Немногим более полувека прошло после появления первой цифровой ЭВМ. За это время во всем мире было создано не менее миллиарда различных ЭВМ, которые отличаются друг от друга по конструкции, конфигурации (т.е. набору устройств), техническим характеристикам. Однако функциональная схема каждой ЭВМ содержит три основных устройства: процессорное (ПУ), запоминающее (ЗУ), ввода — вывода (УВВ), взаимодействие которых обеспечивает выполнение основной задачи — обработку информации. Для снабжения всех устройств ЭВМ напряжениями нескольких стандартных уровней служит блок питания, который на не показан, он выполняет вспомогательную функцию, а не основную. Взаимосвязь трех основных функциональных устройств ЭВМ осуществляется по общей магистральной шине ОМШ, представляющей собой большое число проводов, по которым передаются информационные и управляющие сигналы. К ОМШ относятся также электросхемы, необходимые для коммутации (переключения) этих проводов. Каждое из трех основных функциональных устройств может и принимать, и передавать сигналы по ОМШ.
Процессорное устройство называют центральным процессором, или просто процессором. Это главное устройство ЭВМ, именно в нем происходит необходимая обработка информации, которая заключается в выполнении арифметических и логических операций над данными, представляющими собой кодовые комбинации. Последовательность этих операций задается командами. Команды также представляют собой кодовые комбинации. Набор команд для выполнения определенной задачи называется программой.Процессор не только осуществляет обработку информации, но и управляет этим процессом. Управляющая часть процессора соединяет необходимые для решения данной задачи элементы во всех устройствах вычислительной машины. Эта часть контролирует номер выполняемого шага программы, вызывает из запоминающего устройства очередную команду, настраивает элементы процессора на выполнение требуемой операции, вызывает из запоминающего устройства участвующие в данной операции данные, а по окончании операции направляет результат в запоминающее устройство.
ОМШ
Запоминающее устройство хранит всю информацию, необходимую для дальнейшего использования в процессоре. Поэтому данное устройство для краткости называют памятью, или внешней памятью, так как оно находится вне процессора. Некоторую часть информации необходимо сохранять и в самом процессоре, например очередную команду, промежуточные результаты операций. Поэтому процессор также имеет запоминающее устройство, но его называют оперативной памятью. Во внешней памяти хранится во много раз больше информации, чем в оперативной памяти, но для передачи информации из внешней памяти в процессор требуется больше времени, чем при использовании оперативной памяти. Поэтому при выполнении той или иной задачи процессор предварительно обращается к внешней памяти и переносит из нее необходимую информацию в оперативную память.
Устройство ввода — вывода обеспечивает ввод всей необходимой для выполнения задачи информации (прежде всего исходных данных и программ) и вывод результатов в удобной для пользователя форме. Ввод информации может осуществляться с помощью клавиатуры, читающего устройства (преобразователя графической информации в электрический сигнал), микрофона (преобразователя звуковой информации в электрический сигнал) и иных устройств, которые с каждым годом становятся все разнообразнее.
Все три основных функциональных устройства ЭВМ соединены между собой проводами. Чтобы увеличить скорость обмена информацией между устройствами, используется несколько параллельных проводов. Такое объединение проводов (или печатных проводников на электронной плате) называется шиной. В ЭВМ имеется несколько шин различного назначения: шины управления, шины данных, шины адресов и др.
Рассмотренная структура ЭВМ является универсальной, т.е. общей для ЭВМ разных конструкций и назначений. Общим является то, что в основу работы всех ЭВМ положен принцип программного управления, основанный на операционно-адресной организации процесса обработки информации. Поэтому ЭВМ относятся к классу универсальных программных автоматов, для которых разработана соответствующая теория. Информация, перерабатываемая автоматом, состоит из данных и программы. Информация, воспринимаемая автоматом, делится на данные (например, числа) и команды. И данные, и команды представлены в виде набора определенных знаков, в качестве которых чаще всего используются два — нуль (0) и единица (1). В таком условном (кодированном) виде информация является кодовой комбинацией и носит название слово. Каждое слово хранится в запоминающем устройстве автомата в ячейках памяти, любая из которых имеет соответствующий адрес (номер). Каждая команда выполняет определенное преобразование информации. Сам акт преобразования называется операцией. Операции выполняются над словами, заданными адресами ячеек, в которые они помещены. Команда содержит кодовое обозначение выполняемой операции и адреса тех слов, которые участвуют в данной операции.
