• 3.1 Принципи побудови комп’ютера. Архитектура Фон Неймана
• 3.2 Принцип роботи машини фон неймана
• 3.3 Архітектура і структура ПК
• 3.4 Будова комп’ютера

3.1 Принципи побудови комп’ютера. Архитектура Фон Неймана

В основу побудови переважної більшості комп’ютерів покладені такі загальні принципи, що були сформульовані у 1945 році. Д. фон Нейман, Г. Голдстайн і А. Беркс в своїй спільній статті виклали нові принципи побудови і функціонування ЕОМ. У наслідок на основі цих принципів відбувалось виробництво перші два покоління комп'ютерів. У пізніших поколіннях відбувалися деякі зміни, хоча принципи Неймана актуальні і сьогодні.

По суті, Нейману вдалося узагальнити наукові розробки і відкриття багатьох інших учених і сформулювати на їх основі принципово нове:

 Використання двійкової системи числення в обчислювальних машинах. Перевага перед десятковою системою числення полягає в тому, що пристрої можна робити досить простими, арифметичні і логічні операції в двійковій системі числення також виконуються досить просто.

Програмне управління ЕОМ. Робота ЕОМ контролюється програмою, що складається з набору команд. Команди виконуються послідовно одна за одною. Створенням машини з програмою, що зберігається в пам'яті, дало початок тому, що ми сьогодні називаємо програмуванням.

Вибірка програми з пам'яті здійснюється за допомогою лічильника команд - регістр процесора, який послідовно збільшує адресу чергової команди, що зберігається в нім, на довжину команди. А оскільки команди програми розташовані в пам'яті одна за одною, то тим самим організовується вибірка ланцюжка команд з послідовно розташованих елементів пам'яті.

Якщо ж потрібно після виконання команди перейти не до наступної, а до якоїсь інший, використовуються команди умовного або безумовного переходів, які заносять в лічильник команд номер елементу пам'яті, що містить наступну команду. Вибірка команд з пам'яті припиняється після досягнення і виконання команди “стоп”. Таким чином, процесор виконує програму автоматично, без втручання людини.

Пам'ять комп'ютера використовується не лише для зберігання даних, але і програм. При цьому і команди програми і дані кодуються в двійковій системі числення, тобто їх спосіб запису однаковий. Тому в певних ситуаціях над командами можна виконувати ті ж дії, що і над даними.

На цьому принципі засновані методи трансляції — перекладу тексту програми з мови програмування високого рівня на мову конкретної машини.

Принцип адресності: елементи пам'яті ЕОМ мають адреси, які послідовно пронумеровані. У будь-який момент можна звернутися до будь-якого елементу пам'яті за її адресою. Цей принцип відкрив можливість використовувати змінні в програмуванні.

Можливість умовного переходу в процесі виконання програми. Не дивлячись на те, що команди виконуються послідовно, в програмах можна реалізувати можливість переходу до будь-якої ділянки коди.

Найголовнішим наслідком цих принципів можна назвати те, що тепер програма вже не була постійною частиною машини (як наприклад, в калькуляторі). Програму стало можливо легко змінити. А ось апаратура, звичайно ж, залишається незмінною, і дуже простою.

3.2 Принцип роботи машини фон неймана

Машина фон Неймана складається з пристрою (пам'яті), що запам'ятовує, - ЗП, арифметико-логічного пристрою - АЛП, пристрою управління – ПУ, а також пристроїв введення і виводу (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 – Схема машини фон Неймана

Арифметико-логічний пристрій - пристрій, який виконує вказані командами операції над вказаними даними.

Пристрій управління (ПУ) керує всіма частинами комп'ютера. Від пристрою, що управляє, на інші пристрої поступають сигнали «що робити», а від інших пристроїв ПУ отримує інформацію про їх стан. ПУ містить спеціальний регістр (комірку), який називається «Лічильник команд». Після завантаження програми і даних в пам'ять до лічильника команд записується адреса першої команди програми. ПУ прочитує з пам'яті вміст елементу пам'яті, адреса якої знаходиться в лічильнику команд, і поміщає його в спеціальний пристрій – «Регістр команд». ПУ визначає операцію команди, «відзначає» в пам'яті дані, адреси яких вказані в команді, і контролює виконання команди. Операцію виконує АЛП або апаратні засоби комп'ютера.

В результаті виконання будь-якої команди лічильник команд змінюється на одиницю і, отже, вказує на наступну команду програми. Коли потрібно виконати команду, не наступну по порядку за поточною, а віддалену від даної на якусь кількість адрес, то спеціальна команда переходу містить адресу комірки, куди потрібно передати управління.

3.3 Архітектура і структура ПК

При розгляді комп’ютерних приладів прийнято розрізняти їх архітектуру і структуру.

