Основы устройства ЭВМ

Электронно-вычислительная машина – это набор технических, аппаратных и программных средств, в котором основные функциональные элементы выполнены на электронных элементах, и который предназначен для автоматического сбора, хранения, передачи, обработки и анализа информации. Электронно-вычислительная машина имеет аббревиатуру ЭВМ и часто заменяется понятием компьютер. Описание заданной автоматизированной последовательности операций, которая позволяет ЭВМ осуществлять сбор, хранение, передачу, обработку и анализ информации, носит название программа, а набор инструкций, которые описывают порядок действий исполнителя для решения задачи, носит название алгоритм.

Архитектура ЭВМ – это общие правила и принципы взаимодействия и организации совокупности аппаратных и программных средств, а также их характеристик, которые определяют функциональные возможности ЭВМ при решении различных задач. Архитектура ЭВМ регламентирует наиболее важные связи внутри ЭВМ, описывает правила взаимодействия составных частей ЭВМ и учитывает набор факторов: быстродействие, назначение, функциональные возможности, удобство эксплуатации, стоимость ЭВМ и другие. Архитектура ЭВМ даёт общее описание структуры и функций ЭВМ, которое не содержит детали технического и физического устройства ЭВМ. Архитектура ЭВМ включает в себя принципы построения, структуру и способы доступа к памяти и внешним устройствам, форматы данных и системы доступных команд, возможности изменения конфигурации и организация интерфейса ЭВМ (принцип открытой архитектуры). В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип, в котором связь между устройствами ЭВМ осуществляется через системную шину (магистраль).

Шина – это кабель, состоящий из множества проводников, которые делятся на три группы. По одной группе проводников (шина данных) передаются данные для обработки, по другой группе проводников (шина адреса) передаются адреса памяти или внешних устройств, а третьей группе проводников (шина управления) передаются различные управляющие сигналы. Количество информации, которое одновременно может быть передано по шине, носит название разрядность шины, которая измеряется в битах (бит). Количество элементарных операций по передаче данных за 1 секунду носит название тактовая частота шины, которая измеряется в мегагерцах (МГц).

Классическая архитектура ЭВМ – это архитектура ЭВМ, которая соответствует положениям фон Неймана. Принципы построения классической архитектуры ЭВМ определяются следующими положениями: ЭВМ работает с информацией в виде данных в двоичной форме, которые подлежат обработке, и набором команд для их обработки (программы), причём они хранятся в запоминающем устройстве; ЭВМ состоит из трёх основных компонент (центральный процессор, память и устройства ввода-вывода).

Центральный процессор (ЦП) – это основной компонент ЭВМ, который является главной частью аппаратного обеспечения ЭВМ и выполняет операции по обработке данных, а также управляет различными периферийными устройствами ЭВМ. Центральный процессор иначе называется центральное процессорное устройство (ЦПУ). ЦП представляет собой интегральную схему, задачей которой является выполнение машинного кода. Основными характеристиками ЦП являются: производительность, тактовая частота и энергопотребление. Основные устройства, которые входят в состав ЦП: генератор тактовой частоты (ГТЧ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), управляющее устройство (УУ), и запоминающее устройство (ЗУ).

Генератор тактовой частоты (ГТЧ) – это устройство, входящее в состав центрального процессора, которое синхронизирует процессы ЭВМ посредством генерации электрических импульсов определённой частоты и формы. Подсчёт количества импульсов позволяет задавать временные интервалы, требуемые для контроля времени выполнения различных операций. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений ЭВМ.

Арифметико–логическое устройство (АЛУ) – это устройство, входящее в состав центрального процессора, которое выполняет арифметические и логические операции над данными (операндами), разрядность которых называется длина машинного слова. Основные арифметические операции, которые выполняются АЛУ: короткие операции (сложение, вычитание, вычитание модулей) длинные операции (умножение и деление). Основные логические операции, которые выполняются АЛУ: дизъюнкция (логическое сложение, ИЛИ), конъюнкция (логическое умножение, И), сравнение на равенство, нормализация, арифметический и логический сдвиг. По способу действия над данными АЛУ бывают последовательные (операции производятся последовательно во времени над отдельными разрядами операндов) и параллельные (операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов).

Управляющее устройство (УУ) – это устройство, входящее в состав центрального процессора, которое организует процесс выполнения машинного кода и обеспечивает управление и координацию всех устройств ЭВМ. УУ состоит из: дешифратора и регистра команд (операций), а также счётчика команд и узла вычисления текущего исполнительного адреса. УУ на входе получает команду программы из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), которую он помещает в регистр команд и дешифрует, используя сигналы ГТЧ, после чего запускается подпрограмма из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) микропрограмм. Микропрограмма выставляет комбинацию сигналов управления, которые являются выходным сигналом УУ.

Запоминающее устройство (ЗУ) – это устройство, входящее в состав центрального процессора, которое обеспечивает запись, считывание и хранение данных, то есть реализует компьютерную память. Основными параметрами ЗУ являются его время хранения информации, информационная ёмкость (количество информации), быстродействие, энергопотребление. ЗУ по назначению подразделяется на оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), внутренние и внешние устройства долговременного хранения данных.

Время доступа ЗУ – это параметр ЗУ, который определяется как усредненный интервал времени от поступления запроса на передачу блока данных до фактического начала передачи этого блока данных.  

