Призначення, структура і класифікація технічних засобів

Комп’ютер ‒ це пристрій, створений як універсальний інструмент для опрацювання інформації шляхом послідовного виконання певного набору команд.

Незалежно від розмірів, зовнішнього вигляду всі комп'ютери мають приблизно однакову загальну структуру та однаковий принцип дії.

Американський математик угорського походження Джон фон Нейман запропонував у 1946 році архітектуру обчислювальної системи, яка є основою вже для чотирьох поколінь ЕОМ. Джон фон Нейман вперше описав архітектуру комп'ютера як універсального, компактного, ефективного пристрою для опрацювання інформації. Комп'ютер має складатися з таких основних частин:

1) арифметико‒логічного пристрою (АЛП), який виконує арифметичні та логічні операції;

2) пристрою управління, який здійснює операції з організації процесу виконання програм;

3) запам'ятовуючого пристрою або пам'яті для збереження програм і даних;

4) зовнішніх пристроїв для забезпечення введення та виведення інформації.

Архітектуру комп'ютера, в якій використовуються ідеї фон Неймана, зображено на мал.1.

Рубрика “Цікаво”

Хто творець першого комп’ютера?

Це питання не таке однозначне, як здається на перший погляд. До середини 70‒х років XX століття (тобто, майже 30 років поспіль) вважалося, що першим комп'ютером у світі є ENIAK, створений у 1946 році американськими вченими Джоном Моклі та Проспером Екертом (це був електронний цифровий інтегратор і комп'ютер, що працював, використовуючи десяткову систему числення). Але у 1973 році за результатами судового розгляду справи за позовом американської компанії Honey well.Inc, до американської фірми Sperry Rand Corporation, яка володіла патентом на ENIAK, цей патент було визнано недійсним, оскільки судом було доведено, що вищезазначені Д. Моклі та П. Екерт у своїй розробці використали основні ідеї, які вони запозичили з пристрою АВС, що створив американець Джон Атанасофф ще у 1939 році.

Отже, нині доведено, що першою електронною обчислювальною машиною у світі є пристрій АВС, що був створений у 1939—1942 роках американськими фізиками‒теоретиками Джоном Вінсентом Атанасоффом та Кліффордом Беррі. Комп'ютер АВС був створений на електронних лампах, працював з використанням двійкової системи числення.

Відмінності від схеми фон Неймана, які мають сучасні комп'ютери, настільки несуттєві, що для розуміння принципів функціонування комп'ютера достатньо наведеної схеми.

Кожний комп'ютер являє собою сукупність двох обов'язкових складових ‒ апаратної і програмної.

Апаратна частина кожного комп'ютера (незалежно від його розмірів і конфігурації) складається з таких функціональних блоків:

пристрій управління,

арифметично‒логічний пристрій (АЛП),

запам'ятовуючий пристрій

та пристрої введення/виведення (див.мал.1).

Програмна частина описує алгоритм розв'язування задачі, а також містить необхідні дані. Програма складається з окремих команд машинної мови. Перша команда завжди розміщується у комірці з наперед визначеною адресою. Після введення до АЛП команди і необхідних для її роботи даних пристрій управління одержує відомості про розташування у пам'яті наступної команди.

мал.1:Функціональна схема комп’ютера

Команда виконується, її результат записується до оперативної пам'яті. Пристрій управління передає адресу наступної команди, і вона надходить до АЛП. Процес виконання програми продовжується доти, поки не трапиться спеціальна програма "Стоп". Якщо серед програм команди є програма виведення, то опитується відповідний пристрій, наприклад пристрій друкування, і, якщо він увімкнений і готовий до роботи, то здійснюється виведення (друкування) результатів.

Команда ‒ це вказівка, яку саме операцію і над якими даними потрібно виконати (наприклад, "додати два числа 5 і 7").

Програма ‒ це впорядкована сукупність команд та даних, що визначає послідовність операцій, які потрібно виконати комп'ютеру для одержання розв'язку задачі. У більшості випадків АЛП і пристрій управління не розглядаються окремо, а об'єднуються одним словом "процесор".

