ЕОМ - програмно-керований цифровий автомат

Глава 2. Загальні принципи організації та роботи комп'ютерів

2.1 Принцип побудови комп'ютера, структура комп'ютера

При розгляді обчислювальних пристроїв (комп'ютерів) прийнято розрізняти їх архітектуру та структуру.

Структура комп'ютера – це сукупність його функціональних елементів та зв'язків між ними. Елементами можуть бути різні пристрої – від основних логічних вузлів комп'ютера до найпростіших схем. Структура комп'ютера графічно представляється як структурних схем, з допомогою яких можна дати опис комп'ютера будь-якому рівні детализации.

У основу побудови переважної більшості комп'ютерів покладено загальні принципи сформульовані 1945г. Американським вченим Джоном фон Нейманом.

Принципи фон Неймана

У 1946 році Д. фон Нейман, Г. Голдстайн і А. Беркс у своїй спільній статті виклали нові принципи побудови та функціонування ЕОМ. Надалі з урахуванням цих принципів проводилися перші два покоління комп'ютерів. У пізніших поколіннях відбувалися деякі зміни, хоча принципи Неймана є актуальними й сьогодні.

По суті, Нейману вдалося узагальнити наукові розробки та відкриття багатьох інших вчених та сформулювати на їх основі принципово нове.

Принцип програмного управління: програма складається з набору команд, що виконуються процесором певної послідовності.

Принцип однорідності пам'яті: програми та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті.

p align="justify"> Комп'ютери, побудовані на перерахованих принципах, відносяться до типу фон - неймановських.

Найголовнішим наслідком цих принципів можна назвати те, що тепер програма вже була постійною частиною машини (як, наприклад, у калькулятора). Програму можна було легко змінити.Для порівняння, програма комп'ютера ENIAC (де не було збереженої у пам'яті програми) визначалася спеціальними перемичками на панелі. Щоб перепрограмувати машину (встановити перемички по-іншому), міг знадобитися далеко не один день. І хоча програми для сучасних комп'ютерів можуть писатися роки, однак вони працюють на мільйонах комп'ютерів, встановлення програм не потребує значних витрат часу.

Крім перелічених трьох принципів фон Нейман запропонував принцип двійкового кодування - для представлення даних і команд використовується двійкова система числення (перші машини використовували десяткову систему числення). Але подальші розробки показали можливість використання нетрадиційних систем числення.

На початку 1956 р. з ініціативи академіка С.Л. Соболєва, завідувача кафедри обчислювальної математики на механіко-математичному факультеті Московського університету, в обчислювальному центрі МДУ було засновано відділ електроніки та почав працювати семінар з метою створення практичного зразка цифрової обчислювальної машини, призначеної для використання у вузах, а також у лабораторіях та конструкторських бюро промислових підприємств. . Потрібно розробити малу ЕОМ, просту в освоєнні та застосуваннях, надійну, недорогу і водночас ефективну у широкому спектрі завдань. Грунтовне вивчення протягом року обчислювальних машин і технічних можливостей їх реалізації, що були на той час, призвело до нестандартного рішення використати в створюваній машині не двійковий, а трійковий симетричний код, реалізувавши врівноважену систему числення, яку Д. Кнут через двадцять років назве можливо, самої і як потім стало відомо, переваги якої були виявлені К. Шенноном у 1950р. На відміну від загальноприйнятого у сучаснихкомп'ютери двійкового коду з цифрами 0, 1, арифметично неповноцінного внаслідок неможливості безпосереднього подання в ньому негативних чисел, трійковий код з цифрами -1, 0, 1 забезпечує оптимальну побудову арифметики чисел зі знаком. Трійкова система числення заснована на тому ж позиційному принципі кодування чисел, що і прийнята в сучасних комп'ютерах двійкова система, проте вагаi-ї позиції (розряду) в ній дорівнює не 2 i, а 3 i. При цьому самі розряди не двозначні (не биті), а тризначні (трити) - крім 0 і 1 допускають третє значення, яким у симетричній системі служить -1, завдяки чому однаково представимі як позитивні, так і негативні числа. Значення n-тритного цілого числа N визначається аналогічно значенню n-бітного:

де а i ∈ значення цифри i -го розряду.

Відповідно до принципів фон Неймана комп'ютер складається з:

арифметико-логічного устрою - АЛУ (англ. ALU, Arithmetic and Logic Unit), що виконує арифметичні та логічні операції;пристрої управління -УУ, призначеного для організації виконання програм;
запам'ятовувачів (ЗУ), в т.ч. оперативного запам'ятовуючого пристрою (ОЗП – первинна пам'ять) та зовнішнього запам'ятовуючого пристрою (ВЗП); восновної пам'яті зберігаються дані та програми; модуль пам'яті складається з безлічі пронумерованих осередків, в кожну комірку може бути записано двійкове число, яке інтерпретується як команда, або як дані;
пристроїв вводу-виводу, які служать передачі даних між комп'ютером і зовнішнім оточенням, що з різних периферійних пристроїв, до яких входять вторинна пам'ять, комунікаційне устаткування і термінали.

Забезпечує взаємодію між процесором (АЛУ та УУ), основною пам'яттю та пристроями введення – виведення зістемна шина.

Фон-нейманівська архітектура комп'ютера вважається класичною, на ній збудовано більшість комп'ютерів. У випадку, коли говорять про архітектуру фон Неймана, мають на увазі фізичне відділення процесорного модуля від пристроїв зберігання програм і даних. Ідея зберігання комп'ютерних програм у спільній пам'яті дозволяла перетворити обчислювальні машини на універсальні пристрої, які здатні виконувати широке коло завдань. Програми та дані вводяться в пам'ять із пристрою введення через арифметико-логічний пристрій. Всі команди програми записуються в сусідні осередки пам'яті, а дані для обробки можуть утримуватись у довільних осередках. У будь-якій програмі остання команда має бути командою завершення роботи.

Переважна більшість обчислювальних машин на сьогоднішній день – фон-Нейманівські машини. Виняток становлять лише окремі різновиди систем для паралельних обчислень, у яких відсутня лічильник команд, не реалізована класична концепція змінної та є інші істотні важливі відхилення від класичної моделі (прикладами можуть бути потокова і редукційна обчислювальні машини). Очевидно, значне відхилення від фон-неймановской архітектури відбудеться у результаті розвитку ідеї машин п'ятого покоління, основу обробки інформації у яких лежать не обчислення, а логічні висновки.

2.2 Команда, формати команд

Команда – це опис елементарної операції, яку має виконати комп'ютер.

Кількість розрядів для запису команди залежить від апаратних засобів конкретної моделі комп'ютера. У зв'язку з цим структуру конкретної командирозглядатимемо для загального випадку.

У загальному випадку команда містить таку інформацію:

Ø код виконуваної операції;

Ø вказівки щодо розміщення одержуваного результату.

Розглянемо структуру можливих варіантів кількох типів команд.