Пристрій і принципи дії комп'ютера

Один з видатних математиків нашого сторіччя Джон фон Нейман розробив принципи побудови логічної системи обчислювальної машини, здатної використовувати гнучку програму, що запам'ятовується, яку можна було б змінювати, не перебудувавши всієї схеми машини. Відповідно до принципів фон Неймана для роботи комп'ютера необхідні наступні пристрої:

1) арифметично-логічний пристрій, що виконує арифметичні і логічні операції (АЛП);

2) пристрій управління, яке організовує процес виконання програм (ПУ);

3) пристрій, що запам'ятовує, або пам'ять, для зберігання програм і даних (ЗП);

4) зовнішні пристрої для введення-висновку інформації (ПВВ);

5) пульт управління (ПУ).

Пам'ять комп'ютера повинна складатися з деякої кількості пронумерованих осередків, в кожній з яких можуть знаходитися або оброблювані дані, або інструкції програм. Всі елементи пам'яті повинні бути однаково досяжні для інших пристроїв комп'ютера (мал. 18).

Мал. 18. Схема основних пристроїв комп'ютера

У загальних рисах роботу комп'ютера можна описати так. Спочатку за допомогою якого-небудь зовнішнього пристрою в пам'ять комп'ютера вводиться програма. Пристрій управління прочитує вміст елементу пам'яті, де знаходиться перша інструкція (команда) програми, і організовує її виконання. Ця команда може задавати виконання арифметичних або логічних операцій, читання з пам'яті даних для цих операцій або запис їх результатів в пам'ять, введення даних із зовнішнього пристрою в пам'ять або виведення даних з пам'яті на зовнішній пристрій.

Як правило, після виконання однієї команди пристрій управління починає виконувати команду з елементу пам'яті, яка знаходиться безпосередньо за тільки що виконаною командою. Проте цей порядок може бути змінений за допомогою команд передачі управління (переходу). Ці команди указують пристрою управління, що йому слід продовжити виконання програми, починаючи з команди, що міститься в деякій іншому елементу пам'яті. Такий стрибок, або перехід, в програмі може виконуватися не завжди, а тільки при виконанні деяких умов, наприклад, якщо деякі числа рівні, якщо в результаті попередньої арифметичної операції вийшов нуль і т.д. Це дозволяє використовувати одні і ті ж послідовності команд в програмі багато раз (організовувати цикли), виконувати різні послідовності команд залежно від певних умов і т.д., тобто створювати складні програми.

Таким чином, управляючий пристрій виконує інструкції програми автоматично, без втручання людини. Він може обмінюватися інформацією з оперативною пам'яттю і зовнішніми пристроями комп'ютера. Оскільки зовнішні пристрої працюють значно повільніше, ніж решта частин комп'ютера, управляючий пристрій може припиняти виконання програми до завершення операції введення-виведення із зовнішнім пристроєм. Всі результати виконаної програми повинні бути нею виведені на зовнішні пристрої комп'ютера, після чого комп'ютер переходить до очікування яких-небудь сигналів зовнішніх пристроїв.

Слід помітити, що схема пристрою сучасних комп'ютерів декілька відрізняється від приведеної вище. Зокрема, арифметично-логічний пристрій і пристрій управління найчастіше об'єднаний в єдиний пристрій - центральний процесор. Крім того, виконання програм може уриватися для виконання невідкладних дій, пов'язаних з сигналами, що поступили, від зовнішніх пристроїв комп'ютера, - переривань. Багато швидкодіючих комп'ютерів здійснюють паралельну обробку даних на декількох процесорах. Проте більшість сучасних комп'ютерів відповідають принципам, викладеним фон Нейманом.

Процесор, або мікропроцесор, є основним пристроєм ЕОМ і є функціонально закінчений пристрій обробки інформації. Він призначений для виконання обчислень за програмою, що зберігається в пристрої, що запам'ятовує, і забезпечення загального управління ЕОМ. Швидкодія ЕОМ значною мірою визначається швидкістю роботи процесора. Для її збільшення процесор використовує власну пам'ять невеликого об'єму, іменовану місцевої, або надоперативної, що в деяких випадках виключає необхідність звернення до пристрою ЕОМ, що запам'ятовує.

Обчислювальний процес повинен бути заздалегідь представлений для ЕОМ у вигляді програми. При виконанні програми ЕОМ вибирає чергову команду, розшифровує її, визначає, які дії і над якими операндами слід виконати. Цю функцію здійснює ПУ. Він же поміщає вибрані ЗП операнди в АЛП, де вони і обробляються. Саме АЛП працює під управлінням ПУ.

