ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Структура и принцип работы компьютера

Компьютер появился в середине прошлого столетия как средство автоматизации вычислений, как автомат для решения вычислительных задач. Долгое время этот автомат называли электронной вычислительной машиной ЭВМ. В чем же принципиальное отличие этого автомата от других автоматов? Все технические достижения человечества до появления компьютеров (овладение энергией электричества, атома, ядра, создание систем автоматического управления станками, самолетами, ракетами и др.) увеличивали физические возможности человека, повышали характеристики его органов чувств (зрения, слуха). А компьютер - это усилитель интеллектуальной мощи человека!

Рассмотрим с самых общих позиций, что представляет собою компьютер.

Подобно тому, как человек создан по образу и подобию божьему (хотя оригинала никто не видел), компьютер создан по образу и подобию человека, НО человека, выполняющего вычисления в уме. Инструментом вычислений у человека является мозг. Здесь размещаются данные, над которыми производятся вычисления, и здесь же хранится план организации вычислений - алгоритм.

Алгоритм решения вычислительной задачи - это набор арифметических и логических операций, организованный в такую их последовательность, выполнив которую, от исходных данных переходят к искомым результатам.

Например, нужно в уме вычислить 492. Заметим, что 49=50-1. Вспомним, что в школьной алгебре квадрат разности есть квадрат первого числа минус удвоенное произведение первого на второе, плюс квадрат второго числа: q2=(a-b)2=a2-2xaxb+b2. (КВ)

Рис. 1

Составим и зафиксируем в уме алгоритм вычислений по формуле (КВ) (рис. 1,а) и, действуя по этому алгоритму, легко вычисляем в уме же искомое 492 (рис. 1,6).

Итак, мозг, как инструмент вычислений, выполняет две основные функции:

J хранение информации, J собственно вычисления.

У компьютера эти функции выполняют два устройства: память и процессор (рис. 2). Вместе они образуют ядро компьютера, его мозг. В памяти хранятся данные и программы, в процессоре выполняются вычисления (содержательная обработка информации).

Программа - такое представление алгоритма, которое «понятно» компьютеру. Запущенная в работу программа управляет ходом вычислений.

Идея поместить в память компьютера вместе с данными и программу решения задачи была высказана американским математиком Дж. фон Нейманом в 1945 г. Именно с этого времени и начинается современная эпоха компьютеров.

ввод

ПАМЯТЬ

ВЫВОД

ПРОЦЕССОР

Рис. 2

Размещение программы вычислений в памяти - это главное, что отличает компьютер от калькулятора. При работе на калькуляторе (пусть этот калькулятор - чудо современной микроэлектроники) программа вычислений находится в голове человека. Скорость вычислений определяется скоростью пере

бора клавиш калькулятора - одна операция за несколько секунд. Размещение программы в памяти компьютера позволяет:

ж полностью автоматизировать процедуру вычислений (теперь они после запуска протекают без вмешательства человека);

* в полной мере использовать быстродействие элементной базы компьютеров (скорость вычислений измеряется миллиардами операций в секунду).

Мозг человека связан с окружающим миром органами чувств (зрение, слух, осязание). А ядро компьютера связано с внешним миром системой ввода и вывода (рис. 2). Сюда, в первую очередь, включают монитор (элемент системы вывода), клавиатуру, мышь (элементы системы ввода). Сегодня полную номенклатуру элементов системы ввода-вывода трудно себе даже представить. Каждая сфера применения компьютера требует своих устройств для ввода информации в компьютер и вывода результатов работы потребителю.

Сейчас в массовом применении находятся персональные компьютеры ПК. Технологические достижения современной микроэлектроники позволили так уменьшить размеры компьютера, что он размещается на столе (а то и в руках). Унификация элементов и узлов ПК обеспечивает их массовое производство. При этом снижаются цены на компьютеры, что делает их доступными для все большего числа людей. А вычислительная мощность компьютеров постоянно растет.

Любопытно отметить, что английский ученый, инженер, изобретатель Чарльз Бэббидж еще в середине XIX века попытался создать аналитическую машину для автоматизации вычислений. Конечно, до конца разработать ее Бэббидж так и не сумел потому, что он лет на сто опередил свое время. Тогда объемы вычислений были не очень велики, и автоматизировать их большой нужды не было. Тем не менее, Бэббидж испытал бы законное удовлетворение, узнав, что структура современного компьютера, по существу, повторяет структуру его аналитической машины. Ее память он называл складом, процессор - мельницей. Чарльз Бэббидж и Ада Лавлейс (дочь лорда Байрона) заложили и начала программирования для компьютеров.

Способности человека к вычислениям (как, впрочем, и другие его творческие способности) определяются такими качествами памяти, как ее объем и быстродействие. Точно так и у компьютера. Чем больше объем его памяти и чем быстрее она работает, тем больше вычислительная мощность компьютера. Однако произвольно увеличивать емкость памяти в ядре компьютера нельзя. Дело в том, что при фиксированной цене единицы емкости памяти СЕ увеличение объема ОМ сопровождается уменьшением быстродействия памяти VM (рис.З). А связка процессор-память работает со скоростью, которую задает самое медленное из этих устройств. Пусть быстродействие процессора равно VP. Соотношение VM=VP будет выполняться тогда, когда QM=B (точка А на кривой QM(VM, СЕ1)), то есть память с ценою в CEi работает со скоростью процессора VP, когда ее объем не превышает величины В. Если же емкость памяти произвольно увеличить до QM=C, ее быстродействие окажется равным VM=E (точка D на той же кривой). С этой скоростью и будет работать ядро компьютера. Чтобы при

QM=C достичь прежнего быстродействия ядра VM=VP, нужно применить более дорогую память (точка F на рис. 3).

