3. Логічна структура комп'ютера

У червні 1945 р. Джон фон Нейман - член групи Мочлі й Екерта під­готував звіт «Попередня доповідь про машину Едвак», у якому описав не тільки структуру машини Едвак, але й загальну логічну структуру комп'ютера. У цьому звіті автор виокремив і детально описав ключові компоненти цієї структури, пізніше названої «архітектурою фон Неймана» сучасного комп'ютера.

За фон Нейманом, щоб комп'ютер був ефективним і універсальним інструментом, він має включати такі компоненти:

• арифметико-логічний пристрій;

• пристрій керування;

• запам'ятовуючий пристрій чи пам'ять;

• пристрої введення-виведення інформації.

Логічну схему комп'ютера зображено на рис. 1.1 (суцільні лінії - керувальні зв'язки, переривчасті - інформаційні).

Рисунок 1.2 - Логічна схема комп'ютера

Арифметико-логічний пристрій виконує арифметичні та логічні пере­творення даних, що надходять до нього.

Пристрій управління автоматично керує процесом оброблення інфор­мації, посилаючи всім іншим пристроям сигнали про виконання тих чи інших дій.

Сукупність арифметико-логічного пристрою та пристрою управління називають процесором.

Пам'ять зберігає інформацію, передану з інших пристроїв (зокрема, пристроїв уведення), і видає інформацію іншим пристроям комп'ютера, включаючи пристрої виведення.

Пам'ять комп'ютера складається з великої кількості пронумерованих комірок, в кожній з яких можуть знаходитись або дані, що обробляють­ся, або інструкції програм. Спочатку за допомогою якогось зовнішнього пристрою в пам'ять комп'ютера вводиться програма. Пристрій управлін­ня зчитує вміст комірки пам'яті, в якій знаходиться перша інструкція (ко­манда) програми, і організує її виконання. Як правило, після виконання команди пристрій управління починає виконувати команду з комірки пам'я­ті, що знаходиться безпосередньо за коміркою, в якій міститься виконана команда. Але цей порядок можна змінити за допомогою команд передачі управління (переходу), що дозволяє створювати складні програми.

Таким чином, пристрій управління виконує інструкції програми авто­матично, без втручання людини. Він може обмінюватись інформацією з оперативною пам'яттю та зовнішніми пристроями комп'ютера.

Пристрої введення і виведення служать для введення даних у машину, виведення результатів і, в разі потреби, для керування процесом оброб­лення інформації.

Джон фон Нейман також відзначав, що комп'ютер має працювати з двійковими числами, бути електронним, а не механічним пристроєм, і виконувати операції послідовно одну за одною. Принципи, сформульо­вані фон Нейманом, стали загальноприйнятими. Більшість сучасних комп'ютерів в основних рисах відповідають принципам, викладеним фон Нейманом, хоча їх схеми трохи відрізняються від наведеної вище. Зокрема, арифметико-логічний пристрій і пристрій управління, як прави­ло, об'єднуються в один пристрій - центральний процесор. Окрім того, багато швидкодіючих комп'ютерів здійснюють паралельну обробку да­них на декількох процесорах.

4. Комп'ютерне представлення даних

Комп'ютер може обробляти тільки інформацію, яка представлена в числовій формі. Вся інша інформація, наприклад, звуки, зображення, для обробки на комп'ютері повинна бути перетворена в числову форму. При введенні в комп'ютер кожна літера кодується відповідним числом, а при виведенні на зовнішні пристрої (екран або друкування) для сприйнят­тя людиною за цими числами будується зображення літер. Відповідність між набором літер та числами має назву кодування символів.

Окремі елементи двійкового коду, що набувають значення 0 чи 1, на­зивають розрядами чи бітами.

У старих комп'ютерах, призначених для обчислювальних задач, міні­мальною одиницею інформації, доступною для оброблення, була комірка. Кількість розрядів у комірці орієнтовано на подання чисел і вона різна у різних комп'ютерах (24 біт, 48 біт і т. д.). Однак такий великий розмір комірки був незручний для подання символів, оскільки для подання сим­вольної інформації достатньо 5...8 біт. Це дає можливість подати від 32 до 256 символів. Тому мінімальною одиницею інформації, що обробляється в сучасному комп'ютері, є байт, який складається з восьми двійкових розрядів (бітів). Кожен байт, розміщений у пам'яті комп'ютера, має свою адресу, що визначає його місцезнаходження і задається відповідним ко­дом. Адреси пам'яті починаються з нуля для першого байта і послідовно збільшуються на одиницю для кожного наступного біта.

Похідні одиниці від байта:

• кілобайт (2¹⁰ байт) - Кбайт;

• мегабайт (2²⁰ байт) - Мбайт;

• гігабайт (2³⁰ байт) - Гбайт;

• терабайт (2⁴⁰ байт) – Тбайт;

• петабайт (2⁵⁰ байт) - Пбайт.

Для подання чисел використовують один чи декілька послідовно роз­міщених байтів. Групи байтів утворюють двійкові слова, що, у свою чер­гу, можуть бути як фіксованої, так і змінної довжини.

Формати даних фіксованої довжини (півслово, слово і подвійне слово) складаються відповідно з одного, двох і чотирьох послідовно розміще­них байтів. Звернення до цих даних виконується за адресою крайнього лівого байта числа, що для слова має бути кратним числу 2, а для подвій­ного слова - числу 4.

Формат даних змінної довжини складається з групи послідовно роз­міщених байтів від 1 до 256. Адресація таких даних виконується, як і у форматах фіксованої довжини, за адресою найлівішого байта.

Залежно від характеру інформації використовують формати подання даних як фіксованої, так і змінної довжини. Так, у форматах даних фіксо­ваної довжини зазвичай подаються двійкові числа, команди і деякі логіч­ні дані, а у форматах даних змінної довжини - десяткові числа, алфавіт­но-цифрова і деяка логічна інформація.