Раздел 5. Технические средства реализации информационных процессов (принципы работы компьютера)
5.1. Основные принципы построения компьютера
5.1.1. Основные функциональные части компьютера
В конце 40-х годов Нейман изложил основные принципы построения компьютера. В основном, эти принципы сохранились и в настоящее время. Компьютер, основанный на принципах Неймана должен состоять из следующих устройств:
- арифметико-логического устройства (АЛУ) для выполнения вычислительных и логических операций;
- устройства управления (УУ) для организации процесса выполнения программ;
- запоминающего устройства, или памяти, для хранения программ и данных;
- внешних устройств ввода-вывода информации (УВВ)
С помощью внешних устройств в память компьютера вводятся программы и данные для обработки. По команде оператора с клавиатуры устройство управления считывает содержащиеся в памяти программы и данные и передает их в АЛУ. Результат обработки УУ записывает в память и передает их на внешние устройства (монитор, принтер).
Структурная схема компьютера приведена на рис. 5.1.
ЦПУ
Устройство
ввода
АЛУ
ЗУ
УУ
Устройство
вывода
Рис. 5.1. Основные функциональные узлы компьютера
5.1.2. Взаимодействие процессора и памяти
Процессор – это основная рабочая часть компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Общение процессора с памятью осуществляется через шины данных, шины адресов и шины управления. Шина адреса предназначена для передачи адреса устройства или ячейки памяти, к которой обращается процессор. По шине данных передается вся информация при записи и считывании. Процесс взаимодействия процессора и памяти сводится к двум операциям: записи и считывания информации. При записи процессор по шине адреса передает адрес в двоичном коде, по управляющей шине – управляющий сигнал в двоичном коде и по шине данных передает записываемую информацию также в двоичном коде.
Общий вид памяти представлен на рис. 5.2. На нем показаны различные типы запоминающих устройств, не все обязательно входят в состав ЭВМ и характер связей может отличаться.
Рис. 5.2 . Состав памяти компьютера
Верхнее место в иерархии памяти занимают регистровые ЗУ, которые входят в состав процессора и часто рассматриваются не как самостоятельный блок ЗУ, а просто как набор регистров процессора. Такие ЗУ в большинстве случаев реализованы на том же кристалле, что и процессор и предназначены для хранения небольшого количества информации (до несколько десятков слов, иногда до сотни), которая обрабатывается в текущий момент времени или часто используется процессором. Обращение к этим ЗУ происходит непосредственно по командам процессора. На физическом уровне регистр – это совокупность триггеров, способных хранить один двоичный разряд.
Следующую позицию в иерархии занимают буферные ЗУ. Их назначение состоит в сокращении времени передачи информации между процессором и более медленными уровнями памяти компьютера. Буферная память может устанавливаться на различных уровнях. В настоящее время такие буферные ЗУ называют «кэш-память» или просто кэш.
Принцип использования буферной памяти во всех случаях сводится к одному и тому же. Буфер представляет собой более быстрое, но менее емкое ЗУ, чем то, для ускорения действия которого он предназначен. При этом в буфере размещается только та часть информации из более медленного ЗУ, которая используется в настоящий момент.
Служебные ЗУ (вспомогательные). Иногда их еще называют управляющей памятью. Они используются для управления многоуровневой памятью. В управляющей памяти хранятся микропрограммы выполнения команд процессора а также различных служебных операций. Обычно это небольшие (до несколько Кбайт), но быстродействующие ЗУ
Оперативная память (ОЗУ). ОЗУ является основным запоминающим устройством ЭВМ, в котором хранятся выполняемые в настоящий момент процессором команды и обрабатываемые данные, резидентные программы, модули операционной системы и т.п. Ранее эту память называли основной, потом основной оперативной памятью. Иногда ее называют RAM – память с произвольным доступом.
Эта память используется в качестве основного запоминающего устройства ЭВМ для хранения программ, выполняемых или готовых к выполнению в текущий момент времени и относящихся к ним данных. В оперативной памяти располагаются и компоненты операционной системы, необходимые для ее нормальной работы. Информация, находящаяся в ОЗУ, непосредственно доступна командам процессора, при условии соблюдения защиты.
Объем оперативной памяти составляет сотни Мбайт, время обращения – единицы, десятки наносекунд.
Дополнительная память. Иногда ее называют расширенной. Термин это применим только к IBM PC и используется для наращивания ОЗУ.
Видеопамять. Видеопамять графического адаптера используется в качество буферной памяти для снижения нагрузки на основную память и системную шину процессора.
Буферная память (память каналов). Служит в качестве буферной памяти контроллеров жестких дисков и в каналах ввода – вывода для организации одновременной работы нескольких внешних устройств. Емкость и быстродействие этих видов памяти зависят от конкретного функционального назначения.
Жесткие диски
В жестком диске хранится вся информация, которая используется в операционной системе, основных прикладных программах, различные пакеты, справочные данные.
Емкость этой памяти, которая может включать в свой состав до несколько десятков дисков, обеспечивающих хранение большого количества данных. Типовая емкость десятки гигабайт.