Содержание | Назад | Далее

3. Принцип работы вычислительной машины

3.1. Реализация обработки данных с помощью технического устройства

Обработка данных реализуется с помощью некоторой функции f, отображающей множество данных D во множество возможных результатов R (рис. 6).

Рис. 6. Отображение множества данных в множество результатов.

Чтобы промоделировать f с помощью технического устройства необходимо располагать тремя физическими представлениями:

• физическим представлением множества данных D'
• физическим представлением множества результатов R';
• физическим представлением функции обработки f' таким, что применение f' к D' должно давать элемент из R'.

Функция f' должна быть физически реализуемой, то есть должна вычисляться на некотором физическом устройстве. Чтобы выполнить обработку данных и интерпретировать результат необходимо располагать кодами представления исходных данных и результатов (рис. 7).

• входным кодом , представляющим элемент данных из D с помощью физического элемента из D';
• выходным кодом, интерпретирующим элемент из R' с помощью элемента из R.

Входной код, отображение f' и выходной код выбираются так, чтобы движение из множества D во множество R давало тот же результат, что и при использовании отображения f.

Рис. 7. Представление реального вычислительного процесса
с помощью технического устройства.

ЭВМ позволяет получить указанные физические представления. Принципиально вычислительная машина состоит из двух частей (рис. 8):

• центрального процессора, позволяющего с помощью электронных устройств выполнять преобразование f';;
• памяти, являющейся физической системой, представляющей D' и R'.

Рис. 8. Структура вычислительной машины.

3.2. Организация памяти

Память есть физическая система с большим числом возможных состояний. Практически используемые системы имеют конечное число состояний, то есть множества D и R представляются конечными множествами D' и R'.

Удобно представлять память состоящей из множества одинаковых физических систем, каждая из которых имеет M состояний. Каждая такая физическая система называется словом. Обычно слово проектируют так, чтобы M = 2⁸ = 256. Такой элемент может быть реализован в виде комбинации восьми электронных ключей, каждый из которых может находиться в одном из двух устойчивых состояний – «включено» и «выключено». Это позволяет поставить в соответствие каждой комбинации ключей 8-разрядное двоичное число, то есть байт. Сам элемент памяти обычно тоже называется байтом. Память компьютера может быть представлена как последовательность пронумерованных байтов. Нумерация начинается с нуля. Номер байта называется его адресом.

Байт является наименьшей единицей информации, которая может быть записана в память или считана из памяти с помощью одной операции ввода-вывода. Для измерения более крупных объемов памяти используются килобайт, мегабайт и гигабайт.

    1 Кбайт = 2¹⁰ байтов = 1024 байта

    1 Мбайт = 2¹⁰ килобайтов = 1024 Кбайтов

    1 Гбайт = 2¹⁰мегабайтов = 1024 Мбайтов

Каждое из возможных состояний байта можно интерпретировать в зависимости от ситуации и используемых кодов как:

• целое натуральное число в диапазоне от 0 до 255;
• слово из букв обычного алфавита;
• код команды процессора и т.д.

Отдельные байты могут объединяться в структуры, позволяющие представлять более сложные объекты, такие как вещественные числа, таблицы, списки и т.д.

В качестве единицы хранения данных используется объект переменной длины, называемый файлом. Понятие файла используется в двух смыслах. Логическим файлом называется логически связанная последовательность данных одного типа, имеющая имя. С таким определением файла имеет дело программист, пишущий программу. Физический файл или просто файл – это последовательность произвольного числа байтов памяти, имеющая имя. Адресом файла в памяти является адрес его первого байта. Каждый файл должен иметь уникальное имя. Без этого невозможно гарантировать однозначный доступ к данным.

Обычно в отдельном файле хранятся данные одного типа (целые числа, символы и пр.). Тип данных определяет тип файла. Существуют текстовые файлы, двоичные файлы, графические файлы и т.д. Файл, содержащий готовую к исполнению программу, называется программным.

Память вычислительной машины подразделяется на оперативную (оперативное запоминающее устройство, или ОЗУ) и внешнюю (внешнее запоминающее устройство, или ВЗУ).

Оперативная память служит для временного хранения программ и данных непосредственно во время вычислений. Это память с быстрым доступом относительно небольшого объема. Содержимое оперативной памяти сохраняется только во время работы компьютера. Такая память называется энергозависимой.

Внешняя память имеет значительно больший объём и служит для долговременного хранения программ и данных. Она является энергонезависимой. Данные во внешней памяти хранятся в виде файлов, являющихся последовательностями байтов. Для того чтобы программа могла быть выполнена, она должна быть загружена в оперативную память машины.

На устройствах внешней памяти (магнитных носителях) информация представлена в двоичном коде чередованием намагниченных и ненамагниченных участков на дорожках диска.

В современных персональных компьютерах есть быстрая память еще одного вида, имеющая специальное назначение. Это видеопамять. Видеопамять хранит код изображения, выводимого на дисплей.

Для ускорения доступа к данным используется специальное устройство, называемое кэш-памятью. Кэш-память – это «сверхоперативная» память сравнительно небольшого объема. В кэш-памяти хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. При обращении процессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к оперативной памяти, то среднее время доступа к памяти уменьшается.

3.3. Структура вычислительной машины и принцип ее работы

Вычислительная машина должна выполнять конечное число физически реализуемых базовых операций над содержимым слов памяти. Современные однопроцессорные ЭВМ имеют архитектуру, предложенную фон Нейманом, и называются фоннеймановскими машинами. Принцип организации их работы заключается в следующем.

