Принцип автоматической обработки информации вычислительным устройством

Основным отличием вычислительной машины от таких счётных устройств как счёты, арифмометр, калькулятор, заключается в том, что вся последовательность команд на вычисление предварительно записывается в память вычислительной машины и выполняется последовательно автоматически. Впервые принцип вычислительной машины с автоматическим выполнением команд предложил американский учёный фон Нейман. Он описал основные узлы, которые должна содержать такая машина. Такой принцип получил название фон-неймановской вычислительной машиной. Большинство современных КС, в настоящее время, построено именно по этому принципу.

Машина фон Неймана состояла из памяти, представлявшей собой набор регистров, АЛУ, устройства ввода-вывода и устройства управления (рис. 2.8).

Устройство ввода передавало команды и данные в АЛУ, откуда они записывались в память. Все команды, совокупность которых называется программой, записываются в память в соседние ячейки по возрастанию их адресов, а данные, которые требуют обработки в ячейки с произвольными адресами. Последняя команда программы – это обязательно команда остановки работы. Каждая команда содержит код операции, которую необходимо выполнить и адреса ячеек, в которых находятся данные, обрабатываемые этой командой. Устройство управления содержит специальный регистр, который называется "Счётчик команд". После загрузки программы и данных в память в счётчик команд записывается адрес первой команды программы. После чего вычислительная машина переходит в режим автоматического выполнения программы.

Устройство управления считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счётчике команд, и помещает его в специальное устройство – "Регистр команд". Регистр команд хранил команду во время её исполнения. Устройство управления расшифровывает тип операции команды, считывает из памяти данные, адреса которых указанны в команде и приступает к её выполнению. Для каждой команды устройство управления имеет свой алгоритм обработки, который заключается в выработке управляющих сигналов для всех остальных устройств машины. Этот алгоритм мог быть реализован на основе комбинационных логических схем или с помощью специальной внутренней памяти, куда эти алгоритмы были записаны в виде микрокоманд, объединённых в микропрограммы. Выполнение микропрограммы происходит по тому же принципу, что и программы в основной памяти, то есть по принципу фон Неймана. Каждая микрокоманда содержит набор управляющих сигналов для устройств машины. Отметим, что устройства управления выполнением команд процессоров в современных компьютерных системах так же строятся по принципу комбинационных схем или микропрограммных автоматов, в соответствии с чем, делятся на RISC и CISC процессоры, о которых будет рассказано ниже.

Микропрограмма выполнения любой команды обязательно содержит сигналы, изменяющие содержимого счётчика команд на единицу. Таким образом, после завершения выполнения очередной команды, счётчик команд указывал на следующую ячейку памяти, в которой находилась следующая команда программы. Устройство управления читает команду, адрес которой находится в счётчике команд, помещает её в регистр команд и т.д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока очередная исполняемая команда не оказывается командой останова исполнения программы. Интересно отметить, что и команды и данные, находящиеся в памяти, представляют собой целочисленные двоичные наборы. Отличить команду от данных устройство управления не может, поэтому если программист забыл закончить программу командой останова, устройство управления читает следующие ячейки памяти, в которых уже нет команд программы, и пытается интерпретировать их как команды.

Особым случаем можно считать команды безусловного или условного перехода, когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов. В этом случае команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. Этот адрес записывается устройством управления непосредственно в счётчик команд и происходит переход на соответствующую команду программы.