Оброблювані дані і виконувана програма повинні знаходитися в пристрої, що запам'ятовує, - пам'яті ЕОМ, куди вони вводяться через пристрій введення. Місткість пам'яті вимірюється у величинах, кратних байту. Пам'ять є складну структуру, побудовану за ієрархічним принципом, і включає пристрої різних типів, що запам'ятовують. Функціонально вона ділиться на дві частини - внутрішню і зовнішню.

Внутрішня, або основна, пам'ять - це пристрій, що запам'ятовує, безпосередньо пов'язаний з процесором і призначений для зберігання виконуваних програм і даних, що безпосередньо беруть участь в обчисленнях. Звернення до внутрішньої пам'яті ЕОМ здійснюється з високою швидкодією, але вона має обмежений об'єм, визначуваний системою адресації машини.

Внутрішня пам'ять, у свою чергу, ділиться на оперативну (ОЗУ) і постійну (ПЗП) пам'ять.

Постійна пам'ять забезпечує зберігання і видачу інформації. На відміну від вмісту оперативної пам'яті вміст постійної заповнюється при виготовленні ЕОМ і не може бути змінений в звичних умовах експлуатації. У постійній пам'яті зберігаються часто використовувані (універсальні) програми і дані, наприклад, деякі програми операційної системи, програми тестування устаткування ЕОМ і ін. При виключенні живлення вміст постійної пам'яті зберігається. Як правило, ці дані не можуть бути змінені, виконувані на комп'ютері програми можуть тільки їх прочитувати. Такий вид пам'яті звичайно називається ROM (read only memory - пам'ять тільки для читання), або ПЗП (постійний пристрій, що запам'ятовує). Оскільки велика частина цих програм пов'язана з обслуговуванням введення-висновку, цю пам'ять називають ROM BIOS (Basic Input-Output System -базовая система введення-виведення).

Оперативна пам'ять, за об'ємом має велику частину внутрішньої пам'яті, служить для прийому, зберігання і видачі інформації. При виключенні живлення ЕОМ вміст оперативної пам'яті в більшості випадків втрачається.

Назва оперативна ця пам'ять одержала тому, що вона працює дуже швидко, так що процесору практично не доводиться чекати при читанні даних з пам'яті або запису в пам'ять. Часто для оперативної пам'яті використовують позначення RAM (random access memory, тобто пам'ять з довільним доступом).

Від кількості встановленої в комп'ютері оперативної пам'яті безпосередньо залежить, з якими програмами можна на ньому працювати. При недостатній кількості оперативної пам'яті багато програм або зовсім не працюватимуть, або стануть працювати украй поволі.

Для прискорення доступу до оперативної пам'яті на швидкодіючих комп'ютерах використовується спеціальна надшвидкодіюча кеш-пам'ять, яка розташовується як би між мікропроцесором і оперативною пам'яттю і зберігає копії найчастіше використовуваних ділянок оперативної пам'яті. При зверненні мікропроцесора до пам'яті спочатку виробляється пошук потрібних даних в кеш-пам'яті. Оскільки час доступу до кеш-пам'яті у декілька разів менше, ніж до звичної пам'яті, а в більшості випадків необхідні мікропроцесору дані вже містяться в кеш-пам’яті, середній час доступу до пам'яті зменшується.

Окрім звичної оперативної пам'яті і постійної пам'яті в комп'ютері є також невелика ділянка пам'яті для зберігання параметрів конфігурації комп'ютера. Його часто називають CMOS-RAM, оскільки ця пам'ять звичайно виконується за технологією CMOS, що володіє низьким енергоспоживанням. Вміст CMOS-RAM не змінюється при виключенні електроживлення комп'ютера. Ця пам'ять розташовується на контролері периферії, для електроживлення якого використовуються спеціальні акумулятори.

Для зміни параметрів конфігурації комп'ютера в BIOS міститься програма настройки конфігурації комп'ютера -Setup. Акумулятор забезпечує електроенергією і вбудований в комп'ютер годинник (так званий годинник реального часу). Наявність цього годинника дозволяє не задавати поточний час при кожному включенні комп'ютера.

Ще один вид пам'яті в IBM PC-сумісних комп'ютерах -його відеопам'ять, тобто пам'ять, використовувана для зберігання зображення, монітора, що виводиться на екран. Ця пам'ять звичайно входить до складу відеоконтроллера - електронної схеми, що управляє виведенням зображення на екран монітора.

Зовнішня пам'ять (ПЗП) призначена для розміщення великих об'ємів інформації і обміну нею з оперативною пам'яттю. Для побудови зовнішньої пам'яті використовують незалежні носії інформації (диски і стрічки), які до того ж є переносними. Місткість цієї пам'яті практично не має обмежень, а для звернення до неї потрібно більше часу, чим до внутрішньої.