1. Память машины представляет собой линейную последовательность пронумерованных слов или ячеек. Номер ячейки называется её адресом.
2. Одни и те же ячейки памяти могут содержать исходные данные, полученные результаты или команды машины.
3. Команды выполняются последовательно в соответствии с порядком, определяемым программой.

Самым массовым типом ЭВМ в наше время является персональный компьютер. Персональный компьютер – это малогабаритная ЭВМ, предназначенная для индивидуальной работы, оснащенная удобным для пользователя (дружественным) программным обеспечением. Практически все модели современных персональных компьютеров имеют магистральную архитектуру (рис. 9).

Рис. 9. Магистральная архитектура ЭВМ.

Архитектура ЭВМ – это общее описание структуры и функций компьютера на уровне, достаточном для понимания принципов работы и системы команд ЭВМ. Архитектура не включает в себя описание деталей технического и физического устройства компьютера.

Связь между устройствами компьютера осуществляется через общую шину, или магистраль. Общая шина – это кабель, состоящий из множества проводов. По одной группе проводов (шина данных ) передаются данные, по другой (шина адреса) – адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть общей шины – шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др.).

Количество одновременно передаваемых по шине битов называется разрядностью шины. Каждому биту соответствует отдельный провод. Данные, передаваемые от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождаются адресом, передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки в оперативной памяти или адрес (номер) периферийного устройства.

К общей шине могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие. Возможно увеличение оперативной памяти, замена процессора на более совершенный.<>

Аппаратное подключение периферийного устройства к общей шине осуществляется через специальный блок – контроллер, или адаптер. Программное управление работой устройства осуществляет специальная программа, называемая драйвер, которая входит в состав операционной системы. Следовательно, для подключения нового периферийного устройства к компьютеру необходимо использовать соответствующий контроллер и установить в операционной системе соответствующий драйвер.

В современных персональных компьютерах в качестве процессоров используются микропроцессоры. Микропроцессор – это сверхбольшая интегральная схема, которая реализует функции процессора. Микропроцессор создается на полупроводниковом кристалле путем применения сложной микроэлектронной технологии.

Возможности компьютера как универсального устройства преобразования данных определяются системой машинных команд процессора. Отдельная команда определяет отдельную операцию компьютера. Из команд составляются программы управления работой компьютера. Типичный набор операций, выполняемых вычислительной машиной, состоит из следующих операций:

• арифметические операции;
• операции для проверки различных свойств элементов данных;
• операции для доступа к различным частям элементов данных и их изменения;
• операции управления устройствами ввода-вывода;
• операции для управления последовательностью выполнения операций.

Процессор состоит из двух частей: управляющего устройства и арифметическо-логического устройства. Управляюще устройствое определяет последовательность выполнения команд и занимается поиском их в памяти. Арифметически-логическое устройство выполняет команды, передаваемые управляющим устройством. Процессор имеет несколько специальных ячеек памяти, называемых регистрами.

У каждого регистра есть определенное назначение. В регистр, называемый счетчиком команд, помещается адрес той ячейки памяти ЭВМ, в которой хранится очередная исполняемая команда программы. Во время ее исполнения эта команда помещается в регистр команд. Есть группа регистров общего назначения, в которые помещаются исходные данные и результаты выполнения команды. Полученный результат может быть переписан из регистра в оперативную память.

Каждый процессор имеет следующие характеристики.

1. Тактовая частота. Работа всех устройств процессора синхронизируется генератором тактовой частоты, который вырабатывает периодические импульсы. Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт – это промежуток времени между началом подачи текущего импульса и началом подачи следующего. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает процессор. Тактовая частота измеряется в мегагерцах.
2. Разрядность процессора. Разрядностью называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет размер 4 байта, то разрядность процессора равна 8 x 4 = 32, если 8 байтов, то 64.
3. Адресное пространство. По адресной шине процессор передает адресный код – двоичное число, обозначающее адрес ячейки памяти или внешнего устройства, куда направляется информация по шине данных. Адресное пространство – это диапазон адресов, к которым может обратиться процессор, используя адресный код. Если адресный код содержит n битов, то размер адресного пространства равен 2ⁿ байтов. Обычно размер адресного кода равен количеству линий в адресной шине. Например, если компьютер имеет 32-разрядную адресную шину, то адресное пространство его процессора равно 2³² = 4 Гбайтов.

Каждая команда процессора занимает в памяти один или несколько байтов и состоит из кода операции и набора операндов, над которыми выполняется операция. Например, в операции сложения операндами будут слагаемые.В зависимости от числа используемых адресов команды бывают трехадресными, двухадресными, одноадресными и безадресными. Примером безадресной команды может служить команда останова. На рис. 10 избражен формат трехадресной команды.

Рис. 10. Формат трехадресной команды.

Здесь Коп – код выполняемой операции, Адрес 1 и Адрес 2 – адреса ячеек памяти, содержащих операнды команды. Адрес 3 – адрес ячейки памяти, в которую будет помещен результат операции.

При выполнении программы вычислительная машина выполняет простой циклический алгоритм, изображенный на рис. 11.

Рис. 11. Цикл выполнения программы.

Работа компьютера заключается в выборе данных из памяти в процессор, модификации их содержимого и записи обратно в память.

Содержание | Назад | Далее