Принципы устройства компьютеров

Классические принципы построения ЭВМ были предложены в работе А. Беркса, Г. Голдстайна и Д. фон Неймана «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства».

Обычно выделяют следующие наиболее важные идеи этой работы: 

• состав основных компонентов вычислительной машины; 
• принцип двоичного кодирования;
•  принцип адресности памяти;
•  принцип иерархической организации памяти; 
• принцип хранимой программы;
•  принцип программного управления.

ЭВМ должна состоять из нескольких блоков, каждый из которых выполняет вполне определённую функцию. Эти блоки есть и в сегодняшних компьютерах:

• Фрифметико-логическое устройство (АЛУ), в котором выполняется обработка данных; Устройство управления (УУ), обеспечивающее выполнение программы и организующее согласованное взаимодействие всех узлов машины; сейчас АЛУ и УУ изготавливают в виде единой интегральной схемы – микропроцессора.
• Память – устройство для хранения программ и данных; память обычно делится на внутреннюю (для временного хранения данных во время обработки) и внешнюю (для длительного хранения между сеансами обработки); 
• Устройства ввода, преобразующие входные данные в форму, доступную компьютеру; 
• Устройства вывода, преобразующие результаты работы ЭВМ в форму, удобную для восприятия человеком.

      

Принцип адресности памяти. Оперативная память машины состоит из отдельных битов. Для записи или считывания группы соседних битов объединяется в ячейки памяти, каждая из которых имеет свой адрес (номер). Нумерацию ячеек принято начинать с нуля.  Адрес ячейки памяти - это ее номер. Принцип иерархической организации памяти. К памяти компьютера предъявляется два противоречивых требования: ее объем должен быть как можно больше, а скорость работы – как можно выше. Но существенное увеличение объема памяти неизбежно приводит к уменьшению скорости ее работы. Чтобы преодолеть противоречие между объемом памяти и ее быстродействием, используют несколько различных видов памяти, связанных друг с другом. Принцип хранимой программы. Поскольку команды программы и данные по форме представления стали одинаковыми, их можно хранить в единой памяти вместе с данными. Не существует принципиальной разницы между двоичными кодами машинной команды, числа, символа и т.д.

 Принцип программного управления. Любая обработка данных в вычислительной машине происходит по программе. Принцип программного управления определяет наиболее общий механизм автоматического выполнения программы.        

Что называют архитектурой

В литературе общие принципы построения конкретного семейства компьютеров называют архитектурой. Архитектура – это общая схема построения компьютера с учетом взаимных связей между аппаратными и программными средствами. Относят:  принципы построения системы команд и их кодирования; форматы данных и особенности их машинного представления; алгоритм выполнения команд программы; способы доступа к памяти и внешним устройствам ; возможности изменения конфигурации оборудования;

                              

                                              Глава 5 

                                Устройство компьютера.

                          История развития вычислительной техники.

1. Первая механическая машина, с помощью которой можно было производить вычисления,была изготовлена известным французским ученым Блезом Паскалем (1623-1662) в 1645 году.
2. Идея о реализации вычислений в автоматическом (без участия человека) режиме впервые была предложена и детально развита английским ученым Чарльзом Бэббиджем (1791-1871). Он спроектировал и описал аналитическую машину, состав и принципы действия которой фактически повторились в будущих ЭВМ
3. Ада Лавлейс (1815-1852) Программированием для аналитической машины Бэббиджа занималась Ада Лавлейс (дочь английского поэта Д.Г. Байрона, 1815- 1852). Ее идеи оказали большое влияние на развитие программирования. Например, ей принадлежат термины «цикл» и «рабочая ячейка». В честь первого в мире программиста один из языков программирования получил имя Ада.
4. Первой ЭВМ, продемонстрировавшей на практике возможность автоматических расчетов по программе, считается ЭНИАК (сокращение от английского словосочетания Electronic Numeric Integrator and Computer). Он был построен в 1944 году в США под руководством Джона Моучли; главным инженером проекта был Преспер Эккерт. ЭНИАК содержал 18000 электронных ламп и, занимая зал 9×15 м2, потреблял около 150 кВт электроэнергии; он выполнял более 350 умножений и 5000 сложений за секунду. Данные вводились в машину с помощью перфокарт, а программа обработки набиралась с помощью штекеров на специальных панелях. Компьютер «ЭНИАК».
5. Опыт построения первой ЭВМ был проанализирован А. Берксом, Г. Голдстайном и Д. фон Нейманом. В 1946 году они опубликовали работу «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства», ставшую классической. Сформулированные в ней принципы построения вычислительных машин используются и сейчас.
6. Первый микропроцессор Intel 4004 был разработан под руководством инженера М. Хоффа и выпущен в 1971 году. Он был четырехбитным, поскольку предназначался для микрокалькуляторов и должен был производить вычисления над десятичными числами. Интересно, что цель его создания была чисто технологическая: заменить 12 специализированных микросхем одной универсальной, но программируемой.  В результате появились персональные компьютеры (ПК), которыми мы сейчас пользуемся. В 1976 году два молодых приятеля С. Джобс и С. Возняк в гараже родителей Джобса собрали ПК Apple, положивший начало известному ныне семейству компьютеров. А в 1981 году был продемонстрирован первый компьютер другого семейства – IBM PC (IBM Personal Computer), потомки которого в нашей стране особенно широко распространены. С. Джобс и С. Возняк с компьютером Apple-I