Зовнішні пристрої, що запам'ятовують, конструктивно відокремлені від центральних пристроїв комп'ютера (процесора і внутрішньої пам'яті), мають власне управління і виконують запити процесора без його безпосереднього втручання (мал).

ПЗП за принципами функціонування розділяються на пристрої прямого доступу (накопичувачі на магнітних і оптичних дисках) і пристрою послідовного доступу (накопичувачі на магнітних стрічках). Пристрої прямого доступу володіють великою швидкодією, тому вони є основними зовнішніми пристроями, що запам'ятовують, постійно використовуваними в процесі функціонування комп'ютера. Пристрої послідовного доступу використовуються в основному для резервування інформації. Пристрої введення-виведення служать відповідно для введення інформації в машину і висновку з неї, а також для забезпечення спілкування користувача з машиною. Процеси введення-виведення протікають з використанням внутрішньої пам'яті. Іноді пристрої введення-виведення називають периферійними, або зовнішніми пристроями. До них відносяться, зокрема, дисплеї (монітори), клавіатура, маніпулятори, друкуючі пристрої (принтери), графічні пристрої, сканери, звукові колонки і ін.

Монітор приймає зображення від системного блоку. Його екран є робочим полем. За допомогою клавіатури в комп'ютер вводяться будь-який текст, символи, подаються команди і здійснюється управління роботою комп'ютера. Миша - засіб управління курсором на екрані монітора. Для управління зовнішніми пристроями (у тому числі і ПЗП) і узгодження їх з системним інтерфейсом служать групові пристрої управління зовнішніми пристроями, адаптери або контролери. Системний інтерфейс - це конструктивна частина комп'ютера, призначена для взаємодії його пристроїв і обміну інформацією між ними. У великих, середніх і СУПЕРЕОМ як системний інтерфейс використовувалися складні пристрої, вбудовані процесори введення-виведення, іменовані каналами. Такі пристрої забезпечують високу швидкість обміну даними між компонентами комп'ютера.

Сам по собі комп'ютер не володіє знаннями ні в одній області свого застосування, все ці знання зосереджені у виконуваних на комп'ютері програмах. Вираз, що тому часто вживається, комп'ютер зробив (підрахував, намалював) означає рівно те, що на комп'ютері була виконана програма, яка дозволила зробити відповідну дію.

Програми, що працюють на комп'ютері, можна розділити на три категорії:

1) прикладні програми, що безпосередньо забезпечують виконання необхідних користувачам робіт: редагування текстів, малювання картинок, обробку інформаційних масивів і т. д.;

2) системні програми, виконуючі різні допоміжні функції, наприклад створення копій використовуваної інформації, перевірку працездатності пристроїв комп'ютера і т. д.;

3) інструментальні системи (системи програмування), що забезпечують створення нових програм для комп'ютера.

Грані між вказаними трьома класами програм вельми умовні, наприклад, до складу програми системного характеру може входити редактор текстів, тобто програма прикладного характеру.

Важливим класом системних програм є драйвери. Вони розширюють можливості ОС, наприклад дозволяючи їй працювати з тим або іншим зовнішнім пристроєм, навчаючи її новому протоколу обміну даними і т.д. Так, спочатку версії DOS, Windows і OS/2, що потрапили в нашу країну, були англійськими і не підтримували введення російських букв з клавіатури, тому програмісти створили драйвери, що забезпечують ці засоби.

Більшість ОС містить немало драйверів в комплекті свого постачання, і програма установки ОС встановлює (задіює) ті драйвери, які потрібні для підтримки пристроїв і функцій ОС, вказаних користувачем.

Драйвери для різних ОС часто поставляються і разом з новими пристроями або контроллерами.

Вельми популярний клас системних програм складають програми-оболонки. Вони забезпечують зручніший і наочний спосіб спілкування з комп'ютером, чим штатні засоби ОС. Найбільш популярною програмою-оболонкою для DOS є Norton Commander.

Утиліти - це програми допоміжного призначення. Найчастіше використовуються наступні типи утиліт:

а) антивірусні програми призначені для запобігання зараженню комп'ютерним вірусом і ліквідації наслідків зараження;

б) програми-пакувальники (архіватори) дозволяють за рахунок застосування спеціальних методів упаковки інформації стискати інформацію на дисках, тобто створювати копії файлів меншого розміру, а також об'єднувати копії декількох файлів в один архівний файл;

в) програми-русифікатори пристосовують інші програми (звичайно ОС) для роботи з російськими буквами (текстами, користувачами і т. д.);

г) програми для діагностики комп'ютера дозволяють перевірити конфігурацію комп'ютера і працездатність його пристроїв;

д) програми для оптимізації дисків дозволяють забезпечити швидший доступ до інформації на диску за рахунок оптимізації розміщення даних на диску;

е) програми динамічного стиснення дисків створюють псевдодиски, інформація яких зберігається в стислій формі у вигляді файлів на звичних (справжніх) дисках комп'ютера, що дозволяє зберігати на дисках більше даних;

ж) програми обмеження доступу дозволяють захистити дані, що зберігаються на комп'ютері, від небажаних або некваліфікованих користувачів.

