Классическая архитектура ЭВМ общего назначения

Классическая архитектура ЭВМ разработана американским инженером фон Нейманом, поэтому ее еще называют неймановской архитектурой. Согласно Нейману, в состав ЭВМ входит пять функционально независимых блоков: устройство ввода информации в ЭВМ (Увв), запоминающее устройство (ЗУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и уст-

ройство вывода информации из ЭВМ (Увыв) (рис. 2).

Рис. 2. Неймановская архитектура ЭВМ

Устройство ввода принимает кодированную информацию из внешней среды от человека-оператора или электромеханического прибора. Информация запоминается в ЗУ для последующего использования или сразу обрабатывается АЛУ. Шаги обработки информации определены программой, хранящейся в памяти ЭВМ. Результаты обработки возвращаются во внешнюю среду через устройство вывода. Все эти действия координируются устройством управления.

Обычно схемы АЛУ компонуются вместе со схемами УУ в виде одного блока, называемого центральным процессором (ЦП). Оборудование ввода и вывода объединяется термином «устройство ввода-вывода» (Увв-выв).

В ЭВМ информация поступает двух типов: в виде команд и в виде данных. Команды, или инструкции, выполняют две функции: 1) управляют передачей информации внутри ЭВМ, а также между ЭВМ и внешней средой; 2) указывают, какие арифметические и логические операции должны быть выполнены. Последовательность команд, которые обеспечивают решение задачи, называется программой. Обычно решение задачи начинается с загрузки программы в память. Затем ЦП извлекает команды из ЗУ и выполняет предусмотренные операции. Таким образом, ЭВМ находится под полным управлением выполняемой программы, кроме тех случаев, когда поступают сигналы прерывания от оператора или электронных устройств, связанных с ЭВМ.

Определим данные как кодированную информацию, которая обрабатывается командами программы.

Информация в ЭВМ должна быть представлена в соответствующем формате. Поскольку ЭВМ состоит из электронных и цифровых схем, элементы которых имеют два устойчивых состояния, то используется двоичная система счисления для кодирования информации: каждое число, символ текста или команда кодируются цепочкой двоичных цифр – бит (см. раздел 2.2. Системы счисления).

Рассмотрим более подробно назначение и примеры отдельных устройств ЭВМ.

Устройство ввода информации. Функция этого устройства очевидна – ввод информации в ЭВМ из внешней среды. В качестве Увв выступают клавиатура, дисплей (монитор), вспомогательные дисплейные устройства ввода (различного типа манипуляторы, световое перо).

Запоминающее устройство (память). Единственная функция ЗУ – хранение программ и данных. Различают три класса устройств памяти: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

ПЗУ – это неизменяемая память ЭВМ, назначение которой хранить служебные программы, необходимые для работы системы.

ОЗУ – это быстродействующее запоминающее устройство. Оно содержит большое количество ячеек памяти, каждая из которых хранит 1 бит информации. Ячейки связаны в группы фиксированных размеров, называемые машинными словами. ОЗУ организовано таким образом, чтобы содержимое из n бит можно было найти или запомнить при помощи одной операции. Для облегчения доступа к любому слову ОЗУ с положением каждого слова связано некоторое имя (адрес). Длина машинного слова определяется разрядностью ЦП.

Для хранения большого объема данных применяются более дешевые ВЗУ, использующие в качестве носителей информации магнитные ленты и диски, оптические диски или электронные носители.

Устройство вывода информации. Выполняет обратную функцию по сравнению с устройствами ввода. Некоторые устройства совмещают обе функции, поэтому часто используется общий термин – устройство ввода-вывода. К устройствам вывода относятся дисплеи, печатающие устройства (принтеры), графопостроители (плоттеры).

Центральный процессор. Большинство операций в ЭВМ выполняется в АЛУ. Например, необходимо сложить два числа в оперативной памяти – они передаются в АЛУ, в нем складываются. Аналогично выполняется любая другая арифметическая или логическая операция. Для ускорения вычислений ЦП имеет высокоскоростные ячейки памяти – регистры – для временного хранения данных. ЦП – наиболее скоростное устройство ЭВМ, поэтому один ЦП может управлять рядом внешних устройств.

Все описанные устройства обеспечивают необходимые средства для хранения и обработки информации. Действия этих устройств должны быть согласованы, что является функцией УУ.