В 1945 г. Джоном фон Нейманом были разработаны пять основных принципов организации работы ЭВМ как универсального программного автомата:
информация представляется в двоичном коде, отдельные ее элементы называются словами;
при обращении к словам разного назначения их различают не по способу кодирования, а по необходимости использования;
слова размещаются в памяти и определяются адресами соответствующих ячеек;
алгоритм представляется в виде последовательности команд, определяющих наименование операции и адрес слова;
команды выполняются в той последовательности, в какой они размещены в памяти.
Эти принципы были положены в основу разработки самых первых ЭВМ и сохраняют свою актуальность до сих пор.
Долгое время все ЭВМ строго соответствовали всем пяти неймановским принципам, команды выполнялись ими последовательно, одна за другой. Про такие машины говорят, что в них реализуется управление потоком команд. В последние два-три десятилетия в связи с развитием микроэлектронных технологий произошло усложнение процессорных устройств и соответствующее расширение их возможностей. Стало доступным параллельное выполнение нескольких команд, т. е. пятый принцип перестал быть обязательным. При решении некоторых задач команды выполняются по мере готовности необходимых для их выполнения исходных данных. Такая последовательность выполнения получила название управление потоком данных.
Основные узлы ЭВМ
Основными узлами ЭВМ являются: центральный процессор; внешние запоминающие устройства; устройство управления; периферийные устройства, к которым относятся устройства ввода — вывода. Необходимыми вспомогательными узлами являются блок питания и соединительные провода (кабели) между отдельными основными узлами.
Электросеть Телефонная сеть
Рис. 1. Персональный компьютер с периферийными устройствами:
Рассмотрим эти основные узлы на примере наиболее широко распространенной ЭВМ — персонального компьютера (ПК). В минимальный состав ПК (рис. 1) входят системный блок 2, монитор 1 и клавиатура 5. В большинстве компьютеров теперь используется удобное устройство ввода — манипулятор типа мышь 4. Для ввода информации непосредственно с бумажных носителей применяется сканер 8. Устройствами вывода информации являются принтер 7 и звуковые колонки 6. Для работы компьютера в сети служит модем 3. Для повышения надежности работы компьютера используют источник бесперебойного питания 9. В случае внезапного отключения напряжения в электросети это устройство короткое время (не менее 5 мин) обеспечивает питание ПК электроэнергией.
Системный блок со снятой крышкой показан на рис. 2, который состоит из двух видов (а и б), позволяющих лучше представить компоновку элементов в блоке. Части блока, изображенные на рис. 2, а, не показаны на рис. 2, б, чтобы они не загораживали другие элементы.
Довольно часто системный блок называют компьютером, поскольку именно в нем сосредоточены те узлы, в которых осуществляется обработка информации. Центральный процессор в современном компьютере представляет собой единый электронный элемент, в котором с помощью современной технологии созданы миллионы полупроводниковых переходов и соединений между ними. Другими словами, это — сверхбольшая интегральная микросхема, называемая микропроцессором. В микропроцессоре выполняются арифметические и логические операции по обработке информации, он содержит запоминающие устройства, в которых на время выполнения указанных операций хранится необходимая для этого информации. Кроме того, в микропроцессоре есть схемы управления, обеспечивающие взаимодействие его с другими устройствами компьютера. Микропроцессор 3 имеет несколько сотен выводов-ножек, с помощью которых он устанавливается в главную электронную плату 2 системного блока. По-английски эту плату называют mainboard, по-русски - часто системной, или материнской, платой. На системной плате размещены также специальные схемы для взаимодействия микропроцессора с другими узлами компьютера — монитором, клавиатурой, иными устройствами ввода и вывода информации. Эти схемы тоже являются интегральными, т.е. в состав каждой из них может входить много полупроводниковых переходов (но не так много, как в микропроцессоре). Раньше компьютер имел более 100 различных микросхем, обеспечивающих взаимодействие всех компонентов системного блока. Такой набор называют чипсет (chip set). В современных компьютерах благодаря высокой степени интеграции полупроводниковых элементов удается сосредоточить все необходимые функции взаимодействия микропроцессора с остальными устройствами всего лишь в двух сверхбольших интегральных микросхемах, которые получили названия северный мост и южный мост. Слова «северный» и «южный» обусловлены расположением этих микросхем на системной плате. Ближе к микропроцессору (как бы сверху) находится северный мост, южный мост расположен ниже — в районе разъемов для подключения внешних запоминающих устройств и устройств ввода и вывода. Слово «мост» означает, что данные микросхемы представляют собой систему соединений, т. е. как бы мостов, связывающих микропроцессор с другими устройствами.
