В современных компьютерах устройство управления и алу объединены

Связанные понятия

Арифме́тико-логи́ческое устро́йство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером или длиной машинного слова.

Регистровый файл (register file) — модуль микропроцессора (CPU), содержащий в себе реализацию регистров процессора. Современные регистровые файлы, используемые в СБИС, обычно реализованы как многопортовый массив быстрой статической памяти SRAM. Такие массивы SRAM отличаются явным разделением портов чтения и записи, тогда как классическая многопортовая SRAM обычно позволяет как читать, так и записывать через любой порт.

Регистр — устройство для записи, хранения и считывания n-разрядных двоичных данных и выполнения других операций над ними.

Счётчик кома́нд (также PC = program counter, IP = instruction pointer, IAR = instruction address register, СЧАК = счётчик адресуемых команд) — регистр процессора, который указывает, какую команду нужно выполнять следующей.

Разработка синхронных цифровых интегральных схем на уровне передач данных между регистрами (англ. register transfer level, RTL — уровень регистровых передач) — способ разработки синхронных (англ.) цифровых интегральных схем, при применении которого работа схемы описывается в виде последовательностей логических операций, применяемых к цифровым сигналам (данным) при их передаче от одного регистра к другому (не описывается, из каких электронных компонентов или из каких логических вентилей состоит схема.

Арифметико-логическое устройство алу, устройство управления уу и регистры для временного хранения информации

Архитектура компьютеров стандартизирована с целью выполнения программ различными компьютерами.

В состав однопроцессорной ЭВМ должны входить:

Персональный компьютер состоит из следующих основных блоков: основная память, процессор, устройства ввода -вывода

Основа вычислительной машины — процессор. В нем расположены арифметико-логическое устройство — АЛУ, устройство управления — УУ и регистры для временного хранения информации. АЛУ осуществляет непосредственную обработку данных: сложение двух чисел, умножение одного числа на другое, перенос информации из одного места в другое и т.д. Данные процессор считывает из ОЗУ (оперативной памяти) компьютера, туда же он пересылает результат действия над этими данными.

Устройство управления координирует взаимодействие различных частей ЭВМ.

Важнейшими характеристиками процессора являются: разрядность, тактовая частота, адресное пространство

Разрядность процессора. Обычно команда выполняется не по одному биту, а одновременно группами по 8, 16, 32, 64 бита. Число одновременно обрабатываемых битов и называется разрядностью процессора. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обработать в единицу времени, тем выше его эффективность.

Тактовая частота процессора характеризует быстродействие компьютера. Режим работы процессора задается микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты. Это своеобразный метроном внутри компьютера. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Ясно, что если метроном «стучит быстрее», то и процессор работает быстрее. Современные процессоры Pentium имеют тактовую частоту 333 и более МГц.

— это устройство для хранения информации. Она состоит из оперативного и постоянного запоминающего устройств. Оперативное запоминающее устройство называется ОЗУ, постоянное запоминающее устройство — ПЗУ.
ОЗУ предназначена для записи, считывания и хранения программ (системных и прикладных), исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. Доступ к элементам памяти прямой. Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт) и каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться. ОЗУ используется для временного хранения данных и программ. При выключении компьютера, информация в ОЗУ стирается. Объем памяти — важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы компьютера и на работоспособность программ. Современные прикладные программы часто требуют для своего выполнения 4 Мбайта памяти, в противном случае программа просто не сможет работать.
Часть ОЗУ, называемая «видеопамять», содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране.

ПЗУ используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержимое памяти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения.

Программа управления работой самого процессора
Программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью
Программы запуска и остановки ЭВМ
Программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков
Информация о том, где на диске находится операционная система.

Современные программные системы способны объединять внутреннюю и внешнюю память в единое целое, причем так, чтобы наиболее редко используемая информация попадала в более медленно работающую внешнюю память. Такой метод носит название виртуальной памяти и дает возможность очень существенно расширить объем обрабатываемой с помощью компьютера информации.

Если процессор дополнить памятью, то такая автономная система уже может быть работоспособной. Ее существенным недостатком является невозможность узнать что-либо о происходящем внутри такой системы. Для получения информации о результатах необходимо дополнить компьютер устройствами вывода, которые позволяют представить их в доступной человеческому восприятию форме. Наиболее распространенным устройством вывода является дисплей, способный быстро и оперативно отображать на своем экране как текстовую, так и графическую информацию. Для того чтобы получить копию результатов на бумаге, используют печатающее устройство, или принтер

Наконец, поскольку пользователю часто требуется вводить в компьютерную систему новую информацию, необходимы еще и устройства ввода. Простейшим устройством ввода является клавиатура, манипулятор «мышь», сканер, позволяющий не просто преобразовать картинку с листа бумаги в графическое компьютерное изображение, но и с помощью специального программного обеспечения распознать в прочитанном изображении текст и сохранить его в виде, пригодном для редактирования в обычном текстовом редакторе.