Для IBM PC розроблені і використовуються сотні тисяч різних прикладних програм. Найширше застосовуються програми:

- підготовки текстів (документів) на комп'ютері - редактори текстів;

- підготовки документів друкарської якості - видавничі системи;

- обробки табличних даних - табличні процесори;

- обробки масивів інформації - системи управління базами даних;

- підготовки презентацій (слайд-шоу);

- економічного призначення - бухгалтерські програми, програми фінансового аналізу, правові бази даних і т.д.;

- для створення малюнків, анімаційних і відеофільмів;

- системи автоматизованого проектування (САПР) - програми креслення і конструювання різних предметів і механізмів;

- для статистичного аналізу даних;

- комп'ютерні ігри, повчальні програми, електронні довідники т.д.

Програми, які знайшли популярність у користувачів, звичайно удосконалюються розробниками: у них виправляються помилки, включаються нові можливості і т.д. Щоб зберегти спадкоємність, програмам, що вийшли, не дається якесь інше ім'я, а натомість вони називаються версіями початкових програм.

Найчастіше версії програм позначаються числами вигляду 1.00, 3.5 і т.д., типу десяткових дробів в американському записі. Номер версії звичайно указується після назви програми, наприклад Windows 3.0 (читається три нуль). Істотні зміни в програмах відбиваються збільшенням цифри до крапки, незначні зміни або виправлення помилок - збільшенням цифр, що стоять після крапки. Наприклад, первинна версія програми позначається 1.0, версія з деякими удосконаленнями -1.5 (або, що те ж саме, 1.50), а після внесення істотних доповнень нова версія програми матиме номер 2.0.

Останнім часом деякі виробники програм почали нумерувати версії по року їх випуску. Наприклад, Windows 2000 -версия, випущена в 2000 р.

Узагальнивши висловлену про комп'ютер інформацію, дамо його визначення. Комп'ютер - комплекс технічних засобів і програмного забезпечення, здатний реалізувати будь-який алгоритм, оформлений у вигляді програми, що зберігається в пам'яті, і орієнтований на реалізацію процесів переробки інформації у взаємодії з людиною. Популярність терміну комп'ютер обумовлена його зручністю для утворення нових понять: комп'ютеризація, комп'ютерна письменність і ін.

З середини 60-х років істотно змінився підхід до створення обчислювальних машин. Замість незалежної розробки апаратури і деяких засобів математичного забезпечення стала проектуватися система, що складається з сукупності апаратних (hardware) і програмних (software) засобів. При цьому на перший план висувалася концепція їх взаємодії. Так виникло принципово нове поняття - архітектура ЕОМ.

Під архітектурою ЕОМ розуміється сукупність загальних принципів організації апаратно-програмних засобів і їх характеристик, що визначає функціональні можливості ЕОМ при рішенні відповідних класів завдань.

Архітектура ЕОМ охоплює широкий круг проблем, що пов'язаних з побудовою комплексу апаратних і програмних засобів і враховують безліч чинників. Серед цих чинників найважливішими є: вартість, сфера застосування, функціональні можливості, зручність експлуатації, а одним з головних компонентів архітектури виступають апаратні засоби.

Архітектуру обчислювального засобу слід відрізняти від його структури. Структура обчислювального засобу визначає його конкретний склад на деякому рівні деталізації (пристрої, блоки, вузли і т. д.) і описує зв'язки усередині засобу у всій їх повноті. Архітектура ж визначає правила взаємодії складових частин обчислювального засобу, опис яких виконується в тій мірі, в якій це необхідно для формування цих правил. Вона регламентує не всі зв'язки, а найбільш важливі, потрібні для більш грамотного використання даного засобу.

Запитання і завдання

1. Відтворіть основні поняття, пов'язані з комп'ютером.

2. Як можна класифікувати ЕОМ?

3. Розкажіть про покоління ЕОМ.

4. Як Ви зрозуміли пристрій комп'ютера? Опишіть принципи Джона фон Неймана.

5. Які види пам'яті є в комп'ютері і в чому їх специфіка?

6. Які програми необхідні для роботи комп'ютера? Дайте їм характеристику.

7. Дайте загальне визначення персонального комп'ютера і приведіть основні характеристики.