Процесор ‒ це пристрій для опрацювання даних. Саме в процесорі виконуються основні дії, необхідні для розв'язання конкретної задачі. Прийнято говорити, що процесор виконує команди. Центральний процесор містить АЛП, постійний запам'ятовуючий пристрій з мікропрограмами, оперативні запам'ятовуючі пристрої, які називаються регістрами загального призначення, акумулятор, внутрішній пристрій керування та лічильник адреси.

Незалежно від кількості процесорів, кожний комп'ютер має оперативну пам'ять, з якою працюють процесори. Джон фон Нейман запропонував кілька принципів роботи комп'ютерів, названих принципами програмного управління. Головний із них ‒ це принцип єдиної лінійної пам'яті:

‒ "єдиної"" означає, що програма і дані зберігаються в одній пам'яті. Одна і та сама комірка пам'яті для однієї задачі може зберігати команду, а для іншої — дані.

‒ "лінійної"" означає, що всі комірки пам'яті пронумеровано. Номер комірки називається її адресою.

Комірки пам'яті ЕОМ складаються з кількох бістабільних пристроїв, тобто пристроїв, які можуть знаходитися в одному із двох стабільних станів. Ці стани відповідають нулю або одиниці. Отже, сукупність станів m‒бістабільних пристроїв відповідає т‒розрядному двійковому числу.

В різних комп'ютерах розміри комірок різні. У середині 60‒х років склався стандарт одиниці виміру пам'яті — байт. Байт являє собою послідовність восьми двійкових розрядів, в кожному з яких може бути записаний нуль або одиниця. Один двійковий розряд називається бітом.

Усі команди та дані в комп'ютері подаються у дискових кодах. Для зберігання одного символу (літери, цифри тощо), як правило достатньо одного байта. Для цілого числа ‒ 2 або 4 байти, а для дійсного ‒ 4 або 8, інколи 6 байтів, залежно від конкретного завдання та особливостей комп'ютера. Машинні команди також бувають різної довжини. Здебільшого в командах дані для опрацювання містять не у вигляді конкретних чисел, а у вигляді адрес комірок пам'яті, де вони зберігаються.

Програмне забезпечення сучасних комп'ютерів дозволяє користувачеві не думати про те, які команди машинної мови використовуються і де саме в пам'яті знаходяться програми та дані. Робота користувача з комп'ютером відбувається через зовнішні пристрої введення/виведення, які дозволяють відображати інформацію у зрозумілій для користувача формі (текстовій, графічній, звуковій), а також вводити до комп'ютера дані та команди у формі, звичній для користувача. Під час виконання програми час від часу опитує пристрої введення/виведення. Виконання програми може перериватися сигналами пристроїв управління. Ці сигнали генеруються як реакція на події. Такими подіями можуть бути: запити зовнішніх пристроїв на обслуговування, команди користувача тощо. Таким чином, для роботи більш‒менш складного програмне керованого пристрою, необхідне планування та розподіл так званих ресурсів системи:

• процесорний час. Він розподіляється між процесами за допомогою спеціальних стратегій розподілу;

• оперативна пам'ять. Для кожного процесу керуюча система виділяє окрему область пам'яті і забезпечує її захист від використання іншими процесами;

• периферійні пристрої. Керуюча система організовує черги на обслуговування процесів пристроями і блокує спроби одночасного доступу процесів до пристроїв;

• файли, що зберігаються у зовнішній пам'яті, тобто зовнішня пам'ять.

Отже, для ефективної роботи комп'ютера, необхідна наявність системи керування. Без системи керування процесом виконання програми комп'ютер може виконувати тільки одну програму, в якій необхідно передбачити і описати абсолютно всі можливі події та реакції на них. Таким чином програмуються спеціалізовані програмне керовані автомати, наприклад, для опрацювання даних у телефонному апараті, телевізорі, у мікрохвильовій печі. Гнучкість, універсальність комп'ютеру надає програмна складова ‒ операційна система, яка здійснює програмне керовані дії з керування ресурсами комп'ютера.