Архітектурою комп'ютера називається його опис на деякому загальному рівні, що включає опис призначених для користувача можливостей програмування, системи команд, системи адресації, організації пам'яті і так далі Архітектура визначає принципи дії, інформаційні зв'язки і взаємне з'єднання основних логічних вузлів комп'ютера: процесора, оперативного ЗП, зовнішніх ЗП і периферійних пристроїв. Спільність архітектури різних комп'ютерів забезпечує їх сумісність з точки зору користувача.

Структура комп'ютера – це сукупність його функціональних елементів і зв'язків між ними. Елементами можуть бути самі різні пристрої - від основних логічних вузлів комп'ютера до простих схем. Структура комп'ютера графічно представляється у вигляді структурних схем, за допомогою яких можна дати опис комп'ютера на будь-якому рівні деталізації.

Найбільш поширеними є такі архітектурні рішення (рис. 3.2):

Рисунок 3.2 – Існуючи типи архитектур комп’ютерів

Класична архітектура (архітектура фон Неймана) – один арифметико-логічний пристрій (АЛП), через який проходить потік даних, і один пристрій управління (ПУ), через яке проходить потік команд – програма. Це однопроцесорний комп'ютер.

Фізично системна магістраль є багатопровідною лінією з гніздами для підключення електронних схем. Сукупність дротів магістралі розділяється на окремі групи: шину адреси, шину даних і шину управління.

Периферійні пристрої (принтер і ін.) підключаються до апаратури комп'ютера через спеціальні контролери – пристрої управління периферійними пристроями.

Контролер – пристрій, який пов'язує периферійне устаткування або канали зв'язку з центральним процесором, звільняючи процесор від безпосереднього управління функціонуванням даного устаткування.

Багатопроцесорна архітектура. Наявність в комп'ютері декількох процесорів означає, що паралельно може бути організоване багато потоків даних і багато потоків команд. Таким чином, паралельно можуть виконуватися декілька фрагментів одного завдання. Структура такої машини, що має загальну оперативну пам'ять і декілька процесорів, подана на рис.3.2.

Багатомашинна обчислювальна система. Тут декілька процесорів, що входять в обчислювальну систему, не мають загальної оперативної пам'яті, а мають кожен свою (локальну). Кожен комп'ютер в багатомашинній системі має класичну архітектуру, і така система застосовується досить широко. Проте ефект від вживання такої обчислювальної системи може бути отриманий лише при вирішенні завдань, що мають дуже спеціальну структуру: вона повинна розбиватися на стільки слабо зв'язаних підзадач, скільки комп'ютерів в системі. Перевага в швидкодії багатопроцесорних і багатомашинних обчислювальних систем перед однопроцесорними очевидно.

Архітектура з паралельними процесорами. Тут декілька АЛП працюють під управлінням одного ПУ. Це означає, що безліч даних може оброблятися за однією програмою – тобто по одному потоку команд. Високу швидкодію такої архітектури можна отримати лише на завданнях, в яких однакові обчислювальні операції виконуються одночасно на різних однотипних наборах даних.

3.4 Будова комп’ютера

Розглянемо пристрій комп'ютера на прикладі найпоширенішої комп'ютерної системи – персонального комп'ютера. Персональним комп'ютером (ПК) називають порівняно недорогий універсальний мікрокомп'ютер, розрахований на одного користувача. Персональні комп'ютери зазвичай проектуються на основі принципу відкритої архітектури.

Принцип відкритої архітектури полягає в наступному:

• регламентуються і стандартизуються лише опис принципу дії комп'ютера і його конфігурація (певна сукупність апаратних засобів і з'єднань між ними). Таким чином, комп'ютер можна збирати з окремих вузлів і деталей, розроблених і виготовлених незалежними фірмами-виробниками;
• комп'ютер легко розширюється і модернізується за рахунок наявності внутрішніх розширювальних гнізд, в які користувач може вставляти всілякі пристрої, що задовольняють заданому стандарту, і тим самим встановлювати конфігурацію своєї машини відповідно до своїх особистих переваг.

Для того, щоб з'єднати один з одним різні пристрої комп'ютера, вони повинні мати однаковий інтерфейс (англ. interface від inter — між, і face — особа).

Інтерфейс – це засіб узгодження двох приладів, в яких всі фізичні та логічні параметри погоджуються між собою.

Контролерами і адаптерами є набори електронних ланцюгів, якими забезпечуються пристрої комп'ютера з метою сумісності їх інтерфейсів. Контролери, окрім цього, здійснюють безпосереднє управління периферійними пристроями по запитах мікропроцесора.

Портами також називають пристрої стандартного інтерфейсу: послідовний, паралельний і ігровий порти (або інтерфейси). Послідовний порт обмінюється даними з процесором побайтно, а із зовнішніми пристроями — побітно. Паралельний порт отримує і посилає дані побайтно.