Горнец Н.Н., Рощин А.Г. Организация ЭВМ и систем (2006), страница 2

Под квантом информации следует понимать некоторый ее объем, принятый при описании объекта, а также при передаче, хранении и обработке. Кванты информации различны для компьютера и внешнего мира. В вычислительной технике часто используют и более узкое толкование термина «данные», служащее для различения обрабатываемой (исходные и конечные данные) и управляющей (команды, адреса) информации. Все обмены данными между различными устройствами компьютера, а также между компьютером и объектами внешнего мира осуществляются посредством сообщений. Сообщение — это произвольное количество информации, пред- назначенное для передачи между различными устройствами, с явно или неявно указанными началом и концом. Мы будем иметь дело в основном с дискретными сообщениями; в них данные представлены конечным числом квантов информации в виде последовательности символов из некоторого набора, называемого алфавитом.

Алфавит может включать в себя цифры, обычные буквы, специальные символы, символы псевдографики и т.п. Все дискретные сообщения кодируются, но независимо от способа кодирования важнейшими элементами их представления являются биты, байты, машинные слова и файлы. Бит (от англ. Ь(пыу 61811, или Ьй) — это наименьшая «порция» информации в двоичной системе. Он служит для внутреннего представления чисел и команд в машине и может принимать значения «О» и «1», В конце 1960-х гг. компьютеры стали применять не только для вычислений, но и для обработки буквенно-цифровой информации.

Тогда потребовалось кодировать не только десятичные цифры, но и буквы, знаки, различные специальные символы. Общее число используемых символов, подлежащих кодированию, в то время равнялось 256. Для их кодирования потребовался слог (часть машинного слова) из восьми бит; его и назвали байтом. Предназначенные исключительно для США машины 1ВМ/360 использовали всего 128 разнообразных символов, поэтому в них слог (байт) состоял из семи бит.

Однако расширение алфавита компьютера потребовало включить в него буквы национальных алфавитов, например русского. Так появился восьмибитовый байт. В памяти компьютера теперь хранилась буквенно-цифровая информация, а каждый символ кодировался в виде байта. Это привело к тому, что длину машинного слова, т.е. множество битов, рассматриваемых аппаратурой компьютера как единое целое, стали делать кратной байту. В одном машинном слове может размещаться команда или целое число. Длина машинного слова в настоящее время составляет 16, 32 или 64 бита (соответственно, 2, 4 или 8 байт). Однако переменный формат команд в большинстве персональных компьютеров привел к тому, что термин «машинное слово» стал использоваться все реже.

Байты и машинные слова объединяются в файлы, имеющие определенную структуру. Обычно файл содержит название, некоторые характеристики, символы контроля и собственно команды (командный файл) или данные. Файл может иметь произвольный размер и быть представлен в нескольких форматах. Файл является не «машинной» единицей информации, а скорее логической. В зависимости от вида хранящейся в файлах информации различают командные файлы (программы), текстовые, графические и т.п. 1.2.

Принцип действия компьютера Чтобы понять принцип действия компьютера, остановимся подробнее на наиболее распространенной и простой структуре персонального компьютера, или ПЭВМ. Основное отличие персонального компьютера от больших машин, или так называемых мейнфреймов, состоит в том, что он позволяет одновременно использовать его ресурсы только одному пользователю.

Казалось бы, что такой компьютер должен работать исключительно в однопрограммном режиме, т.е. выполнять одну текушую программу, но это не так. Он может выполнять одновременно несколько программ: обработки, вывода результатов, загрузки, поиска информации в сети и т.д. Кроме того, многие персональные машины используются в качестве серверов в сети, и их ресурсами (т.е.

аппаратными и программными средствами) могут пользоваться несколько пользователей одновременно. Структура самого компьютера за все время существования машин изменилась незначительно. Она по-прежнему строится на основе модели фон Неймана, во всяком случае, ее основная память состоит из отдельных ячеек с последовательными номерами (или «адресами»), в которых могут храниться как коды отдельных команд (программа), так и данных. Однако технологический прогресс привел к объединению нескольких узлов и устройств в одной микросхеме. Упрощенная структура компьютера (рис.

1.1) состоит из следующих основных узлов: арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), управляющее устройство (УУ), устройство ввода данных в машину (УВв) и устройство вывода результатов проведенных расчетов (УВыв). Именно такую «пятиблочную» структуру имели вычислительные машины первого поколения. Помимо перечисленных узлов любой компьютер имеет пульт ручного управления, предназначенный для включения машины и слежения за правильностью ее работы. Рнс.

1.1. Упрощенная структура компьютера Теперь принято называть АЛУ с соответствующими схемами управления процессором, схемы для управления и подключения периферийных устройств — контроллерами и адаптерами, а передача информации между блоками компьютера осуществляется по ши~ам иптер4ейса. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций над машинными словами, т.е.

кодами, находящимися в памяти и поступающими в АЛУ для обработки. Кроме того, оно выполняет различные операции по управлению вычислениями. Оперативное запоминающее устройство, или оперативная память, хранит коды машинных слов (команд и данных) в своих ячейках.

Эти ячейки нумеруются, а номер ячейки называется адресом. В памяти компьютера, как правило, находятся только команды и данные. Машина использует хранимую в ОЗУ информацию для организации вычислительного процесса. Информация попадает в ОЗУ из устройства ввода или из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Внешняя память позволяет хранить большие объемы информации, но обладает меньшим быстродействием по сравнению с ОЗУ. В течение всего процесса обработки информация поступает в АЛУ только из ОЗУ, а результаты выполнения программы выдаются на устройство вывода после окончания обработки.

Точно так же информация из ВЗУ, прежде чем принять участие в обработке, должна быть предварительно переписана в ОЗУ. Устройство управления служит для автоматического управления вычислительным процессом; оно формирует сигналы управления на все устройства компьютера, преобразуя команды программы в управляющие сигналы. Если узел управления совмещен с АЛУ, то такое объединенное устройство называют центральным процессором (ЦП). Он связан с основной памятью (ОП), состоящей из ОЗУ и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), или постоянной памяти, предназначенной для хранения программ ввода-вывода, и различными устройствами ввода и вывода (или периферийными устройствами) посредспюм шины (рис.

1.2), называемой часто общей шиной (ОШ1. Такая общая шина состоит из нескольких «подшингс адреса, данных ьь управления. Мы будем их называть просто шинами. В персональных машинах для экономии места на системной плате (т.е. плате, на которой расположены процессор, память и разъемы для подключения периферийных устройств) шины цп ПЗУ ОЗУ адреса и данных иногда выпол- няют в виде одной разделяемой ОП во времени шины; тогда адрес и данные по ней передаются тольРнс. 1.2. Центральная часть машины ко поочередно. 10 Помимо ЦП и ОП компьютер содержит множество периферийных (или внешних) устройств, предназначенных для связи с внешним миром (человеком, объектами управления и т.п.).

Эти устройства подключаются к ОШ с помощью контроллеров, адаптеров, шинных мостов и т.п. В персональном компьютере (а в последнее время и в компьютерах других типов) основная память состоит из двух частей— постоянной и оперативной. В очень небольшой по современным понятиям (она достигает нескольких мегабайт) постоянной памяти хранится программа начальной загрузки, называемая В108 (Ваяс 1прш-Ошрш Бузгеш). Эта информация «зашита» в памяти, т.е. хранится постоянно. Оперативная память в момент включения компьютера не содержит никакой информации. При его включении на все блоки подается сигнал установки в исходное «нулевое» состояние, начинают формироваться тактовые импульсы и компьютер начинает работать. Чтобы понять, как работает компьютер, нужно знать, из каких элементов он состоит, т.е.