Теперь, когда мы знаем основные устройства компьютера и их функции, осталось выяснить, как они взаимодействуют между собой. Для этого обратимся к упрощенной функциональной схеме компьютера, приведенной на рисунке

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Основной обязанностью системной шины является передача информации между процессором и остальными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Таким образом, упрощенно системную шину (магистраль) можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назначению (данные, адреса, управление). Основной характеристикой этих линий является их разрядность — разрядность адресной шины, шины данных.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. За 25 лет, со времени создания первого персонального компьютера (1975 г.), разрядность шины данных увеличилась с 8 до 64 бит. Шина адреса. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т. е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2 1 , где I — разрядность шины адреса.

В первых персональных компьютерах разрядность шины адреса составляла 16 бит, а количество адресуемых ячеек памяти — N = 2 ==65 536.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию

В современных компьютерах обмен по шине некоторых случаях может происходить и без непосредственного участия центрального процессора, например, между устройством ввода и внутренней памятью. В этом случае руководство процессом обмена берет на себя специализированная интеллектуальная микросхема — контроллер.

Современный компьютер может содержать несколько согласованно работающих процессоров, прямые информационные каналы между отдельными устройствами, несколько взаимодействующих магистралей и т.д. Тем не менее, если понимать наиболее общую схему, то разобраться в конкретной компьютерной системе будет уже легче.
Требованиях, которые предъявляются к организации компьютерного рабочего места.

Компьютер не является объектом повышенной опасности, но определенные негативные воздействия на человека в принципе в состоянии оказать. Любой, кто собирается систематически использовать компьютер, должен быть о них предупрежден. Ключевыми требованиями (их часто называют эргономическими) здесь должны стать безопасность, эффективность и комфорт.

Особую осторожность следует проявлять с кабелем, подводящим сетевое напряжение, и его вилкой. Не рекомендуется без крайней необходимости открывать компьютер или его устройства, тем более при подключенном напряжении. Все подсоединения разъемов внешних устройств «USB-устройства) производятся только при отключенном питании.

С другой стороны, из сказанного выше вовсе не следует, что компьютер при любом коротком перерыве надо выключать. Необходимо учитывать, что электрические приборы (даже самая обыкновенная электрическая лампочка) обычно испытывают максимальные перегрузки именно в момент включения. Следовательно, если вы через некоторое время собираетесь вернуться к работе, не стоит лишний раз выключать и снова включать компьютер. Тем более что в современных моделях предусмотрен специальный ждущий («спящий») режим, который автоматически включается, если компьютер долго не получает никаких воздействий от устройств ввода. Такой режим энергосбережения особенно актуален в переносных компьютерах, где потребляемая мощность определяет время разрядки источника питания, а значит, и автономной работы.

Современные мониторы защищены достаточно хорошо. Единственный факт, на который здесь стоит обратить внимание, так это то, что излучение максимально с задней стороны монитора. Отсюда меры предосторожности очевидны — ставить монитор с электронно-лучевой трубкой так, чтобы сзади него не было людей, например, к наружной стене.

Попутно заметим, что компьютерные рабочие места, как и обычные учебные столы, следует размешать таким образом, чтобы естественный свет падал преимущественно слева.

Еще один источник возможных негативных последствий, связанный с монитором, — нагрузка на зрение. Множество мелких деталей на экране монитора, которые необходимо рассматривать с предельным вниманием, вызывают у наших глаз существенное напряжение. Довольно эффективные меры борьбы с указанной опасностью существуют и они хорошо известны: тщательный выбор места для монитора (отсутствие бликов и посторонней подсветки изображения), хорошее рассеянное освещение, настройка монитора на максимально высокую частоту обновления экрана (для уменьшения мерцания) и индивидуальная регулировка яркости. Освещение здесь играет особую роль: оно должно быть организовано так, чтобы на «поверхности стола в зоне размещения рабочего документа» быть очень интенсивным и равномерным, но при этом не подсвечивать экран.

Работая с компьютером, не стоит располагать глаза близко к монитору; медики рекомендуют расстояние вытянутой руки. Важной профилактической мерой является организация периодических перерывов и выполнения специальных несложных упражнений для глаз.

