Архитектура ЭВМ

Во все времена человек стремился расширить свои возможности создавая различные приборы (орудия труда, познания мира). Например недостаточность зрения он компенсировал микроскопом и телескопом. Ограниченные воэможности передавать информацию друг другу расширяются при помощи телефона радио и телевидения.

Вычислительные машины (ЭВМ) "дополняют" возможности человеческого мозга по обработке информации и позволяют увеличить скорость вычислений, а следовательно и принятия решений в ходе выполнения различных работ в сотни и тысячи раз.

Человеку всегда приходилось заниматься расчетами, поэтому люди стремились расширить свои возможности по переработке информации и в первую очередь в области вычислений. С этой целью были придуманы счеты, арифмометр и т.п. Однако все эти устройства не позволяли автоматизировать расчеты.

Идея использования программного управления для построения автоматического вычислительного устройства впервые была высказана английским математиком Чарлзом Бэббиджем еще в 1833 г. Однако низкий уровень развития науки и техники не позволил в то время создать автоматическое вычислительное устройство. Идея программного управления получила дальнейшее развитие в работах американского ученого Джона фон Неймана.

В 40-х годах 20 века работы в области ядерной физики, баллистики, аэродинамики и т.п. потребовали огромной вычислительной работы. Наука и техника были поставлены перед диллемой: или всем сесть за арифмометры, или сделать новый эффективный автоматический инструмент для вычислений. Как раз в это время Дж. Фон Нейман сформулировал основные принципы построения вычислительной машины. В результате в 1945 году была построена первая вычислительная машина, а с 1953 года началось серийное изготовление ЭВМ.

Рис.1.1.1.

Архитектура ЭВМ предложенная Нейманом приведена на рис. 1.1.1. ЭВМ содержит:

Устройства ввода (например клавиатуру) для ввода программ и данных в ЭВМ;

- Устройства вывода (например монитор, принтер и т.п.) для вывода данных из ЭВМ;

- память - устройство для хранения информации. Память может быть построена на различных физических принципах, но в любом случае она представляет собой совокупность ячеек, в которых можно хранить в закодированном виде различные данные (числа, символы). Все ячейки памяти пронумерованы. номер ячейки памяти называется адресом.

- процессор – это устройство, способное выполнять некоторый заданный набор операций над данными и вырабатывать значения заданного набора логических условий над этими данными. Процессор состоит из устройства управления (УУ) и арифметико логического устройства (АЛУ).

УУ предназначено для выполнения команд и управления работой ЭВМ при выполнении отдельной команды.

АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций, набор которых определяется системой команд, принятой для данного типа ЭВМ.

Программа - это алгоритм решения задачи, представленный в форме понятной ЭВМ.

В основе ЭВМ лежит два фундаментальных принципа Дж. Фон Неймана.

1 Принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу программа, закодированная в цифровом виде хранится в памяти ЭВМ наряду с числами (данными). В командах указываются не сами числа, участвующие в операциях, а адреса ячеек памяти, в которых они находятся.

Пример команды

где КО – код операции; А1 – адрес первого операнда; А2 – адрес второго операнда; А3 – адрес ячейки памяти в которую надо поместить результат. КО, А1, А2, А3 представляют собой последователиности нулей и единиц. Например

КО : 00110101

А1 : 00011110……110001 (32 разряда).

Если КО это код операции сложения, то смысл этой команды можно сформулировать так:

- взять данное из ячейки с адресом А1;

- взять данное из ячейки с адресом А2;

- выполнить операцию сложения этих данных;

- поместить результат в ячейку с адресом А3.

Заметим, что в командах указываются не обрабатываемые данные, а адреса ячеек памяти. Все это делает ЭВМ универсальным средством обработки информации. Чтобы решить другую задачу не требуется изменять аппаратуру. Достаточно ввести в память другую программу и данные.

2.Принцип произвольного доступа к основной памяти. Согласно этому принципу процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка памяти.