-
Глава 1. Устройство персональных компьютеров
1.1. Принципы фон Неймана
В эпоху создания первых компьютеров, в 1945 г. знаменитый математик Джон фон Нейман сформулировал, как должен быть устроен компьютер, чтобы он был универсальным устройством для обработки информации. Эти основы конструкции компьютера называются принципами фон Неймана. В соответствии с этими принципами, компьютер должен иметь следующие устройства:
• арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
• устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;
• запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;
• внешние устройства для ввода-вывода информации.
Современные компьютеры в основных чертах соответствуют принципам фон Неймана.
Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.
На рисунке показаны связи между устройствами компьютера.
В
общих чертах работу компьютера можно
описать следующим образом. Вначале с
помощью какого-либо внешнего устройства
в память компьютера вводится программа.
Устройство управления считывает
содержимое ячейки памяти, где находится
первая инструкция (команда) программы,
и организует ее выполнение. Эта команда
может задавать выполнение арифметических
или логических операций, чтение из
памяти данных для выполнения этих
операций или запись результатов в
память, ввод данных из внешнего устройства
в память или вывод данных из памяти на
внешнее устройство.
Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти.
Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, без вмешательства человека-оператора. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.
Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в единое устройство – центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера – прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.
1.2. IВМ РС-совместимые компьютеры
Большинство современных компьютер совместимы с компьютером IВМ РС, разработанном в 1981 г. крупнейшей в мире компьютерной фирмой IВМ. Такие компьютеры называются IВМ РС-совместимыми. Слово «совместимость» здесь означает:
• программную совместимость – все программы, разработанные для IВМ РС, будут работать и на всех IВМ РС-совместимых компьютерах;
• в некоторой степени и аппаратную совместимость: подавляющее большинство устройств для компьютеров IВМ РС и более новых версий (IВМ РС ХТ, IВМ РС АТ и т.д.) идейно годятся и для современных компьютеров. Однако, фактически устройства пяти- или десятилетней давности в современных компьютерах не применяются, так как они являются устаревшими по ряду параметров.
Слово «персональный» означает, что этот компьютер рассчитан на одновременную работу с одним пользователем (большие компьютеры, как правило, поддерживают одновременную работу многих пользователей).
Открытость архитектуры. Важнейшую роль в развитии IВМ РС-совместимых компьютеров сыграл заложенный в них фирмой IВМ принцип открытой архитектуры. Фирма IВМ сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. При этом методы сопряжения различных частей компьютера IВМ РС и подсоединения к нему внешних устройств не только не держались в секрете, но были доступны всем желающим. Поэтому производить комплектующие и внешние устройства для IВМ РС смогли не только отобранные IВМ фирмы, а все желающие, и скоро сотни фирм стали осуществлять сборку и самих компьютеров (то есть IВМ РС-совместимых компьютеров).
Конкуренция тысяч сборщиков компьютеров, производителей комплектующих и программного обеспечения привели к стремительному росту возможностей компьютеров, предназначенных для них устройств и программного обеспечения и снижению цен на них.
Преимущества IВМ РС-совместимых компьютеров. Успеху IВМ РС-совместимых компьютеров способствовали следующие факторы:
• полная программная совместимость этих компьютеров привела к появлению множества рассчитанных для них программ, охватывающих практически все сферы человеческой деятельности;
• открытость рынка IВМ РС-совместимых компьютеров повлекла за собой острейшую конкуренцию тысяч производителей компьютеров и их комплектующих, а значит, к максимально быстрым темпам внедрения технических новинок, обеспечивающих повышение возможностей компьютеров при сохранении относительно низких цен;
• модульное устройство и интеграция компонентов IВМ РС-совместимых компьютеров обеспечили компактность компьютеров, их высокую надежность и простоту ремонта;
• модульное устройство IВМ РС-совместимых компьютеров также обеспечило возможность их легкой модернизации, в том числе силами самих пользователей. В результате пользователи могут приспособить эти компьютеры к своим нуждам, купив и подсоединив то или иное устройство, а также увеличить мощность своего компьютера (например, установив более мощный процессор или более емкий жесткий диск);
• относительно высокие возможности IВМ РС-совместимых компьютеров по переработке информации позволили использовать их (а не более мощные компьютеры) как для решения подавляющего большинства задач в бизнесе, так и для почти всех личных нужд пользователей.