1.3. Структура компьютеров
Компьютер как техническая система состоит из совокупности устройств, обеспечивающих хранение, обработку, ввод и вывод информации. Устройства соединяются между собой, образуя единую систему – компьютер. Совокупность устройств и связей между ними определяют структуру компьютера.
Каноническая структура компьютера.Каноническая(основополагающая) структура компьютера представлена на рис. 1.3.1.
Память– устройство для хранения данных в компьютере. В памяти размещаются программы и данные – исходные данные, промежуточные и конечные результаты.
Процессор– устройство для выборки команд из памяти и выполнения действий, предписанных командами. Другими словами, процессор обрабатывает команды и данные. Обработка команды состоит из следующих действий:
Процессор посылает в память адрес Акоманды, и из памяти в процессор выбирается командаК.
Процессор дешифрирует код операции, указанный в команде, и читает из памяти операнды с адресами А, заданными в команде.
Процессор выполняет над операндами операцию, указанную в коде операции, в результате чего формируется результат. Результат Р, если это предписано кодом операции, записывается в память по указанному в команде адресу.
Процессор формирует адрес следующей команды в порядке естественной адресации А:=А+1 или из адресной части команд переходаА:=Ак.
После этого цикл выборки и исполнения команды повторяется.
Для обмена информацией между компьютером и внешней средой служат устройства ввода-вывода. Так, для обмена информацией с человеком наиболее широко в качестве устройств ввода используются клавиатура и мышь, указывающая позицию на экране монитора, а в качестве устройства вывода – монитор. Для передачи данных между компьютером и удаленными объектами по линиям связи, например по телефонной линии – каналу связи, для ввода изображений используют сканеры, считывающие листы текста, фотографии и чертежи; для вывода текстов, графики, изображений – печатающие устройства и т.д.
Ввод-вывод информации инициируется программой с помощью команд ввода-вывода. Обрабатывая команду, процессор передает ее исполнение указанному в команде устройству ввода‑вывода. Операция ввода сводится к передаче данных от устройства ввода в память, а операция вывода – к передаче данных из памяти в устройство вывода. Операции ввода иначе называются операциями чтения, а операции вывода – операциями записи. Поэтому команды ввода-вывода называются командами чтения‑записи.
Основные характеристики процессора:
длина обрабатываемого слова. Исчисляется в битах или байтах;
система команд процессора, определяющая состав операций и способы адресации операндов;
быстродействие, определяющее количество операций, выполняемых процессором за секунду;
стоимость.
Наиболее широкое распространение получили процессоры с длиной словаот 8 до 64 битов, т.е. от 1 до 8 байт.Системы команд процессора ориентируются на области их применения, т.е. классы задач, и существенно различаются как составом операций, так и способами адресации данных в первую очередь и объемом адресуемой памяти, определяющим длину адреса, указываемого в командах.Быстродействие процессоразависит от быстродействия (скорости переключения) транзисторов, определяемого типом и технологией производства полупроводниковых интегральных схем, а также способом обработки команд и выполнения операций в процессоре.Стоимость процессоразависит в первую очередь от уровня технологии производства интегральных схем функциональных возможностей процессора, определяемых длиной обрабатываемых слов, системой команд и быстродействием процессора. Чем больше длина слова, сложнее система команд и выше быстродействие, тем больше стоимость процессора.
Основные характеристики памяти – емкость и быстродействие. Емкость памяти– предельное количество размещаемой информации. Емкость исчисляется вкилобайтах(Кбайт),мегабайтах(Мбайт),гигабайтах(Гбайт) итерабайтах(Тбайт): 1 Кбайт = 1024 байт, 1 Мбайт = 1024 Кбайт, 1 Гбайт = 1024 Мбайт, 1 Тбайт = 1024 Гбайт. Быстродействие памяти определяется затратами времени на передачу некоторого обмена данных при их чтении из памяти и записи в память и существенно зависит от типа устройств, используемых для организации памяти.
Каноническая структура компьютера (см. рис. 1.3.1) соответствует неймановскому принципу программного управления и в принципе обеспечивает реализацию программ. Однако каждая область применения компьютеров, определяемая классом задач, решение которых возлагается на компьютеры, порождает специфичные требования к компьютерам:
емкость памяти должна быть достаточной для хранения данных и программ, соответствующих области применения компьютера;
быстродействие процессора, памяти и устройств ввода-вывода должны быть достаточны для хранения программ за заданное время, т.е. производительность компьютера должна обеспечивать решение требуемого количества задач за установленное время;
стоимость компьютера и его эксплуатации должна обеспечивать экономическую эффективность компьютерной технологии обработки данных, т.е. быть ниже стоимости обработки данных другими методами, например, с помощью калькулятора и таблиц для записи вычисляемых результатов.
В вычислительной технике для хранения, обработки и ввода-вывода информации используется широкая номенклатура разнотипных устройств, отличающихся емкостью, быстродействием и стоимостью. Поэтому в различных компьютерах используются разнотипные процессоры, память организуется на основе запоминающих устройств с различными принципами хранения и доступа к информации, и для ввода-вывода используются различные устройства, объединяемые в структуры более сложные, чем каноническая структура. Таким образом, каноническая структура компьютера – это прообраз структурной организации компьютеров, на основе которого строятся различные варианты компьютеров для различных областей применения.
Интерфейсы. Устройства соединяются между собой обычно проводимыми линиями, обеспечивающими передачу электрических сигналов (рис. 1.3.2).
В течение некоторого интервала времени по линиям может быть передан двоичный сигнал со значением b = 0 или b = 1,т.е. бит информации. Совокупность линий, соединяющих устройства, называетсяшиной.
Совокупность линий (шина) и алгоритм взаимодействия устройств путем передачи сигналов по линиям называется интерфейсом. Подразумевая наличие алгоритма, определяющего порядок взаимодействия устройств, шину, связывающую устройства, называют интерфейсом. И термины «шина» и «интерфейс» рассматривают как синонимы.
Обмен информацией между устройствами инициируется одним из устройств, которое формирует определенную алгоритмом совокупность сигналов. Реагируя на эти сигналы, другое устройство вступает в процесс передачи информации (сигналов) в порядке, заданном алгоритмом функционирования интерфейса.
Интерфейс определяется на двух уровнях: логическом и конструктивном (физическом). Логический уровень устанавливает состав линий интерфейса, т.е. шины, и алгоритм передачи сигналов и данных по линиям. Конструктивный уровень устанавливает электрические и временные параметры сигналов, передаваемых по линиям интерфейса: уровни напряжения, соответствующие значениям 0 и 1, время переключения сигналов и их длительность и т.д. Кроме того, конструктивный уровень устанавливает тип проводников, из которых составляется интерфейсная шина, тип разъемов и распределение линий по контактам разъемов.
Интерфейсы подразделяются на последовательные и параллельные. Последовательныйинтерфейс обеспечивает передачу информации побитно – бит за битом.Параллельный интерфейсобеспечивает передачу информации байтами или словами.
Для обеспечения возможности подключения разнотипных устройств, например различных устройств ввода‑вывода, интерфейсы стандартизуются и называются стандартными интерфейсами.
Основная характеристика интерфейса – пропускная способность, определяемая предельным количеством данных, которое может быть передано через интерфейс за секунду. Пропускная способность зависит от типа электронных схем, формирующих сигналы, передаваемые по линиям, числа, типа и длины линий, и алгоритма обмена данными, определяющего порядок взаимодействия устройств при передаче данных через интерфейс. Другая характеристика интерфейса – предельно допустимая длина интерфейса, определяющая предельное расстояние между сопрягаемыми устройствами.