Функциональная схема компьютера. Основные устройства компьютера и их функции.

Несмотря на огромное разнообразие вычислительной техники и ее необычайно быстрое совершенствование, фундаментальные принципы устройства машин во многом остаются неизменными. В частности, начиная с самых пер­вых поколений, любая ЭВМ состоит из следующих основ­ных устройств: процессор, память (внутренняя и внеш­няя) и устройства ввода и вывода информации. Рас­смотрим более подробно назначение каждого из них.

Процессор является главным устройством компью­тера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессо­ра является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно наиболее важными частями процессора являются ариф­метико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).

Каждый процессор способен выполнять вполне опре­деленный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Каков именно этот набор, определяется устройством конкретного про­цессора, но он не очень велик и в основном аналогичен для различных процессоров. Работа ЭВМ состоит в вы­полнении последовательности таких команд, подготов­ленных в виде программы. Процессор способен органи­зовать считывание очередной команды, ее анализ и вы­полнение, а также при необходимости принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.

Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обраба­тываемых данных и некоторой служебной информации, в нем сознательно не предусмотрено место для хране­ния программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство — память. Мы рассмотрим лишь наиболее важные виды компьютерной памяти, поскольку ее ассортимент непрерывно расширяется и пополняется все новыми и новыми типами.

Память в целом предназначена для хранения, как дан­ных, так и программ их обработки: согласно фундамен­тальному принципу фон Неймана, для обоих типов ин­формации используется единое устройство.

Начиная с самых первых ЭВМ, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю. Исторически это действительно было связано с размещением внутри или вне процессорного шкафа. Однако с уменьшением раз­меров машин внутрь основного процессорного корпуса удавалось поместить все большее количество устройств, и первоначальный непосредственный смысл данного де­ления постепенно утратился. Тем не менее, терминоло­гия сохранилась.

Под внутренней памятью современного компью­тера принято понимать быстродействующую электрон­ную память, расположенную на его системной плате.

Сейчас такая память изготавливается на базе самых со­временных полупроводниковых технологий (раньше использовались магнитные устройства на основе ферритовых сердечников — лишнее свидетельство тому, что конкретные физические принципы значения не имеют). Наиболее существенная часть внутренней памяти назы­вается оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Наверное, каждому пользователю извест­но, что при выключении питания содержимое ОЗУ пол­ностью теряется. В состав внутренней памяти современ­ного компьютера, помимо ОЗУ, также входят и некото­рые другие разновидности памяти, которые при первом знакомстве можно пропустить. Здесь упомянем только о постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), в котором, в частности, хранится информация, необходи­мая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, инфор­мация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера (для лучшего понимания можно указать на некоторую ана­логию между информацией в ПЗУ и " врожденными" безусловными рефлексами у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на за­воде, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его даже не извлекая из компьютерной платы.

Внешняя память реализуется в виде довольно раз­нообразных устройств хранения информации и обыч­но конструктивно оформляется в виде самостоятель­ных блоков. Сюда, прежде всего, следует отнести нако­пители на гибких и жестких магнитных дисках (послед­ние пользователи жаргонно именуют винчестерами), а также оптические дисководы (устройства для работы с СD-RОМ). В конструкции устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому ско­рость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Тем не менее, вне­шняя память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования. Под­черкнем, что информация во внешней памяти, прежде всего, предназначена для самого компьютера и поэтому хранится в удобной ему форме; человек без использо­вания машины не в состоянии, например, даже отда­ленно представить содержимое немаркированной дис­кеты или диска СО-RОМ.

Современные программные системы способны объе­динять внутреннюю и внешнюю память в единое целое, причем так, чтобы наиболее редко используемая инфор­мация попадала в более медленно работающую внешнюю память. Такой метод дает возможность очень существен­но расширить объем обрабатываемой с помощью ком­пьютера информации.

Если процессор дополнить памятью, то такая система уже может быть работоспособной. Ее существенным недостатком является невозможность узнать что-либо о происходящем внутри такой системы. Для получения информации о результатах необходимо дополнить ком­пьютер устройствами вывода, которые позволяют представить их в доступной человеческому восприятию форме. Наиболее распространенным устройством выво­да является дисплей, способный быстро и оперативно отображать на своем экране как текстовую, так и гра­фическую информацию. Для того чтобы получить ко­пию результатов на бумаге, используют печатающее ус­тройство, или принтер.

Наконец, поскольку пользователю часто требуется вводить в компьютерную систему новую информацию, необходимы еще и устройства ввода. Простейшим устройством ввода является клавиатура. Широкое рас­пространение программ с графическим интерфейсом способствовало популярности другого устройства вво­да — манипулятора мышь. Наконец, очень эффектив­ным современным устройством для автоматического ввода информации в компьютер является сканер, по­зволяющий не просто преобразовать картинку с листа бумаги в графический компьютерный файл, но и с по­мощью специального программного обеспечения рас­познать в прочитанном изображении текст и сохра­нить его в виде, пригодном для редактирования в обыч­ном текстовом редакторе.

Адреса________________________________________________________________

шина данных_______________________________________________________________

упрваление____________________________________________________________

Теперь, когда мы знаем основные устройства компь­ютера и их функции, осталось выяснить, как они взаи­модействуют между собой. Для этого обратимся к функ­циональной схеме современного компьютера, приведен­ной на рисунке. Для связи основных устройств компьютера между со­бой используется специальная информационная магист­раль, обычно называемая инженерами шиной. Шина состоит из трех частей: шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с кото­рым будет происходить обмен информацией; шина данных, по которой собственно и будет пе­редана необходимая информация; и, наконец, шина управления, регулирующая этот процесс (например, один из сигналов на этой шине позво­ляет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода). Рассмотрим в качестве примера, как процессор чита­ет содержимое ячейки памяти. Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция — чтение, устрой­ство — ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последнее, " уви­дев" на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных. Разумеется, реаль­ный процесс значительно подробнее, но нас сейчас не интересуют технические детали. Особо отметим, что обмен по шине при определенных условиях и при нали­чии определенного вспомогательного оборудования мо­жет происходить и без непосредственного участия про­цессора, например, между устройством ввода и внут­ренней памятью. Подчеркнем также, что описанная нами функциональ­ная схема на практике может быть значительно слож­нее. Современный компьютер может содержать несколь­ко согласованно работающих процессоров, прямые ин­формационные каналы между отдельными устройства­ми, несколько взаимодействующих магистралей и т.д. Тем не менее, если понимать наиболее общую схему, то разобраться в конкретной компьютерной системе будет уже легче. Магистральная структура позволяет легко подсоеди­нять к компьютеру именно те внешние устройства, ко­торые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера. 2. Решение расчетной задачи с использованием ма­тематических функций (среднее арифметическое, ми­нимум, максимум и др.) в среде электронных таблиц. В качестве примера подобной задачи можно привес­ти следующую. Условие задачи. Из файла ТЕМРЕК. прочитать в элект­ронную таблицу данные о темпера­туре, фиксируемой ежедневно в те­чение года. Организовать вычисле­ние максимального, минималь­ного и среднего значения темпе­ратуры по каждому месяцу и за год в целом.