К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки - Организация ЭВМ - 5-е издание (2003) (1114649), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Благодарности Мы выражаем искреннюю признательность всем, кто принял участие в подготовке пятого издания настоящей книги. Гейл Бургес и Келли Чейн помогли нам в работе над рукописью. Алекс Гербик, Франк Шу и Роберт Лу оказали неоценимую помощь в создании большей части примеров. Наши коллеги Тарек Абделрахман, Стивен Браун, Пол Чау, Глен Гулак и Джонатан Роуз высказали ряд конструктивных замечаний. Мы особо благодарны Стивену и Тареку, которые помогли нам уточнить ряд важных деталей. Наши рецензенты — Гойко Бабик из Университета штата Огайо, Натаниел Девис, преподаватель Политехнического института и Университета штата Вирджиния, Хосе Фортес из Университете имени Пердью штата Индиана, Санг Ху иэ Университета города Сан-Франциско, Али Херсон из Университета штата Пенсильвания, Лизи Кериан Джон из Университета города Остин в штате Техас, Стефан Лью из Университета имени Альберта Людвига во Фрайбурге, Фабризио Ломбардии из Северо-Западного университета, Вейн Лаукс из Университета города Ватерлоо, Прасант Мохапатра из Университета штата Айова, Дениел Табак из Университета имени Джоржа Мэйсона, Джон Вейлуис из Политехнического института имени Ренеселаера города Троя в штате Нью-Йорк — внесли множество ценных предложений и высказали ряд критических замечаний.
Мы благодарим Зли Вранешича за разрешение поместить на обложку книги копию его картины «Осень в Гайд-паркеь (Ра11 1п Н1йЬ Раг1г). Он написал ее с помощью компьютера. Мы высоко ценим поддержку и помощь нашего редактора Кэтрин Филдс Шалтс, а также ее коллег из издательства МсСгач -Н111, в частности Келли Ватчер, Мишель Фломенхофт, Кала Грехем, Бетси Джонс, Рик Ноел, Хезер Сабо и Кристин Уолкер. Карл Хамахер Звонко Вранеиин Сафват Заки Глава 1 Базовая структура компьютеров + Ярхитектура компьютера + Машинные команды и их выполнение + Программное обеспечение компьютеров + Производительность компьютерных систем + История развития вычислительной техники Основная тема настоящего издания — устройство компьютера.
Здесь описываются конструкции и функции различных элементов компьютеров, предназначенных для хранения и обработки информации, рассматриваются компоненты компьютера, которые получают информацию от внешних источников и отсылают результаты вычислений внешним приемникам данных. Большая часть материала книги посвяшена аппаратному обеспечению компьютеров и их архитектуре. Аппаратное обеспечение компьютера состоит из электронных схем, дисплеев, магнитных и оптических устройств для хранения информации, злектромеханического оборудования и средств коммуникации. Архитектура компьютера включает спецификацию набора команд и аппаратные компоненты, реализующие эти команды.
В книге обсуждается множество аспектов аппаратных и программных компонентов компьютерных систем. Для наиболее полного освоения и правильного понимания компьютерных систем необходимо учитывать и аппаратные, и программные аспекты каждого их компонента. Эта глава может служить введением в целый ряд аппаратных и программных концепций и распространенных технологий. В ней приводится общий обзор фундаментальных аспектов изучаемого предмета. Все эти аспекты подробно рассматриваются в следующих главах книги.
1.1. Типы компьютеров Для начала давайте определим, что такое цифровой компьютер или просто компьютер. Согласно простейшей интерпретации этого термина, современный компьютер представляет собой электронное вычислительное устройство, которое принимает 1.1. Типы компьютеров 25 дискретную входную информацию, обрабатывает ее в соответствии со списком хранящихся внутри нее команд и генерирует результируюшую выходную информацию. Упомянутый список команд называется компьютерной программой, а место, где он хранится, — памятью компьютера. Существующие в настоящее время типы компьютеров очень многочисленны и разнообразны; они различаются размерами, стоимостью, вычислительной мощью и назначением. Наиболее распространенным типом компьютеров являются персональные компьютеры, широко используемые как дома, так и в учебных заведениях, офисах всевозможных компаний. Настольные компьютеры — наиболее популярная форма персональных компьютеров.
У настольного компьютера имеются устройства для обработки и хранения данных, дисплей и звуковые выходные устройства, а также клавиатура, располагающаяся на рабочем сто.те. Устройствами для хранения данных являются жесткие диски, Сгэ-гсОМ и дискеты. Портативным компьютером (ноутбуком) называется компактная версия персоналъного компьютера, в которой все компоненты размещаются в одном блоке, имеющем размер небольшого тонкого портфеля.
