ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭВМ (АРХИТЕКТУРА И СТРУКТУРА ЭВМ).

Электронная цифровая вычислительная машина (ЭВМ) - это устройство или система, способная выполнять заданную, четко отработанную последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчетов и манипулирования данными, однако, сюда относятся и операции ввода-вывода.

Операции внутри последовательности могут зависеть от конкретных значений данных. Описание последовательности операций называется алгоритмом. Программа - это алгоритм, записанный на понятном машине языке, или, другими словами, - набор команд, управляющих работой ЭВМ.

Современные ЭВМ, созданные для различных областей применения, во многом отличаются друг от друга. Однако все они построены на основе принципа программного управления, один из способов реализации которого, был предложен в 1945 году Джоном фон Нейманом. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени.

Из неймановского принципа программного управления однозначно определяется состав ЭВМ,

Арифметико-логическое устройства (АЛУ) выполняет вычисления и расчеты по заранее заданной программе:

различные арифметические и логические операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, сдвиг, И, ИЛИ и др. Иногда АЛУ называют устройством обработки данных.

Устройство управления (УУ) является организующим и направляющим устройством ЭВМ. Оно обеспечивает управление и контроль всех устройств, входящих в ЭВМ.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления образуют процессор ЭВМ. Процессор на одной или нескольких интегральных схемах называется микропроцессором. Назначение процессора - реализация программного управления, т.е. выборка команд из памяти и их выполнение.

Запоминающие устройства (память) обеспечивают хранение исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они делятся на оперативные (ОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ).

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при изготовлении и не подлежит изменению. Следовательно, прочитать эту информацию можно, а изменить нельзя. Даже при выключении питания информация в ПЗУ остается, в этом состоит отличие ПЗУ от ОЗУ.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) предназначены для записи, хранения и считывания информации; при выключении питания вся информация из ОЗУ разрушается. ОЗУ - устройство, способное работать в темпе процессора. Они обычно дороги и не обладают необходимыми характеристиками по объему хранимой информации. Поэтому для хранения больших объемов информации приходится применять более дешевые, но и значительно менее быстродействующие устройства - внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В качестве ВЗУ (внешней памяти) используются магнитные носители - ленты, диски, барабаны. Они предназначены для длительного хранения больших объемов информации, а также для переноса информации с одного компьютера на другой. ВЗУ не обладают нужными характеристиками по скорости и поэтому не могут согласованно работать вместе с процессором. Поэтому в ЭВМ применяется многоуровневая память. Непосредственно доступна процессору только информация, хранящаяся в ОЗУ. При необходимости использования информации из ВЗУ делается ее пересылка в ОЗУ. ВЗУ имеют много общего с устройствами ввода - вывода (УВВ). Поэтому в дальнейшем будем устройства этих двух классов называть единым термином - периферийные устройства (ПУ).

Обычно память и процессор выполнены с помощью электронных схем и информация в них представляется в виде или электрических импульсов, или уровней напряжения, или направлением намагниченности используемых магнитных материалов. Эти физические величины недоступны для непосредственного восприятия человеком. Поэтому результаты вычислений необходимо преобразовать в форму понятную пользователю.

Устройства ввода используются для ввода в ЭВМ данных, необходимых для вычислительного процесса, а также программы, в соответствии с которой должно выполняться решение задачи. Для ввода информации используются клавиатура, дисковод (для считывания информации с магнитных дисков), магнитофон, сканер и т.д.

Устройство вывода обеспечивает выдачу результатов решения задачи на ЭВМ в форме, удобной для человека-оператора. Для вывода информации используются дисплей (монитор), принтер, графопостроитель, дисковод (для записи информации на магнитные диски) и т.д.

Таким образом, в состав ЭВМ входят устройства трех основных классов:

-операционные, предназначенные для выполнения операций над информацией;

-запоминающие, предназначенные для хранения множества элементов информации (команд и данных);

- ввода-вывода, предназначенные для связи ЭВМ с окружающей ее средой, в том числе человеком, и преобразующие физическую природу и представление сигналов.

Основным операционным устройством ЭВМ является процессор.

Исходя из вышесказанного, следует, что, несмотря на имеющиеся различия, при решении задач все типы ЭВМ выполняют один набор основных функций: ввод информации, хранение, арифметические и логические преобразования, вывод информации и управление работой всех устройств, входящих в состав ЭВМ.

При рассмотрении ЭВМ принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектура ЭВМ - понятие, охватывающее общую логическую организацию ЭВМ, состав и назначение ее функциональных средств, принципы кодирования и т. п., т. е. все то, что однозначно определяет принцип обработки информации на данной ЭВМ.

Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Совместное функционирование взаимосвязанных между собой элементов , представляемое совокупностью физических процессов, приводит к реализации заданных функций ЭВМ, т. е. к вычислениям на основе алгоритмов.

Ввиду большой сложности современных ЭВМ принято представлять их структуру иерархически, т. е. понятие "элемент" жестко не фиксируется. Так , на самом высоком уровне сама ЭВМ может считаться элементом. На следующем (программном) уровне иерархии элементами структуры ЭВМ являются память, процессор и другие операционные устройства, устройства ввода-вывода. На более низком уровне (микропрограммном) элементами являются узлы и блоки, из которых строятся память, процессор и т. д. Наконец, на самых низких уровнях элементами являются интегральные логические микросхемы и электрорадиоэлементы. Любой элемент ЭВМ точно так же, как и сама ЭВМ, характеризуется функцией и структурой. Иерархичность функций и структур облегчает проектирование, использование и изучение ЭВМ и находит отражение в модульном принципе построения самой ЭВМ и ее программного обеспечения.