Понятие об информации

     В составе процессора имеется ряд  специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.

     Основным  элементом регистра является электронная  схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд).

     Существует  несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

     Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

• сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции.
• счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
• регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

     принципы построения компьютеров

     В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

     1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа  состоит из набора команд, которые  выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

     Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

     А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

     Если  же нужно после выполнения команды  перейти не к следующей, а к  какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”.

     Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

     2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

     Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

     Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

     3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

     Отсюда  следует возможность давать имена  областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

     Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся  к типу фон-неймановских.

     архитектура и структура компьютера

     При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

     Наиболее  распространены следующие архитектурные  решения.

     · Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер.

     К этому типу архитектуры относится  и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

     Периферийные  устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные  контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

     Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

     Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

     Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко.

     Однако  эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

     Преимущество  в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

     Архитектура с параллельными  процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд.

     Высокое быстродействие такой  архитектуры можно  получить только на задачах, в которых  одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

     В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений.

     центральный процессор

     Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• арифметико-логическое устройство;
• шины данных и шины адресов;
• регистры;
• счетчики команд;
• кэш — очень быструю память малого объема (от 256 Кбайт до 4 Мбайт);
• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

     Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

     В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

     память

     Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

     Байты могут объединяться в ячейки, которые  называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).

     Как правило, в одном машинном слове  может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации.

     Современные компьютеры имеют много разнообразных  запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации.

     Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.

     В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память

     Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

     Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

     Объем ОЗУ обычно составляет от 512 Мбайт  до 4 Гбайт, а для эффективной работы современного программного обеспечения  желательно иметь не менее 1 Гбайт ОЗУ. Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти SDRAM (Dynamic RAM — динамическое ОЗУ). Микросхемы SDRAM работают медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле.

     Каждый  информационный бит в SDRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory).

     Важная  характеристика модулей памяти —  время доступа к данным.

     · Кэш-память