Наука Техника Технологии

АРХИТЕКТУРА ЭВМ

Принцип фон Неймана

Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом (1903 - 1957). Совокупность этих принципов породила классическую архитектуру ЭВМ. В сильно упрощённом виде архитектура ЭВМ показана на рисунке.
Один из важнейших принципов заложенных в архитектуру ЭВМ, это принцип программного управления. Программа (последовательность специальных кодов) записанная в запоминающем устройстве управляет действиями микропроцессора, который "повинуясь" указаниям программы выполняет определённые действия - складывает, умножает, сравнивает и так далее. Данные для обработки микропроцессор получает от устройств ввода, а полученные результаты отправляет на устройства вывода.
Все устройства ЭВМ имеют связь через электрические шины (на рисунке показаны синим цветом) по которым цифровые сигналы, в строго определённые моменты времени, проходят к нужному устройству. Всеми потоками цифровых сигналов руководит контроллер.

Рассмотрим функциональные элементы составляющие ЭВМ. Все функциональные элементы ЭВМ принято называть "модули".
На рисунке у нас есть:

Микропроцессор - Central Рrocessing Unit (CPU), центральный процессорный модуль. CPU в компьютере выполняет важную роль, он производит вычисления и логические операции с числами.
Запоминающие устройства компьютера - их несколько, и различаются они как по назначению, так и по конструктивным особенностям, а так же делятся на внутренние и внешние.
- ROM (read only memory) - ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), микросхема содержащая большое количество ячеек памяти. В зависимости от назначения ПЗУ в его ячейки памяти записываются специальные программы. Эти программы предназначены для системных служб компьютера и не могут быть переписаны, то есть они записываются один раз в ПЗУ на предприятии изготовителе и больше не переписываются в течении срока службы компьютера.
- RAM (random access memory) - ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), микросхема содержащая большое количество ячеек памяти в которые можно, как записывать информацию, так и считывать. ОЗУ используется в компьютере для временного (на период рабочей сессии) хранения кодов программ и данных. При выключении компьютера память очищается.
- Накопители на жёстких дисках и карты Flash памяти. Могут быть как внутренними, так и внешними. Накопители служат для долговременного хранения программ и данных. Их ёмкость может достигать нескольких терабайт. Память такого типа напоминает (по функциональным возможностям) ОЗУ, но в отличие от ОЗУ уступает в скорости обмена данными.
Контроллер - специальная микросхема которая управляет всеми действиями компьютера: направляет потоки информации по нужным шинам, следит за сигналами от внутренних и внешних устройств и так далее.
Устройства ввода - вывода (УВВ). К основным относятся клавиатура, дисплей, мышь. Так-же часто используемые в работе сканер, принтер, видеокамера, световое перо, устройства связи и тому подобное.
Тактовый генератор - генератор электрических импульсов прямоугольной формы. Генератор играет важную роль в работе компьютера. Так как компьютер работает в динамическом режиме, то есть его деятельность не прекращается ни на секунду, то генератор "подталкивает" микропроцессор и остальные модули компьютера на совершение заданных действий. Кроме того, тактовый генератор обеспечивает синхронную работу всех модулей. Чем выше частота (число повторений импульсов в секунду) генератора, тем быстрее происходят процессы в компьютере, то есть производительность компьютера возрастает. Предел частоты ограничен только лишь технологическими ограничениями при производстве компьютеров.

Рассмотрим принцип действия ЭВМ.

На рисунке показана часть блок-схемы типовой вычислительной машины. Обратите внимание, что на рисунке указано несколько шин: шина адреса, шина данных, системная шина. Кратко разберёмся в назначении этих шин:

Шина адреса предназначена для выбора определённой ячейки памяти из огромной цепочки ячеек расположенных в модулях памяти. Каждая ячейка пронумерована, имеет свой порядковый номер, это и есть адрес.
Шина данных - передаёт данные от выбранной ячейки памяти или (в зависимости от решаемой задачи) записывает данные в ячейку.
Системная шина имеет в своём составе электрические проводники, которые выполняют определённые важные функции, например: передача тактовых импульсов, сигналы чтения-записи, сигналы синхронизации модулей и так далее.

При включении питания ЭВМ небольшая программа "зашитая" в памяти ROM перезагружается в память RAM, в самые нижние адреса. Это связано с тем, что микропроцессор работает только с оперативной памятью RAM. Программа (последовательность команд, которые выражены числами - каждая команда имеет свой числовой код) записанная из ROM в RAM называется "BIOS - basic input output system; Базовая программа ввода - вывода". Эта программа отвечает за основные функции компьютера - чтение с клавиатуры, вывод информации на экран и тому подобное. Программа храниться в оперативной памяти на протяжении всей сессии.
Далее, происходит загрузка операционной системы (Windows, MacOs, Linux и тому подобных) с жёсткого диска HDD тоже в RAM. Операционная система (набор небольших программ управляющих работой компьютера на более высоком уровне - графический интерфейс, звук, видео, текстовый процессор и тому подобное). Операционная система (основные её части) хранится так же в RAM на протяжении всей работы компьютера.
По окончании всех этих процедур, компьютер готов к работе. Пользователь выбирает с каким приложением (программой) он будет работать и запускает его на исполнение - компьютер перегружает выбранную программу с жёсткого диска в ОЗУ, и только тогда начинается её выполнение. Загрузка и выполнение программ происходит при активном участии микропроцессора. Работа процессора происходит под управлением программы, будь то BIOS или операционная система. Подробно о работе микропроцессора и других модулей читайте в соответствующих разделах.