Существуют также официальные нормы, ограничивающие время работы на компьютере. Они довольно жесткие, для школьников: например, согласно санитарным нормам, для 10—11-го классов время непрерывной работы не может превышать 30 минут. Важную роль в работе за компьютером играет правильно подобранная мебель. Рекомендуется, чтобы она имела регулируемую высоту. Поверхность сиденья, спинки и других элементов стула (кресла должна быть полумягкой, с нескользящим, слабо электризующимся и воздухопроницаемым покрытие обеспечивающим легкую очистку от загрязнений

Содержание

Разработчик компьютера ENIAC, Джон фон Нейман, был первым создателем АЛУ. В 1945 году он опубликовал первые научные работы по новому компьютеру, названному EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer). Годом позже он работал со своими коллегами над разработкой компьютера для Принстонского института новейших исследований (IAS). Архитектура этого компьютера позже стала прототипом архитектур большинства последующих компьютеров. В своих работах фон Нейман указывал устройства, которые, как он считал, должны присутствовать в компьютерах. Среди этих устройств присутствовало и АЛУ. Фон Нейман отмечал, что АЛУ необходимо для компьютера, поскольку оно гарантирует, что компьютер будет способен выполнять базовые математические операции включая сложение, вычитание, умножение и деление

АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и элемента управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему именами (кодами) операций, которые при пересылке данных нужно выполнить над переменными, помещаемыми в регистры.

Арифметико-логическое устройство функционально можно разделить на две части :

микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);

операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

Рисунок 1 — Структурная схема арифметико-логического устройства

Структурная схема АЛУ и его связь с другими блоками машины показаны на рисунке 1. В состав АЛУ входят регистры Рг1 — Рг7, в которых обрабатывается информация , поступающая из оперативной или пассивной памяти N1, N2, . NS; логические схемы, реализующие обработку слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления.

Закон переработки информации задает микропрограмма , которая записывается в виде последовательности микрокоманд A1,A2, . Аn-1,An. При этом различают два вида микрокоманд: внешние, то есть такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нем те или иные преобразования информации (на рис. 1 микрокоманды A1,A2. Аn), и внутренние, которые генерируются в АЛУ и воздействуют на микропрограммное устройство, изменяя естественный порядок следования микрокоманд. Например, АЛУ может генерировать признаки в зависимости от результата вычислений: признак переполнения, признак отрицательного числа, признак равенства 0 всех разрядов числа др. На рис. 1 эти микрокоманды обозначены р1, p2. рm.

Результаты вычислений из АЛУ передаются по кодовым шинам записи у1, у2, . уs, в ОЗУ. Функции регистров, входящих в АЛУ:

Рг1 — сумматор (или сумматоры) — основной регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений;

Рг2, РгЗ — регистры слагаемых, сомножителей, делимого или делителя (в зависимости от выполняемой операции);

Рг4 — адресный регистр (или адресные регистры), предназначен для запоминания (иногда и формирования) адреса операндов и результата;

Ргб — k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов;

Рг7 — i вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.

Часть операционных регистров является программно-доступной, то есть они могут быть адресованы в команде для выполнения операций с их содержимым. К ним относятся : сумматор, индексные регистры, некоторые вспомогательные регистры.

Остальные регистры программно-недоступные, так как они не могут быть адресованы в программе. Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу обработки информации и логической структуре.

АЛУ может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевскими (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В АЛУ выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования «операция/ режим адресации» базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

Архитектура ЭВМ

С развитием вычислительной техники и программных средств любая ЭВМ стала рассматриваться как вычислительная система, представляющая собой совокупность двух концептуально объединенных частей: аппаратного и программного обеспечения. Появилось понятие «архитектура ЭВМ», связанное с функциональными возможностями вычислительной системы, которые должен знать пользователь для эффективного применения системы при решении своих задач.

Архитектура ЭВМ – это модель, устанавливающая принципы организации вычислительной системы, состав, порядок и взаимодействие основных частей ЭВМ, функциональные возможности, удобство эксплуатации, стоимость, надежность.

Любая ЭВМ, в том числе и ПК, для выполнения своих функций должна иметь минимальный набор функциональных блоков. Это блок для выполнения арифметических и логических операций; блок для хранения информации (память) или запоминающее устройство; устройства для ввода исходных данных и для вывода результатов. Так как все эти устройства должны синхронно выполнять нужные действия, ими надо управлять. Поэтому в структуре любой ЭВМ необходимо иметь также устройство управления.

Все перечисленные блоки с учетом того, что в запоминающем устройстве выделяется два уровня (внутренний и внешний), полностью соответствуют составу классической фон- неймановской [1] структуры ЭВМ, которая уже более полувека составляет основу вычислительных машин (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Классическая структура ЭВМ:

жирные стрелки – передача информации; тонкие стрелки – передача управляющих сигналов; АЛУ – блок для выполнения арифметических и логических операций; ЗУ – запоминающее устройство; УУ – устройство управления; Увв – устройство ввода информации; Увыв – устройство вывода информации

Структура ЭВМ определяет совокупность функциональных элементов ЭВМ и способ установления связей между ними. В современных ЭВМ устройство для выполнения арифметических и логических операций и устройство управления объединены в центральный процессор. Взамен ограниченного набора устройств ввода-вывода, имеющихся в ЭВМ первых поколений, в современных машинах имеется большой арсенал устройств (разнообразные накопители на магнитных, оптических и магнитооптических дисках, сканеры, клавиатура, мышь, джойстик, принтеры, плоттеры, графопостроители). Иерархия запоминающих устройств представлена еще большим количеством уровней.

Аппаратное обеспечение (hardware) – совокупность технических средств, используемых в процессе функционирования ЭВМ и взаимодействующих друг с другом.

Структурно аппаратное обеспечение современной ЭВМ, в том числе ПК, состоит из двух основных частей: центральной и периферийной. К центральной части обычно относят центральный процессор и основную память, поскольку именно на их основе реализуется принцип программного управления.

Центральный процессор обеспечивает выполнение процедур обработки данных и программное управление этим процессом. Он включает арифметико-логическое устройство, устройство управления, собственные запоминающие устройства (регистры, кэш-память).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – часть процессора, обеспечивающая выполнение процедур преобразования данных.

Устройство управления (УУ) – часть процессора, обеспечивающая управление процессом обработки данных.

УУ выбирает команды из основной памяти, интерпретирует тип команды и запускает нужную схему АЛУ.

Запоминающие устройства процессора – устройства, обеспечивающие хранение данных.

Основная память ЭВМ включает оперативную и постоянную память.

Оперативная память – устройство, обеспечивающее временное хранение команд и данных в процессе выполнения программы.

Постоянная память – устройство, обеспечивающее постоянное хранение и возможность считывания критически важной для функционирования ЭВМ информации.

Основная память и запоминающие устройства процессора относятся к внутренним запоминающим устройствам. Они непосредственно взаимодействуют с процессором, имеют высокое быстродействие и относительно небольшую емкость.

Все остальные устройства ЭВМ относятся к периферийной части и называются внешними или периферийными. Внешние устройства делятся на устройства ввода-вывода и внешние запоминающие устройства.

Устройства ввода-вывода обеспечивают ввод исходных данных и вывод результатов из центральных устройств ЭВМ.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) имеют большую емкость и относительно низкое быстродействие. К ним относятся накопители на магнитных дисках (НМЛ), накопители на магнитной ленте (НМЛ), накопители на оптических дисках (ПОД), накопители на основе флэш-памяти.

В одной ЭВМ может использоваться от единиц до нескольких сотен внешних устройств. Состав этих устройств, как правило, переменный и определяется составом решаемых на конкретной ЭВМ задач. Поэтому принято говорить о конфигурации ЭВМ, понимая под этим термином конкретный состав ее устройств с учетом их характеристик.

Принято, что передача информации из периферийных устройств в ядро ПК называется операцией ввода. Передача информации из ядра ПК в периферийные устройства называется операцией вывода.

Иногда периферийные устройства делят на системные периферийные устройства, без которых компьютер не может полноценно функционировать, и дополнительные. К системным периферийным устройствам относятся клавиатура, монитор, накопитель на жестком магнитном диске, принтер. К дополнительным – разнообразные устройства для ввода и вывода информации, устройства для связи с внешней средой, для обработки мультимедийной информации.

В структуре высокопроизводительных ЭВМ имеются каналы ввода-вывода – совокупность устройств, обеспечивающих обмен данными между центральным процессором, оперативной памятью и устройствами ввода-вывода.

Каналы могут работать параллельно с центральным процессором. Их основное назначение – снять с центрального процессора часть функций по управлению обменом данными с внешними устройствами.

Эффективность использования ЭВМ определяется не только составом и характеристиками ее устройств, но и способом организации их совместной работы. Соединение компонентов ЭВМ осуществляется с помощью интерфейсов – совокупности стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информации между устройствами. В основе построения интерфейсов лежит использование единых способов кодирования данных, стандартизации соединительных элементов. Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу информации между устройствами независимо от их особенностей.

Для разных классов ЭВМ применяются различные структуры. В высокопроизводительных ЭВМ обычно используется иерархическая структура с несколькими уровнями интерфейсов и каналами ввода-вывода. В ПК чаще всего используется структура с системной магистралью, называемой системной шиной, которая представляет собой систему функционально объединенных проводов, обеспечивающих передачу данных, адресов данных и управляющих сигналов (рис. 4.2).

Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи данных, называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет количество двоичных разрядов, передаваемых по шине одновременно. Количество проводов для передачи адресов определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован.

Аппаратная платформа – совокупность технических средств, определяющих среду функционирования конкретных программ. Основой аппаратной платформы является совокупность системной (материнской) платы и тип используемого процессора.

Рис. 4.2. Шинная структура ПК:

ЦП – центральный процессор; ОЗУ – оперативная память; ПЗУ – постоянная память; Контроллер – устройство управления периферийным устройством