• 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. На основі цих принципів відбувалось виробництво перших двох поколінь 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.

Це відкриває цілий ряд можливостей. Наприклад, програма в процесі свого виконання також може піддаватися переробці, що дозволяє задавати в самій програмі правила здобуття деяких її частин (так в програмі організовується виконання циклів і підпрограм). Більш того, команди однієї програми можуть бути отримані як результати виконання іншої програми.

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.

Комп'ютери, побудовані на цих принципах, відносяться до типа фон-нейманівськи. Але існують комп'ютери, що принципово відрізняються від останніх. Для них, наприклад, може не виконуватися принцип програмного управління, тобто вони можуть працювати без “лічильника команд”, який вказує поточну виконувану команду програми. Для звернення до якої-небудь змінної, що зберігається в пам'яті, цим комп'ютерам не обов'язково давати їй ім'я. Такі комп'ютери називаються не-фон-нейманівськими.

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).

Програми і дані вводяться в пам'ять з пристрою введення через арифметико-логічний пристрій. Всі команди програми записуються в сусідні елементи пам'яті, а дані для обробки можуть міститися в довільних комірках. В будь-якій програмі остання команда має бути командою завершення роботи.

Рисунок 3.1 – Схема машини фон Неймана

Команда складається зі вказівки, яку операцію слід виконати (з можливих операцій на даному «залізі») і адрес елементів пам'яті, де зберігаються дані, над якими слід виконати вказану операцію, а також адреси комірок, куди слід записати результат (якщо його потрібно зберегти в ЗП).

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

З арифметико-логічного пристрою результати виводяться в пам'ять або пристрій виводу. Принципова відмінність між ЗП і пристроєм виводу полягає в тому, що в ЗП дані зберігаються у вигляді, зручному для обробки комп'ютером, а на пристрої виводу (принтер, монітор і ін.) поступають так, як зручно людині.

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.

До цього типа архітектури відноситься і архітектура персонального комп'ютера з загальною шиною. Всі функціональні блоки тут зв'язані між собою загальною шиною, яка називається системною магістраллю.

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.

Спрощена блок-схема, що відображає основні функціональні компоненти комп'ютерної системи в їх взаємозв'язку, змальована на рисунку 3.3.

Рисунок 3.3 – Загальна структура персонального комп’ютера

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.

Якщо інтерфейс є загальноприйнятим, наприклад, затвердженим на рівні міжнародних угод, то він називається стандартним. Кожен з функціональних елементів (пам'ять, монітор або інший пристрій) пов'язаний з шиною певного типа — адресною, управляючою або шиною даних. Для узгодження інтерфейсів периферійні пристрої підключаються до шини не безпосередньо, а через свої контролери (адаптери) і порти приблизно за такою схемою (рис. 3.4):

Рисунок 3.4 – Схема підключення приладу до шини

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 пристроїв є якісь електронні схеми, що містять один або декілька регістрів введення-виводу, і що дозволяють підключати периферійні пристрої комп'ютера до зовнішніх шин 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.

До послідовного порту зазвичай під'єднують ті пристрої, що повільно діють або досить віддалені пристрої, такі, як миша і модем. До паралельного порту під'єднують "швидші" пристрої - принтер і сканер. Через ігровий порт під'єднується джойстик. Клавіатура і монітор підключаються до своїх спеціалізованих портів, які є просто роз'ємами.

Основні електронні компоненти, що визначають архітектуру процесора, розміщуються на основній платі комп'ютера, яка називається системною або материнською (Motherboard). А контролери і адаптери додаткових пристроїв, або самі ці пристрої, виконуються у вигляді плат розширення (Dаughterboard — дочірня плата) і підключаються до шини за допомогою роз'ємів розширення, званих також слотами розширення (англ. slot — щілина, паз).