с
использованием присвоенных имен.

Компьютеры,
построенные на этих принципах, относятся к
типу фон-неймановских. Но существуют
компьютеры, принципиально отличающиеся от
фон-неймановских. Для них, например, может не
выполняться принцип программного
управления, т.е. они могут работать без “счетчика
команд”, указывающего текущую выполняемую
команду программы. Для обращения к какой-либо
переменной, хранящейся в памяти, этим
компьютерам не обязательно давать ей имя.
Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Выполнение
команды можно проследить по схеме:

Рис. 1. Общая схема компьютера

Как
правило, этот процесс разбивается на
следующие этапы:

·из ячейки памяти, адрес которой
хранится в счетчике команд, выбирается
очередная команда; содержимое счетчика
команд при этом увеличивается на длину
команды;

·выбранная команда передается в
устройство управления на регистр команд;

·устройство управления
расшифровывает адресное поле команды;

·по сигналам УУ операнды считываются
из памяти и записываются в АЛУ на
специальные регистры операндов;

·УУ расшифровывает код операции и
выдает в АЛУ сигнал выполнить
соответствующую операцию над данными;

·результат операции либо остается в
процессоре, либо отправляется в память,
если в команде был указан адрес результата;

·все предыдущие этапы повторяются до
достижения команды “стоп”.