Принципы построения компьютера

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом(рис. 3.2).

Рис. 3. 2. Джон фон Нейман, 1945 г.

1. Принцип программного управления.Из него следует,чтопрограмма состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчикакоманд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловногопереходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”.

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, 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 на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности.Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без “счетчика команд”, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Реальная структура ЭВМ значительно сложнее, чем рассмотренная выше, за счет включения в нее дополнений, направленных на повышение производительности и приближение функциональных возможностей ЭВМ к потребностям пользователей. В современных ПК все чаще осуществляется отход от традиционной архитектуры фон Неймана. Однако во многом структура ЭВМ и принципы ее построения и функционирования сохраняются.

Команда КОМПЬЮТЕРА

В общем случае, команда содержит следующую информацию:

- код выполняемой операции;

- указания по определению операндов (или их адресов);

- указания по размещению получаемого результата.

В зависимости от количества операндов, команды бывают:

- одноадресные;

- двухадресные;

- трехадресные;

- переменноадресные.

Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде.

В современных компьютерах длина команд переменная (обычно от двух до четырех байтов),а способы указания адресов переменных весьма разнообразные.

Рассмотрим несколько возможных вариантов команды сложения (англ. add — сложение), при этом вместо цифровых кодов и адресов будем пользоваться условными обозначениями:

- одноадресная команда add x (содержимое ячейки x сложить с содержимым сумматора, а результат оставить в сумматоре)

- двухадресная команда add x, y (сложить содержимое ячеек x и y, а результат поместить в ячейку y)

- трехадресная команда add x, y, z (содержимое ячейки x сложить с содержимым ячейки y, сумму поместить в ячейку z)

Выполнение команды можно проследить по схеме (рис. 3.1).

Как пpавило, этот процесс разбивается на следующие этапы:

- из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;

- выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;

- устройство управления расшифровывает адресное поле команды;

- по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;

- УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;

- результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;

- все предыдущие этапы повторяются до достижения команды “стоп”.