1.2Состав устройств, структура и порядок функционирования электронных вычислительных машин
Состав устройств ЭВМ известен: это устройства типа процессор, запоминающее устройство (ЗУ), устройство ввода (УВв), устройство вывода (УВыв). Почему эти устройства, а не другие включаются в состав ЭВМ? В качестве ответа приведем цепочку очевидных рассуждений.
Известно, что для того, чтобы решить некоторую задачу, сначала необходимо разработать (придумать – интеллектуальная работа) алгоритм ее решения, а затем этот алгоритм выполнить над некоторым набором исходных данных.
Выполнение известного алгоритма – работа механическая (ее, грубо говоря, и дурак может сделать, если знает алгоритм!). Если работа чисто механическая, рутинная, следовательно, ее может выполнить и какое-то техническое устройство. Какое? Ответ надо искать у Дж. фон Неймана. А именно: чтобы аппаратура ЭВМ могла выполнять алгоритм автоматически, без участия человека, алгоритм необходимо представить в терминах машинных команд, т. е. в форме программы (это еще творческая работа), а затем заставить аппаратуру эту программу выполнить. Именно программа описывает путь решения задачи, чтобы ее решить – надо по этому пути пройти. Решение задачи – это процесс, протекающий во времени, в динамике. Отсюда вытекает, что для решения задачи с помощью аппаратуры необходимо в состав ЭВМ, кроме фон Неймановской памяти, состоящей из пронумерованных ячеек, ввести устройство, реализующее процесс выполнения программы. Это устройство естественно назвать процессором. Он в основном и реализует фон Неймановский принцип программного управления. Как? Процессор выполняет специальный алгоритм управления вычислительным процессом. Этот алгоритм прост и не зависит от конкретных программ (инвариантен по отношению к конкретным задачам). Он и реализуется аппаратурой ЭВМ. Называется он циклом выполнения команд и сводится к выполнению следующих действий:
выборка очередной команды из памяти машины;
выборка операндов (если необходимо);
выполнение операции, предписанной командой;
запись результата операции в память (если необходимо);
переход к пункту 1.
Подробнее этот алгоритм рассмотрим позже.
Какие еще устройства, кроме памяти и процессора необходимы для автоматизации решения задачи? Ответ очевиден: устройство ввода и устройство вывода.
Структура простейшей ЭВМ также является очевидной (рисунок 1.1). Чего в ней нет по сравнению с современной машиной? Нет внешней памяти (ВП).
Рис. 1.1
Порядок функционирования ЭВМ. Современные ЭВМ работают под управлением операционных систем (ОС). Программы ОС обычно хранятся во ВП (на дисках). В момент включения питания в основной оперативной памяти (ОП) пусто. Для нормальной работы в ОП необходимо сначала ввести основную часть ОС (т.н. резидентную часть) из ВП. Обычно это делается под управлением программы начальной загрузки, которая в современных ЭВМ хранится в части ОП, реализованной на основе БИС ПЗУ. По объему это малая часть ОП.
Основная часть ОП строится на основе БИС ОЗУ.
После загрузки в ОП ЭВМ операционная система превращается в инструмент, помогающий человеку в автоматическом режиме быстро и без ошибок выполнять машинные программы.