Термин «архитектура» по отношению к компьютеру во многом означает то же самое, что и по отношению к сооружению. Например, цифровые компьютеры, подобно большинству зданий, имеют общую базовую архитектуру. Базовая схема для большинства цифровых компьютеров была предложена в конце 1940-х годов Дж.фон Нейманом. Компьютер, подобно зданию, является системой, т.е. логическим соединением основных блоков, каждый из которых имеет специфическое назначение. Часто эти укрупненные блоки называются подсистемами и состоят из меньших блоков, служащих какой-то конкретной цели, которые зачастую включают в себя еще меньшие блоки и компоненты.

В состав цифрового компьютера входит пять основных подсистем: устройство управления, арифметико-логическое устройство, подсистемы памяти, ввода-вывода и внутренних связей.

Память. Компьютерная память бывает двух видов: основная и внешняя. Основная память устроена подобно почтовому офису: она состоит из микроскопических ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес, или номер. Элемент информации сохраняется в памяти с назначением ему некоторого адреса. Чтобы отыскать эту информацию, компьютер «заглядывает» в ячейку и копирует ее содержимое в свой «командный» пункт. Емкость отдельной ячейки памяти называется словом. Обычно длина слова для персонального компьютера составляет 16 двоичных цифр, или битов. Длина в 8 бит называется байтом. Типичные большие компьютеры оперируют словами длиной от 32 до 128 бит (от 4 до 16 байт), тогда как миникомпьютеры имеют дело со словами в 16–64 бит (2–8 байт). Микрокомпьютеры используют, как правило, слова длиной 8, 16 или 32 бит (1, 2 или 4 байт соответственно).

Внешняя память обычно располагается вне центральной части компьютера. Поскольку внешняя память работает медленнее основной, она используется, главным образом для хранения информации, которая не требуется компьютеру срочно. Чтобы использовать внешнюю память, «командный пункт» компьютера обычно передает нужное содержимое части внешней памяти в основную. Основная память ограничена по объему, поэтому конструкторы компьютеров стремятся хранить во внешней памяти как можно больше информации.

Центральный процессор. Ключевыми подсистемами компьютера являются управляющее устройство (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ). Вместе они составляют центральный процессор (ЦП) – «командный пункт». В ЦП компьютер манипулирует данными, хранит след своих команд и управляет остальными подсистемами. В большинстве микрокомпьютеров ЦП размещается на одиночном микроэлектронном чипе. У миникомпьютеров УУ зачастую находится на одном чипе, АЛУ – на другом, а команды, управляющие обоими этими устройствами, – на третьем. В больших компьютерах ЦП рассредоточен по многим чипам. Во всех случаях ЦП занимает сравнительно мало места.

(45.14 Кб)

Центральный процессор имеет дело непосредственно с программой, хранимой в основной памяти. Программа представляет собой просто перечень инструкций, указывающих компьютеру, что делать. Большинство компьютерных программ содержит два вида информации: команды и данные. Команды интерпретируются УУ, которое управляет всем, что должно быть сделано, например сложением в АЛУ. Команды поступают в УУ в форме кода операции, называемого так потому, что он сообщает компьютеру, что делать дальше. Большая часть компьютерных задач решается путем манипуляции данными: перемещения слов из одного места памяти в другое, сложения, вычитания, сравнения и изменения слов.

Компоненты типичного ЦП показаны на рисунке. Обычно АЛУ выполняет следующие функции: сложение, вычитание, логические операции, сравнение и манипулирование битами. С помощью проводников АЛУ связано с рядом регистров, представляющих собой наборы схем памяти, которые действуют как временные запоминающие устройства в процессе функционирования ЦП. Обычно в компьютере имеются два набора регистров: один для использования ЦП, другой – для удержания следов команд задействованной программы. Среди регистров ЦП выделим прежде всего сумматор, который является устройством, непосредственно обслуживающим АЛУ. Самые последние результаты операций находятся, как правило, в сумматоре. Среди других регистров назовем счетчик команд (который хранит след адресов команд, подлежащих извлечению из памяти), указатель стека (который хранит след промежуточных результатов вычислений) и различные регистры общего назначения. УУ дешифрует команды, извлеченные из памяти, генерирует и выдает управляющие сигналы, необходимые для перемещения данных в компьютере, и сообщает АЛУ, что делать дальше.

назад   дальше