Рабочие станции с графическими входными и выходными устройствами, характеризующиеся высокой разрешающей способностью и имеющие размер настолъных компьютеров, обладают значительно большей вычислительной мощью, нежели персональные компьютеры. Они часто используются при выполнении инженерных расчетов, в первую очередь для решения задач автоматизированного проектирования. Наряду с рабочими станциями существует еще целый спектр больших и очень мощных компьютерных систем — от корпоративнык серверов и серверов, находящихся в нижней части этого спектра, до суперкомпьютеров, относящихся к его вершине. Корпоративные серверы и мэйнфреймы используются для обработки деловых данных в средних и крупных корпорациях, которым необходимы значительно большая вычислительная мощь и емкость запоминающих устройств, чем могут обеспечить рабочие станции.
Серверы содержат устройства для хранения баз данных и могут обрабатывать большое количество запросов. Они широко используются в сфере образования, в бизнесе и различных некоммерческих организациях. Запросы к серверам и их ответы часто транспортируются с помощью коммуникационных средств Интернета. В настоящее время всемирная сеть и связанные с ней серверы являются основным источником всех типов информации мирового уровня. Коммуникационные средства Интернета представляют собой сложный комплекс высокоскоростных оптоволоконных магистральных линий, к которым с помощью телевизионных кабелей и телефонных линий подсоединяются учебные заведения, всевозможные компании и организации, а также дома и квартиры индивидуальных пользователей.
Суперкомпьютеры ипредназначены для проведения крупномасштабных числовых вычислений, необходимых таким приложениям, как, скажем, метеорологические системы или системы для конструирования самолетов и имитационного моделирования. Функциональные блоки (в том числе процессорные комплексы) корпоративных систем, серверов и суперкомпьютеров могут состоять из множества отдельных и часто очень больших устройств. 26 Глава 1. Базовая структура компьютеров 1.2. Функциональная структура компьютера Как следует из рис.
1.1, компьютер состоит из пяти главных, функционально независимых частей: устройство ввода, устройство памяти, арифметико-логическое устройство, устройство вывода и устройство управления. Устройство ввода принимает через цифровые линии связи закодированную информацию от операторов, электромеханических устройств типа клавиатуры или от других компьютеров сети.
Полученная информация либо сохраняется в памяти компьютера для последующего применения, либо немедленно используется арифметическими и логическими схемами для выполнения необходимых операций. Последовательность шагов обработки определяется хранящейся в памяти программой. Полученные результаты отправляются обратно, во внешний мир, посредством устройства вывода.
Все эти действия координируются блоком управления. На рис. 1.1 намеренно не показаны связи между функциональными устройствами. Объясняется это тем, что такие связи могут быть по-разному реализованы. Как именно, вы поймете несколько позже. Арифметические и логические схемы в комплексе с главными управляющими схемами называют процессором, а все вместе взятое оборудование для ввода и вывода часто называют устлройством ввода-вывода (шрцг-оцгрцг цшг). Теперь обратимся к обрабатываемой компьютером информации.
Ее удобно разделять на две основные категории: команды и данные. Команды, или маигияные команды, — это явно заданные инструкции, которые: + управляют пересылкой информации внутри компьютера, а также между компьютером и его устройствами ввода-вывода; + определяют подлежащие выполнению арифметические и логические операции. Рис. 1.1. Базовые функциональные устройства компьютера Список команд, выполняющих некоторую задачу, называется ирограммой Обычно программы хранятся в памяти. Процессор по очереди извлекает команды программы из памяти и реализует определяемые ими операции.
Компьютер полностью управляется хранимой программаг, если не считать возможность внешнего вмешательства оператора и подсоединенных к машине устройств ввода-вывода. 1.2. Функциональная структура компьютера 27 Донные — зто числа и закодированные символы, используемые в качестве операндов команд. Однако термин «данные» часто используется для обозначения любой цифровой информации. Согласно этому определению, сама программа (то есть список команд) также может считаться данными, если она обрабатывается другой программой.
Примером обработки одной программой другой является компиляция исходной программы, написанной на языке высокого уровня, в список машинных команд, составляющих программу на машинном языке, которая называется обьеьтлной программой. Исходная программа поступает на вход компилятора, который транслирует ее в программу на машинном языке. Информация, предназначенная для обработки компьютером, должна быть закодирована, чтобы иметь подходящий для компьютера формат.
Современное аппаратное обеспечение в большинстве своем основано на цифровых схемах, у которых имеется только два устойчивых состояния, ОХ и ОРР (см. приложение А). В результате кодирования любое число, символ или команда преобразуется в строку двоичных цифр, называемых битами, каждый из которых имеет одно из двух возможных значений: О или 1. Для представления чисел (как станет ясно из глав 2 и 6) обычно используется позиционная двоичная нотация. Иногда применяется двоично-десятичный формат (Вгпагу-Собеб Эес1ша), ВСЭ), в соответствии с которым каждая десятичная цифра кодируется отдельно, с помощью четырех бит.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
