Функциональное устройство компьютера

Состав основных блоков электронного вычислительного устройства был подробно обоснован еще в 1946 году в классической статье А. Беркса, Г. Голдстейна и Дж. Неймана «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства». Несмотря на то, что этой публикации около 60 лет, она заслуживает, чтобы ее процитировали.

«Очевидно, что машина должна быть способна запоминать некоторым образом не только цифровую информацию, необходимую для данного вычисления..., но также и команды, управляющие программой, которая должна производить вычисления над этими числовыми данными. В специализированной вычислительной машине эти команды являются неотъемлемой частью устройства и составляют часть его конструкции. В универсальной машине должна быть возможность отдать приказ устройству произвести вообще любое вычисление… Следовательно, в машине должен быть некоторый орган, способный хранить эти приказы программы. Кроме того, должно быть устройство, которое может понимать эти команды и управлять их выполнением».
«Выше мы в принципе указали на два различных вида памяти — память чисел и память приказов. Если, однако, приказы машине свести к числовому коду..., то орган памяти можно использовать для хранения как чисел, так и приказов».
«Если память для приказов является просто органом памяти, то должен существовать еще орган, который может автоматически выполнять приказы, хранящиеся в памяти. Мы будем называть этот орган управлением».
«Поскольку наше устройство должно быть вычислительной машиной, в нем должен иметься арифметический орган — устройство, способное складывать, вычитать, умножать, делить. Мы увидим также, что оно может выполнять и другие операции, которые встречаются довольно часто».
«Наконец, должен существовать орган ввода и вывода, с помощью которого осуществляется связь между оператором и машиной».

Приведенная цитата отчетливо показывает, что все функциональные блоки ЭВМ имеют вполне естественное назначение и образуют простую и логически обоснованную структуру. Последняя оказалась настолько удачной, что во многом сохранилась вплоть до наших дней. Для нее даже используется общепринятое название фон-неймановская архитектура, хотя, строго говоря, Джон фон Нейман не является единоличным автором всех принципов архитектуры.

Замечательно, что современные компьютеры сохранили такую же самую структуру. Сравним приведенное выше описание со строением современных компьютеров, которые состоят из следующих функциональных частей:

· устройство, в котором производятся все операции по обработке информации; по современной терминологии оно называется арифметико-логическим устройством (АЛУ);

· устройство, обеспечивающее организацию выполнения программы обработки информации и согласованное взаимодействие всех узлов машины в ходе этого процесса — устройство управления (УУ); АЛУ и УУ в настоящее время удается выполнить в виде единой интегральной схемы, которая называется микропроцессором;

· устройство, предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки, а также самой программы действий над информацией; данное устройство принято называть памятью; существуют различные виды памяти, в том числе оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которая выполняется в виде микросхем — чипов памяти и внешняя память, например, на магнитных или оптических дисках;

· разнообразные устройства, способные преобразовывать информацию в форму, доступную компьютеру — устройства ввода;

· и, наконец, устройства, преобразующие результаты работы в доступную человеку форму — устройства вывода.

Заметим, что характерными особенностями современной вычислительной техники является наличие магистрали связи устройств (функциональных модулей) в компьютере — информационной шины (на практике — нескольких) для передачи информации между функциональными модулями компьютера, а также специальных контроллеров (треугольники с буквой «К» на рисунке), которые руководят работой «своих» устройств, освобождая от этого центральный процессор. Иными словами, основной принцип построения современного персонального компьютера — магистрально-модульный.