Головна

Глава 2. Загальні принципи організації і роботи комп'ютерів

  1. A. Загальні характеристики
  2. I.3. Геодезичні роботи.
  3. II етап роботи над твором - Аналітичний
  4. II етап роботи над твором: Аналіз
  5. II. Порядок формування експертних груп, організація експертизи заявлених на Конкурс проектів і регламент роботи Конкурсної комісії
  6. II. Принципи громадянства РФ.
  7. III. Загальні обов'язки працівників залізничного транспорту

2.1. Що таке комп'ютер?

комп'ютер (Англ. Computer - обчислювач) являє собою програмований електронний пристрій, здатний обробляти дані і виробляти обчислення, а також виконувати інші завдання маніпулювання символами [51].

Існує два основні класи комп'ютерів:

Оскільки в даний час переважна більшість комп'ютерів є цифровими, далі будемо розглядати тільки цей клас комп'ютерів і слово "комп'ютер"Вживати в значенні"цифровий комп'ютер".

 Основу комп'ютерів утворює апаратура (HardWare), побудована, в основному, з використанням електронних і електромеханічних елементів і пристроїв. Принцип дії комп'ютерів полягає у виконанні програм (SoftWare) - заздалегідь заданих, чітко визначених послідовностей арифметичних, логічних і інших операцій.

Будь-яка комп'ютерна програма являє собою послідовність окремих команд.

команда - Це опис операції, яку повинен виконати комп'ютер. Як правило, у команди є свій код (умовне позначення), початкові дані (Операнди) і результат.

Наприклад, у команди "скласти два числа"Операндами є складові, а результатом - їх сума. А у команди"стоп"Операндів немає, а результатом є припинення роботи програми.

Результат команди виробляється по точно визначеним для даної команди правилам, закладеним в конструкцію комп'ютера.

 Сукупність команд, виконуваних даним комп'ютером, називається системою команд цього комп'ютера.

Комп'ютери працюють з дуже високою швидкістю, що становить мільйони - сотні мільйонів операцій в секунду.

2.2. Як влаштований комп'ютер?

Різноманітність сучасних комп'ютерів дуже велика. Але їх структури засновані на загальних логічних принципах, Що дозволяють виділити в будь-якому комп'ютері наступні головні пристрої:

Ці пристрої з'єднані каналами зв'язку, за якими передається інформація.

Основні пристрої комп'ютера та зв'язку між ними представлені на схемі (рис. 2.1). Жирними стрілками показані шляхи та напрямки руху інформації, а простими стрілками - шляхи та напрямки передачі сигналів.


 Мал. 2.1. Загальна схема комп'ютера

Функції пам'яті:

Функції процесора:

 Та частина процесора, яка виконує команди, називається арифметико-логічним пристроєм (АЛП), а інша його частина, що виконує функції керування пристроями, називається пристроєм управління (УУ).

Зазвичай ці два пристрої виділяються чисто умовно, конструктивно вони не розділені.

У складі процесора є ряд спеціалізованих додаткових комірок пам'яті, званих регістрами.

 Регістр виконує функцію короткочасного зберігання числа або команди. Над вмістом деяких регістрів спеціальні електронні схеми можуть виконувати деякі маніпуляції. Наприклад, "вирізати" окремі частини команди для подальшого їх використання або виконувати певні арифметичні операції над числами.

Основним елементом регістра є електронна схема, яка називається тригером, яка здатна зберігати одну двійкову цифру (розряд двійкового коду). Логічна схема тригера описана в розділі 5.7.

регістр являє собою сукупність тригерів, пов'язаних один з одним певним чином загальною системою управління.

Існує кілька типів регістрів, що відрізняються видом виконуваних операцій. Деякі важливі регістри мають свої назви, наприклад:

2.3. На яких принципах побудовано комп'ютери?

В основу побудови переважної більшості комп'ютерів покладено такі загальні принципи, сформульовані в 1945 р американським ученим Джоном фон Нейманом.



 Мал. 2.2. Джон фон Нейман, 1945 р

1. Принцип програмного управління. З нього випливає, що програма складається з набору команд, які виконуються процесором автоматично один за одним в певній послідовності.

Вибірка програми з пам'яті здійснюється за допомогою лічильника команд. Цей регістр процесора послідовно збільшує зберігається в ньому адресу черговий команди на довжину команди.

А так як команди програми розташовані в пам'яті один за одним, то тим самим організовується вибірка ланцюжка команд з послідовно розташованих елементів пам'яті.

Якщо ж потрібно після виконання команди перейти ні до наступної, а до якоїсь іншої, використовуються команди умовного або безумовного переходів, які заносять в лічильник команд номер комірки пам'яті, що містить наступну команду. Вибірка команд з пам'яті припиняється після досягнення і виконання команди "Стоп".

Таким чином, процесор виконує програму автоматично, без втручання людини.

2. Принцип однорідності пам'яті. Програми та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті. Тому комп'ютер не розрізняє, що зберігається в даній комірці пам'яті - число, текст або команда. Над командами можна виконувати такі ж дії, як і над даними. Це відкриває цілий ряд можливостей. наприклад, програма в процесі свого виконання також може піддаватися переробці, що дозволяє задавати в самій програмі правила отримання деяких її частин (так в програмі організовується виконання циклів і підпрограм). Більш того, команди однієї програми можуть бути отримані як результати виконання іншої програми. На цьому принципі засновані методи трансляції - перекладу тексту програми з мови програмування високого рівня на мову конкретної машини.

3. принцип адресності. Структурно основна пам'ять складається з перенумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка осередок. Звідси випливає можливість давати імена областям пам'яті, так, щоб до запомненним в них значень можна було згодом звертатися або міняти їх в процесі виконання програм з використанням привласнених імен.

Комп'ютери, побудовані на цих принципах, відносяться до типу фон-Неймановская. Але існують комп'ютери, принципово відрізняються від фон-Неймановская. Для них, наприклад, може не працювати, принцип програмного управління, Т. Е. Вони можуть працювати без "лічильника команд", що вказує поточну виконувану команду програми. Для звернення до будь-якої змінної, що зберігається в пам'яті, цим комп'ютерам не обов'язково давати їй ім'я. Такі комп'ютери називаються Ні-фон-Неймановская.

2.4. Що таке команда?

команда - Це опис елементарної операції, яку повинен виконати комп'ютер.

У загальному випадку, команда містить наступну інформацію:

Залежно від кількості операндів, команди бувають:

Команди зберігаються в комірках пам'яті в двійковому коді.

У сучасних комп'ютерах довжина команд змінна (Зазвичай від двох до чотирьох байтів),а способи вказівки адрес змінних вельми різноманітні. В адресній частині команди може бути вказаний, наприклад:

Розглянемо кілька можливих варіантів команди складання (Англ. Add - додавання), при цьому замість цифрових кодів і адрес будемо користуватися умовними позначеннями:

add x
add x y
add x y z

2.5. Як виконується команда?

Виконання команди можна простежити за схемою:


 Загальна схема комп'ютера

Як пpавило, цей процес розбивається на наступні етапи:

2.6. Що таке архітектура і структура комп'ютера?

При розгляді комп'ютерних пристроїв прийнято розрізняти їх архітектуру і структуру.

архітектурою комп'ютера називається його опис на деякому загальному рівні, що включає опис призначених для користувача можливостей програмування, системи команд, системи адресації, організації пам'яті і т. д. Архітектура визначає принципи дії, інформаційні зв'язки і взаємне з'єднання основних логічних вузлів комп'ютера: процесора, оперативного ЗУ, зовнішніх ЗУ і периферійних пристроїв. Спільність архітектури різних комп'ютерів забезпечує їх сумісність з точки зору користувача.
структура комп'ютера - це сукупність його функціональних елементів і зв'язків між ними. Елементами можуть бути самі різні пристрої - від основних логічних вузлів комп'ютера до найпростіших схем. Структура комп'ютера графічно представляється у вигляді структурних схем, за допомогою яких можна дати опис комп'ютера на будь-якому рівні деталізації.

Найбільш поширені такі архітектурні рішення.

- Класична архітектура (Архітектура фон Неймана) - одне арифметико-логічний пристрій (АЛП), через яке проходить потік даних, і один пристрій управління (УУ), через яке проходить потік команд - програма (рис. 2.1). це однопроцесорний комп'ютер. До цього типу архітектури відноситься і архітектура персонального комп'ютера з загальною шиною, детально розглянута в розділі 2.18 (рис. 2.26). Всі функціональні блоки тут пов'язані між собою загальною шиною, званої також системною магістраллю.

 фізично магістраль є многопроводную лінію з гніздами для підключення електронних схем. Сукупність проводів магістралі поділяється на окремі групи: шину адреси, шину даних і шину управління.

Периферійні пристрої (принтер і ін.) Підключаються до апаратурі комп'ютера через спеціальні контролери - устрою управління периферійними пристроями.

контролер - Пристрій, який пов'язує периферійне устаткування або канали зв'язку з центральним процесором, звільняючи процесор від безпосереднього управління функціонуванням даного обладнання.

- многопроцессорная архітектура. Наявність в комп'ютері кількох процесорів означає, що паралельно може бути організовано багато потоків даних і багато потоків команд. Таким чином, паралельно можуть виконуватися кілька фрагментів однієї задачі. Структура такої машини, що має загальну оперативну пам'ять і кілька процесорів, представлена ??на рис. 2.3.



 Мал. 2.3. Архітектура многопроцессорного комп'ютера

- Багатомашинна обчислювальна система. тут кілька процесорів, що входять в обчислювальну систему, не мають загальної оперативної пам'яті, а мають кожен свою (локальну). Кожен комп'ютер в многомашинной системі має класичну архітектуру, і така система застосовується досить широко. Однак ефект від застосування такої обчислювальної системи може бути отриманий тільки при вирішенні завдань, що мають дуже спеціальну структуру: вона повинна розбиватися на стільки слабо пов'язаних підзадач, скільки комп'ютерів в системі.

Перевага в швидкодії багатопроцесорних і багатомашинних обчислювальних систем перед однопроцесорними очевидно.

- Архітектура з паралельними процесорами. тут кілька АЛУ працюють під управлінням одного УУ. Це означає, що безліч даних може оброблятися за однією програмою - тобто по одному потоку команд. Висока швидкодія такої архітектури можна отримати тільки на завданнях, в яких однакові обчислювальні операції виконуються одночасно на різних однотипних наборах даних. Структура таких комп'ютерів представлена ??на рис. 2.4.



 Мал. 2.4. Архітектура з паралельним процесором

У сучасних машинах часто присутні елементи різних типів архітектурних рішень. Існують і такі архітектурні рішення, які радикально відрізняються від розглянутих вище.

2.7. Що таке центральний процесор?

центральний процесор (CPU, від англ. Central Processing Unit) - це основний робочий компонент комп'ютера, який виконує арифметичні і логічні операції, задані програмою, управляє обчислювальним процесом і координує роботу всіх пристроїв комп'ютера.

Центральний процесор в загальному випадку містить у собі:

Сучасні процесори виконуються у вигляді мікропроцесорів. Фізично мікропроцесор являє собою інтегральну схему - тонку платівку кристалічного кремнію прямокутної форми площею всього кілька квадратних міліметрів, на якій розміщені схеми, реалізують всі функції процесора. Кристал-пластинка зазвичай міститься в пластмасовому або керамічний плоский корпус і з'єднується золотими проводками з металевими штирями, щоб його можна було приєднати до системної плати комп'ютера.

мікропроцесор Intel Pentium 4 - Найбільш досконалий і потужний процесор випуску 2001 року з тактовою частотою до 2 гігагерц, представлений на малюнку 2.5 приблизно в натуральну величину. Він призначений для роботи додатків, що вимагають високої продуктивності процесора, таких, як передача відео і звуку по Інтернет, створення відео-матеріалів, розпізнавання мови, обробка тривимірної графіки, ігри.



 Мал. 2.5. Мікропроцесор Pentium 4. Форма зверху (зліва) і вид знизу (праворуч)

В обчислювальній системі може бути кілька паралельно працюючих процесорів; такі системи називаються багатопроцесорними.

2.8. Як влаштована пам'ять?

Пам'ять комп'ютера побудована з двійкових запам'ятовуючих елементів- бітів, Об'єднаних в групи по 8 бітів, які називаються байтами. (Одиниці виміру пам'яті збігаються з одиницями виміру інформації). Всі байти пронумеровані. Номер байта називається її адресою.

Байти можуть об'єднуватися в осередки, які називаються також словами. Для кожного комп'ютера характерна певна довжина слова - два, чотири або вісім байтів. Це не виключає використання елементів пам'яті іншої довжини (наприклад, півслова, подвійне слово). Як правило, в одному машинному слові може бути представлене або одне ціле число, або одна команда. Однак, допускаються змінні формати подання інформації. Розбиття пам'яті на слова для чотирьохбайтового комп'ютерів представлено в таблиці:

 байт 0  байт 1  байт 2  байт 3  байт 4  байт 5  байт 6  байт 7
 півслові  півслові  півслові  півслові
 СЛОВО  СЛОВО
 ПОДВІЙНЕ СЛОВО

Широко використовуються і більш великі похідні одиниці об'єму пам'яті: Кілобайт, мегабайт, Гігабайт, А також, останнім часом, терабайт и петабайт.

Сучасні комп'ютери мають багато різноманітних запам'ятовуючих пристроїв, які сильно відрізняються між собою за призначенням, тимчасовим характеристикам, обсягом інформації, що зберігається і вартості зберігання однакового обсягу інформації. Розрізняють два основних види пам'яті - внутрішню и зовнішню.

2.9. Які пристрої утворюють внутрішню пам'ять?

До складу внутрішньої пам'яті входять оперативна пам'ять, кеш-пам'ять и спеціальна пам'ять.

Мета інформатизації - поліпшення якості життя людей за рахунок збільшення продуктивності і полегшення умов їх праці. | Оперативна пам'ять


Глава 1. Введення в інформатику | Живі організми і рослини обробляють інформацію за допомогою своїх органів і систем. | Кеш-пам'ять | спеціальна пам'ять | Накопичувачі на гнучких магнітних дисках | Накопичувачі на жорстких магнітних дисках | Накопичувачі на компакт-дисках | Записуючі оптичні і магнітооптичні накопичувачі | Накопичувачі на магнітній стрічці (стримери) і накопичувачі на змінних дисках | Монітор на базі електронно-променевої трубки |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати