Структура и принцип действия ЭВМ

Как уже отмечалось, современная ЭВМ есть вычислительный автомат, который представляет собой техническое устройство, способное автоматически исполнять заданные вычислительные алгоритмы. Данное назначение ЭВМ определяет её функциональную структуру и принцип действия.

Структурой какого-либо объекта принято называть его поэлементный состав с учётом существующих взаимосвязей между элементами. Рассмотрим функциональную структуру ЭВМ на уровне типовых укрупнённых функциональных блоков, то есть таких элементов конструкций, которые представляют собой основные самостоятельные устройства в составе ЭВМ.

Центральным устройством ЭВМ является устройство памяти (УП). Оно выполняет функцию накопления и хранения данных в процессе их обработки. Различают 2 вида памяти:

А) Основная память;

Б) Вспомогательная память.

Основная память включает следующие компоненты:

1) Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)

2) Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

3) Программируемое (переменное) запоминающее устройство (ППЗУ)

4) Регистры

5) Аккумуляторы

Главным элементом основной памяти является ОЗУ. Оно выполняет функцию накопления и хранения данных оперативного доступа. Доступом называется произвольная операция обращения к памяти. Данные оперативного доступа характеризуются тем, что могут изменять свои значения по ходу вычислительного процесса произвольное число раз. При этом требуют максимально возможной скорости обработки.

ОЗУ представляет собой основное рабочее место ЭВМ. При этом оно характеризуется тем, что имеет постоянный ограниченный объём и этот объём в первую очередь определяет вычислительную производительность ЭВМ. ОЗУ обеспечивает самый короткий доступ к хранимым данным. Масштаб времени доступа составляет доли микросекунд.

ПЗУ представляет собой такой элемент памяти, в котором хранимая информация организована и представлена как элемент конструкции. Т. о. Данная информация является постоянной характеристикой устройства и не допускает своего изменения без вмешательства в конструкции, т.е. без разрушения самого устройства. ПЗУ выполняется в виде самостоятельной съёмной детали в структуре ЭВМ.

ППЗУ - такое ПЗУ, в котором существует возможность внесения изменений в хранимую информацию (перепрограммирование). Такое перепрограммирование выполняется с помощью специализированных устройств, называемых программаторами. Устройство типа ППЗУ ещё называют элементами флэш-памяти.

Регистром называется элемент рассредоточенной памяти ёмкостью, соизмеримой с размером одного цифрового машинного слова. Обычно регистры выполняют функцию «персонального обслуживания» устройства, за которым он закреплён. В современных моделях ЭВМ регистры образуют внутреннюю индивидуальную память микропроцессора.

Аккумулятором называется специализированный регистр, предназначенный для прямого обслуживания АЛУ.

Вспомогательная (внешняя) память выполняет функцию накопления и хранения информации архивного назначения. Архивная информация характеризуется тем, что:

1) Предназначается для длительного хранения, т.е. для хранения такой промежуток времени, который превосходит длительность одного отдельно взятого вычислительного процесса.

2) Данные в составе архивной информации ориентированы на использование не в одной отдельно взятой задаче, а в различных задачах.

3) Архивные данные допускают обращение к ним произвольное количество раз, причём из различных задач. При этом обращение к данным не допускает никакого изменения этих данных. Т.е. к таким данным разрешено обращение только на чтение.

4) Архивная информация предполагает достаточно большой объём, т.е. такой объём, который покрывает все возникающие потребности. Отсюда следует, что размер внешней памяти для хранения архива должен быть практически ничем не ограничен.

Внешняя память конструктивно выполняется в виде накопителей информации. Такие накопители характеризуются тем, что обеспечивают возможность закрепления (записи) информации на специальных машинных носителях. В зависимости от используемого типа носителей различают 2 основных вида накопителей:

А) накопители на магнитных лентах НМЛ

Б) накопители на магнитных дисках НМД

Различают 2 основных типа НМД:

1) Накопители на гибких магнитных дисках. Их ещё принято называть гибкими дисками или флоппи-дисками. Такой накопитель характеризуется тем,, что оборудован съёмным магнитным диском и потому расценивается как съёмный элемент внешней памяти. Ёмкость магнитного диска здесь относительно невелика и рассчитана на индивидуального пользователя.

2) Накопители на жёстких магнитных дисках. Их обозначают НМД или HD. В обиходе такие устройства называют винчестер. Он отличается тем, что представляет собой стационарный, т.е. несъёмный элемент внешней памяти, рассчитанный на коллективное применение большим числом пользователей. В связи с этим он имеет большую емкость.

Измерение ёмкости памяти ЭВМ. Для измерения ёмкости памяти ЭВМ используются специальные единицы, основной из которой является 1 байт. 1 байт – это такое место в памяти ЭВМ, куда может быть размещён 1 элементарный символ информации. Такой символ не может быть разделён на составляющие без потери признаков символа.

Для современных ЭВМ со средними показателями вычислительной производительности характерны следующие показатели ёмкости памяти:

Ёмкость ОЗУ -128-256 МВ

Ёмкость винчестера – 1ГВ

Ёмкость стандартного гибкого диска с определяющим размером 3,5 дюйма – 1,44 МВ.

Ёмкость регистра памяти соизмеряется с длиной 1 цифрового машинного слова, т.е. цифровой комбинации, заданной стандартной длиной в байтах.

Арифметико-логическое устройство. АЛУ выполняет функцию воспроизведения заданной элементарной вычислительной операции над заданными данными.

Вычислительной операцией называется некое вычислительное действие над данными. Всякая операция, предназначенная для исполнения на ЭВМ, должна быть предварительно описана в форме записи. Запись операции характеризуется тем, что представляет собой совокупность некоторого числа данных, соединённых символами вычислительных операций. Операции по масштабу делятся на составные и элементарные. Составные операции характеризуются тем, что они всегда могут быть разбиты на отдельные элементарные операции, тогда как элементарные операции не могут быть разбиты на составляющие без потери признаков операции.

Устройство управления (УУ). УУ выполняет функцию обеспечения совместной согласованной работы всех устройств ЭВМ.

В современных ЭВМ АЛУ и УУ конструктивно объединены в одном функциональном блоке, который называется процессором. Такой процессор, выполненный по микроэлектронной технологии, называется микропроцессором. Т.о процессор в ЭВМ представляет собой собственно автоматическое вычислительное устройство. Его технические характеристики определяют вычислительную производительность ЭВМ. Основными такими характеристиками являются показатели разрядности и тактовой частоты.

Разрядностью процессора называется количество информации, которое способен обработать процессор единовременно за 1 акт (т.е. за 1 движение). Тактовая частота - это количество тактов, которое вырабатывает устройство отсчёта времени ЭВМ (следовательно, микропроцессора) в 1 физическую секунду. 1 такт - это минимальная порция времени, различаемая устройствами ЭВМ. Тактовая частота измеряется в Гц. 1 Гц =1 такт/сек. На практике пользуются производной единицей 1 МГц-106 такт/сек.

Т.о. показатель разрядности определяет порцию единовременно обрабатываемой информации, а тактовая частота определяет скоростные характеристики микропроцессора и ЭВМ в целом. Показатель разрядности оценивается числом двоичных разрядов (числом бит).

Устройство ввода выполняет функцию загрузки памяти ЭВМ (ОЗУ) исходной информации для счёта. Исходной информацией считается такая, которая должна быть задана и определена на момент начала вычислительного процесса, т.к. без этого вычислительный процесс не может начаться. Функция ввода организуется на основе автоматического преобразования информации домашинной формы представления в информацию внутримашинного представления с последующим размещением преобразованной информации в ОЗУ. В современных ЭВМ в качестве стандартных устройств ввода используюся клавиатура и накопители внешней памяти в режиме чтения. Стандартные устройства- это такие устройства, которые входят в обязательный комплект поставки ЭВМ.

Устройство вывода (УВ) выполняет функцию выгрузки из памяти ЭВМ, отображения их в соответствии с требованиями и при необходимости закрепления (записи) на технический носитель для цели длительного хранения. Эта функция выполняется на основе преобразования информации внутримашинной формы представления во внемашинную форму.

Литература:

1. А.П. Пятибратов и др. Вычислительные машины, системы и сети. -М:Статистика, 1991-400с.

2. Тыныбаев С.Т. Вычислительные машины, системы, комплексы и сети. Учебник для вузов. 2-е издание.- Алматы.:Рауан, 1997-366с.