Структура й принципи функціонування ЕОМ

Більш ніж за піввіку розвитку обчислювальних засобів прогрес в апаратній реалізації ЕОМ і їхніх технічних характеристик перевершив всі прогнози, і поки не помітне зниження його темпів. Незважаючи на те, що сучасні ЕОМ зовні не мають нічого загального з першими моделями, основні ідеї, закладені в них і пов'язані з поняттям алгоритму, розробленим Аланом Тюрінгом, а також архітектурною реалізацією, запропонованої Джоном фон Нейманом, поки не перетерпіли корінних змін (за винятком систем паралельної обробки інформації).

Будь-яка ЕОМ неймановської архітектури містить наступні основні пристрої:

· арифметико-логічний пристрій (АЛП) (алу);

· пристрій керування (ПК) (уу)

· запам'ятовувальний пристрій (ЗП) (зу);

· пристрою вводу-виводу (ПВВ) (увв);

· пульт керування (ПК) (пу).

У сучасних ЕОМ АЛП й пристрій керування об'єднані в загальний пристрій, названий центральним процесором. Узагальнена логічна структура ЕОМ представлена на мал. 1.3.

Рис. 1.3. Узагальнена логічна структура ЕОМ

Процесор, або мікропроцесор, є основним пристроєм ЕОМ. Він призначений для виконання обчислення по програмі, що зберігається в запам'ятовувальному пристрої, і забезпечення загального керування ЕОМ. Швидкодія ЕОМ значною мірою визначається швидкістю роботи процесора. Для її збільшення процесор використає власну пам'ять невеликого обсягу, іменовану місцевою або зверхоперативною, що в деяких випадках виключає необхідність звертання до запам'ятовувального пристрою ЕОМ.

Обчислювальний процес повинен бути попередньо представлений для ЕОМ у вигляді програми - послідовності інструкцій (команд), записаних у порядку виконання. У процесі виконання програми ЕОМ вибирає чергову команду, розшифровує її, визначає, які дії й над якими операндами варто виконати. Цю функцію здійснює пристрій керування. Воно ж поміщає обрані із запам’ятовувального пристрою операнды в арифметико-логічний пристрій, де вони й обробляються. Саме арифметико-логічний пристрій працює під керуванням пристрою керування.

Оброблювані дані й виконувана програма повинні перебувати в запам'ятовувальному пристрої — пам'яті ЕОМ, куди вони вводяться через пристрій уведення. Ємність пам'яті виміряється у величинах, кратних байту. Пам'ять являє собою складну структуру, побудовану по ієрархічному принципі, і містить у собі запам'ятовувальні пристрої різних типів. Функціонально вона ділиться на дві частини: внутрішню й зовнішню.

Внутрішня, або основна пам'ять — це запам'ятовувальний пристрій, прямо пов'язаний із процесором і призначений для зберігання виконуваних програм і даних, що безпосередньо беруть участь в обчисленнях. Звертання до внутрішньої пам'яті ЕОМ здійснюється з високою швидкодією, але вона має обмежений обсяг, обумовлений системою адресації машини.

Внутрішня пам'ять, у свою чергу, ділиться на оперативну (ОЗУ) і постійну (ПЗУ) пам'ять. Оперативна пам'ять, по обсязі складова" більшу частину внутрішньої пам'яті, служить для прийому, зберігання й видачі інформації. При вимиканні живлення ЕОМ уміст оперативної пам'яті в більшості випадків губиться. Постійна пам'ять забезпечує зберігання й видачу інформації. На відміну від вмісту оперативної пам'яті, вміст постійної заповнюється при виготовленні ЕОМ і не може бути змінений у звичайних умовах експлуатації. У постійній пам'яті зберігаються часто використовувані (універсальні) програми, і дані, приміром, деякі програми операційної системи, програми тестування устаткування ЕОМ і ін. При вимиканні живлення вміст постійної пам'яті зберігається.

Зовнішня пам'ять (ЗЗП) призначена для розміщення більших обсягів інформації й обміну нею з оперативною пам'яттю. Для побудови зовнішньої пам'яті використають енергонезалежні носії інформації (диски й стрічки), які до того ж є переносними. Ємність цієї пам'яті практично не має обмежень, а для звертання до неї потрібно більше часу, ніж до внутрішньої.

Зовнішні запам'ятовувальні пристрої конструктивно відділені від центральних пристроїв ЕОМ (процесора й внутрішньої пам'яті), мають власне керування й виконують запити процесора без його безпосереднього втручання. У якості ЗЗП використовують накопичувачі на магнітних і оптичних дисках, а також накопичувачі на магнітних стрічках.

ЗЗП по принципах функціонування розділяються на пристрої прямого доступу (накопичувачі на магнітних і оптичних дисках) і пристрої послідовного доступу (накопичувачі на магнітних стрічках). Пристрої прямого доступу мають більшу швидкодію, тому вони є основними зовнішніми запам'ятовувальними пристроями, постійно використовуваними в процесі функціонування ЕОМ. Пристрої послідовного доступу використовуються в основному для резервування інформації.

Пристрої вводу-виводу служать відповідно для введення інформації в ЕОМ і виводу з неї, а також для забезпечення спілкування користувача з машиною. Процеси вводу-виводу протікають із використанням внутрішньої пам'яті ЕОМ. Іноді пристрою вводу-виводу називають периферійними або зовнішніми пристроями ЕОМ. До них ставляться, зокрема, дисплеї (монітори), клавіатура, маніпулятори типу «миша», алфавітно-цифрові друкувальні пристрої (принтери), графобудівники, сканери й ін. Для керування зовнішніми пристроями (у тому числі й ЗЗП) і узгодження їх із системним інтерфейсом служать групові пристрої керування зовнішніми пристроями, адаптери або контролери.

Системний інтерфейс — це конструктивна частина ЕОМ, призначена для взаємодії її пристроїв і обміну інформацією між ними.

У більших, середніх і супер-эвм як системний інтерфейс використаються складні пристрої, що мають убудовані процесори вводу-виводу, іменовані каналами. Такі пристрої забезпечують високу швидкість обміну даними між компонентами ЕОМ.

Відмінною рисою малих ЕОМ є використання в якості системного інтерфейсу системних шин. Розрізняють ЕОМ із багатошинною структурою й із загальною шиною. У перші для обміну інформацією між пристроями використаються окремі групи шин, у другому випадку всі пристрої ЕОМ поєднуються за допомогою однієї групи шин, у яку входять підмножини шин для передачі даних, адреси й керуючих сигналів. При такій організації системи шин обмін інформацією між процесором, пам'яттю й периферійними пристроями виконується за єдиним правилом, що спрощує взаємодію будов машини.

Пульт керування служить для виконання оператором ЕОМ або системним програмістом системних операцій у ході керування обчислювальним процесом. Крім того, при технічному обслуговуванні ЕОМ за пультом керування працює інженерно-технічний персонал. Пульт керування конструктивно часто виконується разом із центральним процесором.