Скорость передачи данных ЗУ – это параметр ЗУ, который определяется как производительность обмена данными, измеряемая после начала передачи блока найденных данных.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – это внутренняя память ЭВМ, в которой хранятся данные, над которыми процессор непосредственно производит операции в данный момент времени, а также выполняемый машинный код (программа). Оперативное запоминающее устройство иначе называется оперативная память. Оперативная память ЭВМ является памятью с произвольным доступом, а обмен данными между процессором и ОЗУ происходит непосредственно, то есть процессор может одной командой обратиться к любой информации внутренней памяти ЭВМ. Оперативная память является энергозависимой частью системы компьютерной памяти, то есть данные оперативной памяти доступны и сохраняются при подаче напряжения на модули памяти, а при выключении электропитания происходит стирание хранимой в ОЗУ информации. От объёма ОЗУ зависит количество операций, которые ЭВМ может одновременно выполнять.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – это внешняя память ЭВМ, в которой осуществляется долговременное хранение данных и машинного кода (программ) над которыми процессор не производит операции в данный момент времени. Внешняя память используется для хранения массива неизменяемых в данный момент времени данных. Устройства внешней памяти оперируют блоками информации фиксированного размера, которые могут быть переписаны из внутренней памяти или обратно только полностью, причём для выполнения операции обмена требуется специальная подпрограмма. Внешняя память является энергонезависимой частью системы компьютерной памяти, то есть данные внешней памяти доступны при подаче напряжения на модули памяти и сохраняются при выключении электропитания. Носители внешней памяти обеспечивают перенос и хранение данных. По методу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на устройства с прямым (непосредственным) и последовательным доступом (для обращения к искомому блоку информации необходимо последовательно сканировать блоки информации до требуемого блока).

Устройства ввода–вывода (УВВ) – это внешние устройства ЭВМ, которые позволяют вводить и извлекать информацию из ЭВМ. Устройства ввода позволяют вводить информацию для хранения и обработки в ЭВМ и являются датчиками преобразования различных величин (неэлектрических и электрических) в электрические сигналы, которые используются процессором для обработки информации в цифровом виде. Устройства вывода позволяют получать информацию от ЭВМ и являются преобразователями электрической цифровой информации в величины различной природы. Связь УВВ с процессором осуществляется через порт. Порты разделяются на последовательные (передача малого объёма информации на большое расстояние, COM–порт), параллельные (передача большого объёма информации на малое расстояние, LPT–порт) и универсальные (USB–порт). На физическом уровне аппаратное подключение УВВ к магистрали осуществляется через контроллер (адаптер, плата), связанный с процессором через слот. Управление работой УВВ производится с помощью специальной программы (драйвер), которая является частью операционной системы.

Операционная система (ОС) – это основной компонент ЭВМ, который является главной частью программного обеспечения ЭВМ и выполняет функции по управлению выполнением процессов, управлению ресурсами вычислительной системы и предоставлением процессам упорядоченного доступа к ресурсам ЭВМ (процессорное время для исполнения запросов программ, память и устройства ввода-вывода), а также организации взаимодействия ЭВМ с пользователем. Наиболее распространёнными операционными системами являются операционные системы Microsoft Windows и Linux.

Linux – это некоммерческая операционная система с открытым исходным кодом, причём Linux в целом не принадлежит какой-либо организации или частному лицу, не имеет географического центра разработки, а является результатом работы многих независимых разработчиков и компаний, взаимодействующих через группы пользователей Linux. Операционная система Linux создаётся и распространяется как свободное и открытое программное обеспечение. Основными пользовательскими интерфейсами являются графический интерфейс и интерфейс командной строки. Linux поддерживает различные режимы работы центрального процессора, обеспечивает многозадачность и стандартизацию интерфейсов аппаратного обеспечения и единообразие пользовательских интерфейсов программ, а также управляет обменом данными между компонентами ЭВМ.

Microsoft Windows – это коммерческая операционная система с закрытым исходным кодом, которая разработана корпорацией Microsoft и ориентирована на управление ЭВМ с помощью графического интерфейса. Microsoft Windows поддерживает различные режимы работы центрального процессора, обеспечивает многозадачность и стандартизацию интерфейсов аппаратного обеспечения и единообразие пользовательских интерфейсов программ, а также управляет обменом данными между компонентами ЭВМ.

Microsoft Office – это набор (пакет) программ, которые разработаны корпорацией Microsoft для операционной системы Microsoft Windows, а также для ряда других популярных операционных систем. В состав пакета программ Microsoft Office входит различное программное обеспечение для обеспечения работы пользователя с текстовыми документами, электронными таблицами, базами данных и других.

Microsoft Word – это часть пакета программ Microsoft Office, которая обеспечивает работу пользователя с текстовыми документами. Microsoft Word является текстовым процессором, который предназначен для создания, просмотра и редактирования текстовых документов. Microsoft Word имеет широкие возможности для создания и оформления тестовых документов, включая, выбор шрифтов и стилей текста, форматирование абзацев, проверку орфографии, создание таблиц, вставку графических объектов, написание формул, и многое другое.

Microsoft Excel – это часть пакета программ Microsoft Office, которая обеспечивает работу пользователя с электронными таблицами. Microsoft Excel является табличным процессором, который предназначен для создания, просмотра и редактирования электронных таблиц. Microsoft Excel имеет широкие возможности для создания и оформления электронных таблиц, включая, выбор стилей и форматирование электронных таблиц, проведение и автоматизацию вычислений введённых данных, осуществление математического моделирования в электронной таблице, и многое другое.