Логическое устройство компьютера и представление данных
1. Логическое устройство компьютера и принципы фон Неймана2.
1.1. Логическое устройство компьютера
В соответствии с общими логическими принципами устройства компьютера можно выделить главные составляющие:
память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;
процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);
устройства ввода и вывода информации;
каналы связи, по которым передается информация.
Логическая схема устройства компьютера представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Логическая схема устройства компьютера
Каналы передачи информации и каналы передачи управляющих сигналов выделены на схеме, соответственно, жирными и тонкими стрелками.
Память выполняет следующие функции:
хранение информации;
приём информации из других устройств;
выдача информации по запросу в другие устройства машины.
Состав и функции процессора взаимосвязаны.
1. Обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций. Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ).
2. Программное управление работой устройств компьютера. Та часть процессора, которая управляет устройствами, называется устройством управления (УУ).
Обычно эти два устройства конструктивно не разделены, и выделяются только логически.
Регистры процессора – специализированные области памяти внутри процессора, которые предназначены для кратковременного хранения числа или команды.
Регистры состоят из триггеров, которые способны хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода). Триггеры связаны друг с другом общей системой управления.
Регистры различаются по типу в соответствии с видом выполняемой операции. Назовем некоторые регистры:
сумматор – регистр АЛУ, в котором выполняются все операции над операндами;
счетчик команд – регистр УУ, в котором содержится адрес очередной выполняемой команды;
регистр команд – регистр УУ, в котором хранится код команды во время ее выполнения. Часть разрядов регистра команд используется для хранения кода операции, другие для хранения кодов адресов операндов.
1.2. Принципы построения компьютера
Общие принципы построения компьютеров сформулированы американским ученым Джоном фон Нейманом в 1945 г.
1. Принцип программного управления. Заключается в том, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
Выборка программы из памяти осуществляется с помощью регистра процессора, называемого счетчиком команд. Счетчик команд хранит адрес очередной команды, последовательно увеличивая его на длину команды, тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.
2. Принцип однородности памяти. Заключается в том, что программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда, поэтому над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. В процессе своего выполнения программа также может подвергаться изменению, что позволяет задавать программно правила получения некоторых ее частей, например, организация вызова подпрограмм. Команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня во внутреннее машинное представление, в язык команд данного компьютера.
3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек, причем, процессору в каждый момент времени доступна любая ячейка. Имеется возможность программно именовать области памяти, чтобы оперировать их значениями с использованием присвоенных имен.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских.