Структура и принцип работы компьютера

Компьютер появился в середине прошлого столетия как средство автоматизации вычислений, как автомат для решения вычислительных задач. Долгое время этот автомат называли электронной вычислительной машиной ЭВМ. В чем же принципиальное отличие этого автомата от других автоматов? Все технические достижения человечества до появления компьютеров (овладение энергией электричества, атома, ядра, создание систем автоматического управления станками, самолетами, ракетами и др.) увеличивали физические возможности человека, повышали характеристики его органов чувств (зрения, слуха). А компьютер – это усилитель интеллектуальной мощи человека!

Рассмотрим с самых общих позиций, что представляет собою компьютер. Подобно тому, как человек создан по образу и подобию божьему (хотя ориги-

нала никто не видел), компьютер создан по образу и подобию человека, НО человека, выполняющего вычисления в уме. Инструментом вычислений у человека является мозг. Здесь размещаются данные, над которыми производятся вычисления, и здесь же хранится план организации вычислений – алгоритм.

Алгоритм решения вычислительной задачи – это набор арифметических и логических операций, организованный в такую их последовательность, выполнив которую, от исходных данных переходят к искомым результатам.

Программа – такое представление алгоритма, которое «понятно» компьютеру. Запущенная в работу программа управляет ходом вычислений.

У компьютера эти функции выполняют два устройства: память и процессор (рис. 2). Вместе они образуют ядро компьютера, его мозг. В памяти хранятся данные и программы, в процессоре выполняются вычисления (содержательная обработка информации).

Идея поместить в память компьютера вместе с данными и программу решения задачи была высказана американским математиком Дж. фон Нейманом в 1945 г. Именно с этого времени и начинается современная эпоха компьютеров.

Размещение программы вычислений в памяти – это главное, что отличает компьютер от калькулятора. При работе на калькуляторе (пусть этот калькулятор – чудо современной микроэлектроники) программа вычислений находится в голове человека. Скорость вычислений определяется скоростью перебора клавиш калькулятора – одна операция за несколько секунд. Размещение программы в памяти компьютера позволяет:

 полностью автоматизировать процедуру вычислений (теперь они после за- пуска протекают без вмешательства человека);

 в полной мере использовать быстродействие элементной базы компьютеров (скорость вычислений измеряется миллиардами операций в секунду).

Мозг человека связан с окружающим миром органами чувств (зрение, слух, осязание). А ядро компьютера связано с внешним миром системой ввода и вывода (рис. 2). Сюда, в первую очередь, включают монитор (элемент системы вывода), клавиатуру, мышь (элементы системы ввода). Сегодня полную номенклатуру элементов системы ввода-вывода трудно себе даже представить. Каждая сфера применения компьютера требует своих устройств для ввода информации в компьютер и вывода результатов работы потребителю.

Сейчас в массовом применении находятся персональные компьютеры ПК. Технологические достижения современной микроэлектроники позволили так уменьшить размеры компьютера, что он размещается на столе (а то и в руках). Унификация элементов и узлов ПК обеспечивает их массовое производство. При этом снижаются цены на компьютеры, что делает их доступными для все большего числа людей. А вычислительная мощность компьютеров постоянно растет.

Любопытно отметить, что английский ученый, инженер, изобретатель Чарльз Бэббидж еще в середине XIX века попытался создать аналитическую машину для автоматизации вычислений. Конечно, до конца разработать ее Бэббидж так и не сумел потому, что он лет на сто опередил свое время. Тогда объемы вычислений были не очень велики, и автоматизировать их большой нужды не было. Тем не менее, Бэббидж испытал бы законное удовлетворение, узнав, что структура современного компьютера, по существу, повторяет структуру его аналитической машины. Ее память он называл складом, процессор – мельницей. Чарльз Бэббидж и Ада Лавлейс (дочь лорда Байрона) заложи- ли и начала программирования для компьютеров.

Отмеченное противоречие между емкостью памяти и ее быстродействием преодолевают так. Всю память компьютера разделяют на две части, которые размещают на разных уровнях быстродействия. На верхнем уровне находится основная память ОП. Это та память, которая входит в состав ядра компьютера. Именно об этой памяти до сих пор шла речь. И процессор, и ОП состоят из электронных элементов. Поэтому быстродействие ОП согласовано с быстродействием процессора (VMVP), а емкость ее ограничена этим быстродействием (QMB). На нижнем уровне стоят устройства внешней памяти ВП.

Сегодня в ПК применяют широкая номенклатура устройств ВП. Первым назовем такое устройство ВП как накопитель на жестком магнитном диске (жесткий диск, винчестер). Здесь пакет металлических дисков, покрытых магнитным материалом, соединен с механизмом вращения дисков и управления магнитными головка- ми. Все это помещено в закрытый корпус. К устройствам ВП относится и накопители на компакт-дисках – CD и DVD. Здесь пластмассовый диск со слоем металла помещается в привод. На этот металлический слой производится запись информации, с него выполняется и чтение оптико-электронными средствами. Все эти устройства ВП с электромеханическим приводом, и их быстродействие не идет ни в какое сравнение с быстродействием процессора и ОП. Зато емкость их никак не ограничивается быстродействием процессора и может быть сколь угодно большой. Укажем еще на такое устройство ВП, как флэш-накопитель («флэшку»). Это электронная энергонезависимая память с быстродействием существенно большим, чем у электромеханической ВП. Сегодня вместо жестких дисков применяют немеханические электронные устройства – твердотельные SSD -накопители на основе микросхем памяти.

Кстати, человек в своих вычислениях тоже пользуется внешней памятью. У Робинзона Крузо это был столб для зарубок по количеству дней, проведенных на острове. У нас это лист бумаги, классная доска, тетрадь и т.п. для фиксации промежуточных и конечных результатов вычислений.

Сейчас самое время обсудить вопрос о том, как измеряется емкость памяти. Единицей объема памяти является байт.

Для оценки объемов памяти используют более крупные единицы:

1 KB210B1024 B103B (KB – килобайт по аналогии с километром), 1MB210KB220B106B (MB – мегабайт),

1GB210MB230B109B (GB – гигабайт),

1TB210GB240B1012B (TB – терабайт).

Приличной для винчестера сегодня считается емкость в 500 GB, для основной памяти – 8 GB. Диск CD имеет емкость в 700 MB, DVD – 4.7 GB, «флэшки» – 8 GB.

Оценим объем памяти в 1MB, много это или мало. Одна страница машинописного текста содержит примерно 60 строк по 60 символов в строке, то есть примерно 4 тысячи символов. Значит, 1MB насчитывает приблизительно 106символов,

106или 250 страниц. Таким образом, 1MB – это приличная книга. На одном компакт-диске уместится около 600 томов по 200-300 страниц.

Итак, структура компьютера (рис. 2) – модель человека, который выполняет вычисления в уме. Память компьютера распределена по двум уровням. Основная память ОП – рядом с процессором, быстрая, но объем ее ограничен скоростью работы процессора. Внешняя память ВП – электромеханические или оптико-электронные устройства, быстродействие ВП низкое, зато емкость никак не связана с быстродействием процессора и может быть сколь угодно большой.