Компютърно - програмно управлявана цифрова машина

Глава 2. Общи принципи на организация и работа на компютри

2.1 Принципът на изграждане на компютър, структурата на компютъра

Когато се разглеждат изчислителните устройства (компютри), е обичайно да се прави разлика между тяхната архитектура и структура.

Структурата на компютъра е съвкупността от неговите функционални елементи и връзките между тях. Елементите могат да бъдат различни устройства - от основните логически възли на компютъра до най-простите схеми. Структурата на компютъра е графично представена под формата на блокови диаграми, които могат да се използват за описание на компютъра на всяко ниво на детайлност.

Конструкцията на по-голямата част от компютрите се основава на общите принципи, формулирани през 1945 г. американският учен Джон фон Нойман.

Принципи на фон Нойман

През 1946 г. Д. фон Нойман, Г. Голдщайн и А. Беркс в своя съвместна статия очертават нови принципи за конструиране и работа на компютрите. Впоследствие на базата на тези принципи са произведени първите две поколения компютри. Има някои промени в по-късните поколения, въпреки че принципите на Нойман са все още актуални днес.

Всъщност Нойман успява да обобщи научните разработки и открития на много други учени и да формулира принципно нови на тяхна основа.

Принцип на програмно управление: Програмата се състои от набор от инструкции, изпълнявани от процесор в определена последователност.

Принцип на хомогенност на паметта: програмите и данните се съхраняват в една и съща памет.

Компютрите, изградени на тези принципи, са от типа фон Нойман.

Най-важната последица от тези принципи може да се нарече фактът, че сега програмата вече не е постоянна част от машината (както например с калкулатора). Програмата стана лесна за промяна.За сравнение, програмата на компютъра ENIAC (където няма програма, съхранена в паметта) се определя от специални джъмпери на панела. Препрограмирането на машината може да отнеме повече от един ден (настройте джъмперите по различен начин). И въпреки че писането на програми за съвременни компютри може да отнеме години, но те работят на милиони компютри, инсталирането на програми не изисква значително време.

В допълнение към горните три принципа, фон Нойман предложи принципа на двоичното кодиране - за представяне на данни и команди се използва двоичната бройна система (първите машини използваха десетичната бройна система). Но последващите разработки показаха възможността за използване на нетрадиционни бройни системи.

В началото на 1956г по инициатива на академик S.L. Соболев, ръководител на катедрата по изчислителна математика в Механико-математическия факултет на Московския университет, в компютърния център на Московския държавен университет беше създаден отдел по електроника и започна работа семинар за създаване на практически образец на цифров компютър, предназначен за използване в университети, както и в лаборатории и конструкторски бюра на промишлени предприятия. Беше необходимо да се разработи малък компютър, лесен за научаване и използване, надежден, евтин и в същото време ефективен при широк спектър от задачи. Задълбочено проучване в продължение на една година на наличните по това време компютри и техническите възможности за тяхното внедряване доведе до нестандартно решение в създадената машина да се използва не двоичен, а троичен симетричен код, реализиращ балансирана бройна система, която Д. Кнут ще нарече двадесет години по-късно може би най-елегантната и, както по-късно стана известно, чиито предимства са разкрити от К. Шанън през 1950 г. Противно на общоприетото в съвременнотоВ компютрите двоичният код с цифрите 0, 1, който е аритметично дефектен поради невъзможността за пряко представяне на отрицателни числа в него, троичният код с цифрите -1, 0, 1 осигурява оптималното изграждане на аритметиката на числата със знак. Тройната бройна система се основава на същия позиционен принцип на кодиране на числата като двоичната система, приета в съвременните компютри, но теглото наi-та позиция (цифра) в нея не е 2 i , а 3 i . В същото време самите цифри не са двузначни (не битове), а тризначни (тритове) - освен 0 и 1, те допускат трета стойност, която в симетрична система е -1, поради което както положителните, така и отрицателните числа са равномерно представими. Стойността на n-трит цяло число N се дефинира подобно на стойността на n-битово:

където a i ∈ е стойността на i-тата цифра.

Според принципите на фон Нойман компютърът се състои от:

аритметично логическо устройство - ALU (англ. ALU, Arithmetic and Logic Unit), извършващо аритметични и логически операции;управляващо устройство - CU, предназначено да организира изпълнението на програми;
устройства с памет (памет), вкл. памет с произволен достъп (RAM - първична памет) и външно устройство за съхранение (VSD); oосновна памет съхранява данни и програми; модулът памет се състои от набор от номерирани клетки; във всяка клетка може да се запише двоично число, което се интерпретира или като команда, или като данни;
Входно/изходни устройства, които се използват за прехвърляне на данни между компютъра и външната среда, която се състои от различни периферни устройства, включително вторична памет, комуникационно оборудване и терминали.

Осигурява взаимодействие между процесора (ALU и CU), основната памет и входно-изходните устройства ссистемна шина.

Архитектурата на фон Нойман на компютъра се счита за класическа; повечето компютри са изградени върху нея. Като цяло, когато хората говорят за архитектурата на фон Нойман, те имат предвид физическото отделяне на процесорния модул от програмата и устройствата за съхранение на данни. Идеята за съхраняване на компютърни програми в споделена памет направи възможно превръщането на компютрите в универсални устройства, способни да изпълняват широк спектър от задачи. Програмите и данните се въвеждат в паметта от входното устройство чрез аритметичното логическо устройство. Всички програмни команди се записват в съседни клетки от паметта, а данните за обработка могат да се съдържат в произволни клетки. За всяка програма последната команда трябва да е команда за изключване.

По-голямата част от компютрите днес са машини на фон Нойман. Единствените изключения са определени видове системи за паралелни изчисления, в които няма програмен брояч, не е реализирана класическата концепция за променлива и има други съществени фундаментални разлики от класическия модел (примери са поточни и редукционни компютри). Очевидно значително отклонение от архитектурата на фон Нойман ще настъпи в резултат на развитието на идеята за машини от пето поколение, в които обработката на информацията се основава не на изчисления, а на логически заключения.

2.2 Команда, командни формати

Командата е описание на елементарна операция, която компютърът трябва да изпълни.

Броят на битовете, които се разпределят за запис на команда, зависи от хардуера на конкретен модел компютър. В тази връзка структурата на конкретен екипще се разглеждат за общия случай.

Като цяло командата съдържа следната информация:

Ø код на операцията, която трябва да се извърши;

Ø инструкции за поставяне на резултата.

Обмислете структурата на възможните опции за няколко вида команди.