На системной плате имеются также разъемы, называемые слотами (от англ. slot — щель), для подключения микросхем полупроводниковой оперативной памяти. У этой памяти быстродействие выше, чем у внешней, но ниже, чем у памяти, размещенной в самом микропроцессоре. Оперативная память может быть использована микропроцессором в процессе обработки информации. Обмен с ней микропроцессор осуществляет через северный мост. Кроме того, обычно через северный мост результаты обработки информации передаются на экран монитора, который подсоединен через электронную схему, называемую видеокартой.
На рис. 2, а показана вставленная в слот системной платы электронная схема (плата) 4 для дополнительных функций. Таких плат может быть несколько.
Рис. 2. Системный блок персонального компьютера:
а — вид с системной платой; 6 — вид с запоминающими устройствами;
Южный мост содержит схемы управления (контроллеры) для подсоединения (объединения в компьютерную сеть) дисковых запоминающих устройств, клавиатуры, мыши и звуковых колонок. Через южный мост с помощью быстродействующего USB-порта могут быть подключены цифровые фото- и видеокамеры, внешнее полупроводниковое запоминающее устройство типа флэш-памяти.
Микропроцессор обменивается информацией с северным мостом напрямую, а с южным — через северный. Для ускорения процесса обработки информации некоторые функции южного моста могут передаваться северному. Такая возможность появляется по мере совершенствования технологии производства наборов микросхем (чипсетов).
На системной плате размещены разъемы для подключения различных устройств — клавиатуры, мыши, принтера, сканера, игровой приставки, модема и т.п. Эти разъемы позволяют выполнить подключение нужного устройства без разборки системного блока, не снимая его корпуса. На системной плате обычно имеются переключатели (джамперы), с помощью которых выполняется настройка компьютера на работу при той или иной конфигурации устройств.
В системном блоке предусмотрена возможность установки нескольких внешних запоминающих устройств, которые обычно называют дисководами. К ним относятся: дисковод жестких дисков 6 (см. рис. 2, б), на котором хранится вся информация, используемая при повседневной работе на компьютере; дисковод /гибких дисков, с помощью которого могут выполняться чтение (т. е. ввод в ЭВМ) и запись информации сравнительно небольшого объема; дисковод 5 компакт-дисков для большого объема информации (английское сокращение СD-RОМ — компакт-диск только для чтения из памяти). В настоящее время получают распространение дисководы компакт-дисков с возможностью не только чтения, но и записи информации.
В системном блоке располагается также блок питания 7 (см. рис. 2, а), обеспечивающий подачу напряжения питания нужного уровня для всех потребителей электроэнергии внутри системного блока и для некоторых потребителей, подключаемых к этому блоку через разъемы.
Даже кратковременный перерыв в подаче питания приводит к потере введенной перед этим информации. Чтобы избежать этого применяют так называемые источники бесперебойного питания 9 (см. рис. 1), в состав которых входит аккумулятор, обеспечивающий подачу напряжения сразу после того, как произошло отключение питающей электросети. Даже если этот источник маломощный и способен обеспечивать питание компьютера всего лишь в течение нескольких минут, пользователь успеет дать команду на сохранение информации.
Пользователь компьютера управляет его работой и вводит в него информацию с помощью клавиатуры 5 и ручного манипулятора 4, который широко известен под названием «мышь».
Основное устройство для вывода информации из компьютера — монитор 1 (его называют также дисплей, хотя точнее дисплеем является сам экран монитора). На мониторе отображается видеоинформация, окончательные (а если требуется, то и промежуточные) результаты обработки информации.
Для вывода звуковой информации служат звуковые динамики (колонки) 6, которые могут помещаться и в системный блок, и в корпус монитора. Для подачи простых сигналов обычно используется небольшой динамик в самом системном блоке.
Для печати документов, подготовленных на компьютере, и распечатки результатов выполненной на нем обработки информации применяются печатающие устройства — принтеры 7.
Для ввода графической (текст и рисунки) информации в компьютер служат сканеры 8. Они преобразуют эту информацию в понятные компьютеру кодовые комбинации.
Обмен информацией с другими компьютерами через телефонную сеть осуществляется с помощью специального устройства 3, называемого модемом, которое выполняет необходимое согласование электрических сигналов, направляемых в сеть и получаемых из нее.