Отмеченное противоречие между емкостью памяти и ее быстродействием преодолевают так. Всю память компьютера разделяют на две части, которые размещают на разных уровнях быстродействия. На верхнем уровне находится основная память ОП. Это та память, которая входит в состав ядра компьютера. Именно об этой памяти до сих пор шла речь. И процессор, и ОП состоят из электронных элементов. Поэтому быстродействие ОП согласовано с быстродействием процессора (VM=VP), а емкость ее ограничена этим быстродействием (QM=B). На нижнем уровне стоят устройства внешней памяти ВП.

Сегодня в ПК применяют широкая номенклатура устройств ВП. Первым назовем такое устройство пакет металлических дисков, покрытых магнитным материалом, соединен с механизмом вращения дисков и управления магнитными головками. Все это помещено в закрытый корпус. К устройствам ВП относится и накопители на компакт-дисках - CD и DVD. Здесь пластмассовый диск со слоем металла помещается в привод. На этот металлический слой производится запись информации, с него выполняется и чтение оптико-электронными средствами. Все эти устройства ВП с электромеханическим приводом, и их быстродействие не идет ни в какое сравнение с быстродействием процессора и ОП. Зато емкость их никак не ограничивается быстродействием процессора и может быть сколь угодно большой. Укажем еще на такое устройство ВП, как флэш-накопитель («флэшку»). Это электронная энергонезависимая память с быстродействием существенно большим, чем у электромеханической ВП. Сегодня вместо жестких дисков применяют немеханические электронные устройства - твердотельные SSD-накопители на основе микросхем памяти.

ВП как накопитель на жестком магнитном диске (жесткий диск, винчестер). Здесь

Кстати, человек в своих вычислениях тоже пользуется внешней памятью. У Робинзона Крузо это был столб для зарубок по количеству дней, проведенных на острове. У нас это лист бумаги, классная доска, тетрадь и т.п. для фиксации промежуточных и конечных результатов вычислений.

Сейчас самое время обсудить вопрос о том, как измеряется емкость памяти. Единицей объема памяти является байт. Поясним, что это такое. На клавиатуре ПК имеется порядка 100 клавиш. На каждой клавише от одного до четырех символов, в среднем - два. Значит, компьютер должен различать около двухсот символов. Как мы уже отметили, компьютер по принципу действия работает только с числами. Мало того, только с двоичными числами! Как же символы преобразовать в числа? Да просто пронумеровать их. При нажатии клавиши в компьютер вводится двоичный номер (код) соответствующего символа. В компьютерах двоичная система счисления применена по необходимости. Во-первых, атомом в конструкции компьютера является электронный элемент, имеющий два устойчивых состояния: включен (единица) или выключен (нуль), активен (единица) или пассивен (нуль). Во-вторых, сигналы в компьютере представляются электрическими потенциалами. Потенциал может иметь только два значения: высокий (единица) или низкий (нуль). Если значений только два, то их легче различать (чем, скажем, десять значений). При двоичном кодировании информации все узлы компьютера в максимальной степени унифицируются (имеют стандартную структуру), а сам компьютер работает достаточно надежно.

Итак, компьютер считает двойками, а для записи любого числа достаточно двух цифр: 1 и 0. Заметим, попутно, что информация, которую можно поместить в один разряд, называется бит. Например, в одном разряде можно записать два номера: или 0, или 1, в двух разрядах - четыре: или 00, или 01, или 10, или 11.

Записью длиною в п разрядов можно представить 2П различных чисел (от комбинации нули во всех разрядах до комбинации единицы во всех разрядах). Для того чтобы пронумеровать двести символов, нужно выбрать п из условия 2п>200. Получается, что п=8. Восемь разрядов для записи двоичного кода любого символа и есть байт. Например, такая фраза:

ПРОСТОТА - ВОТ ВЕЛИЧАЙШАЯ МУДРОСТЬ!

займет в памяти компьютера тридцать пять байтов (пробел тоже символ со своим номером, а здесь их четыре).

Конечно байт - мелкая монета. Для оценки объемов памяти используют более крупные единицы:

  • 1 КВ=210 В=1024 В^Ю3 В (КВ - килобайт по аналогии с километром),
  • 1 МВ=210КВ=220 В=106 В (МВ - мегабайт),
  • 1 GB=210MB=230 ВаЮ9 В (GB - гигабайт),
  • 1 TB=210GB=240 Ва1012 В (ТВ - терабайт).

Приличной для винчестера сегодня считается емкость в 500 GB, для основной памяти -16 GB. Диск CD имеет емкость в 700 MB, DVD - 4.7 GB, «флэшки» - 16 GB.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >