Работа ЭВМ при автоматическом выполнении команд программы

ВВЕДЕНИЕ

За последнее десятилетие  компьютер стал не только помощником, но незаменимым инструментом практически  в любой области человеческой деятельности. Компьютер позволяет  в считанные доли секунды точно  и красиво выполнять операции, требовавшие от человека многих часов  напряженной и кропотливой работы, открывает новые перспективы  для творчества, дает возможность  объяснять то, что прежде считалось  необъяснимым. Развитие глобальных компьютерных сетей позволяет быстро и качественно  обмениваться информацией, даже если людей  разделяет многие тысячи километров. Этим подтверждается актуальность выбранной  темы.

Компьютер вошел в обиход многих людей, но для того чтобы в  полной мере использовать богатейшие его возможности, мало освоить тот  или иной пакет прикладных программ. Чем лучше человек знает устройство и принципы работы ЭВМ, тем больше может дать ему компьютер. Для  того, кто умеет программировать, открываются просто необозримые  горизонты. Для того чтобы получить представление об общих принципах  работы электронно-вычислительных машин, необходимо познакомиться не только с общей схемой компьютера, составом устройств, их назначением, арифметическими  и логическими основами ЭВМ, но, прежде всего, понять последовательность этапов решения задач, требующих использования  компьютера.

В последовательности этапов и в их содержании заключается  то важное, что позволит решать не только учебные задачи, но и сложные практические, с которыми сталкиваются специалисты  в любой сфере профессиональной деятельности человека.

Цель данного реферата состоит в том, чтобы рассмотреть  работу ЭВМ при автоматическом выполнении команд программы.

В связи с поставленной целью, необходимо решить следующие  задачи:

- Рассмотреть основные  принципы работы ПК;

- Определить состав основных  устройств ЭВМ и их назначение;

Обобщая данные о разработке проблемы автоматического исполнения программ в ЭВМ, приходиться признать, что многие вопросы требуют дальнейшего  исследования. 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ  РАБОТЫ ПК

Электронная вычислительная машина является универсальным средством  автоматической обработки информации, представленной в дискретной (цифровой) форме. Обычно для такого представления  используются многоразрядные двоичные коды. Любая информация в ЭВМ хранится, передается и обрабатывается машинными  словами, содержащими определенное число двоичных разрядов.

Для понимания принципов  построения и работы ЭВМ необходимо понять и усвоить последовательность решения задач. В общем случае эта последовательность складывается из следующих этапов:

1) постановка задачи и разработка ее математической модели в виде формульных зависимостей;

2) выбор метода численного решения (если необходимо);

3) разработка алгоритма решения задачи, т.е. определение последовательности элементарных действий, приводящих к искомому результату;

4) написание программы на одном из языков программирования;

5)реализация вычислительного процесса с помощью компьютера.

Если первые четыре этапа  всегда реализуются человеком, то выполнение последнего этапа зависит от компьютера-исполнителя  программы. Для создания эффективной  и рациональной программы разработчик  должен не только знать язык программирования, но и представлять себе, как осуществляется вычислительный процесс в недрах компьютера.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон  Нейманом: принцип программного управления, принцип однородности памяти и принцип адресности.

Из данного принципа следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором  автоматически друг за другом в определенной последовательности. Программа указывает ЭВМ то, какие операции ей необходимо выполнить, над какими данными и в какой последовательности. Программа, состоящая из отдельных команд, заранее составляется и вместе с исходными данными вводится в память ЭВМ.

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.

Принцип однородности памяти

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому  компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текс 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.

Принцип адресности

Структурно основная память состоит из перенумерованных 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. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться  принцип программного управления, т.е. они могут работать без «счетчика  команд», указывающего текущую выполняемую  команду программы. Для обращения  к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно  давать ей имя. Такие компьютеры называются нефон-неймановскими.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. РАБОТА УСТРОЙСТВ  ЭВМ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ ВЫПОЛНЕНИИ  КОМАНД ПРОГРАММЫ

Для автоматического выполнения последовательности команд (программы) в состав центрального процессора входят два основных устройства:

1. Арифметико-логическое устройство;

2. Устройство управления.

Совокупность устройства управления и арифметико-логическое устройство называют процессором ЭВМ, поскольку именно эти устройства реализуют вычислительный процесс  в соответствии с заданной программой. Процессор занимает центральное  место в структуре ЭВМ, так  как осуществляет автоматическое управление взаимодействием всех устройств, входящих в состав ЭВМ.

Арифметико-логическое устройство предназначено для приема из оперативной  памяти кодов операндов, т.е. данных, участвующих в выполнении операции, и для выполнения над ними операций в соответствии с кодами операций команд. Операндами могут быть исходные данные задачи, промежуточные результаты, а в некоторых случаях –  коды других команд.

В арифметико-логическом устройстве производятся арифметические и логические действия. Часто это устройство называют операционным блоком. Когда впервые  появилась идея создания аналитической  вычислительной машины (Бэббидж, 1823 г.), то прототип этого устройства был  известен под названием «мельница  для производства арифметических операций».

Следует отметить, что арифметико-логическое устройство выполняет только одно арифметическое действие – сложение. Это обусловлено  физическими принципами работы ЭВМ. Все же остальные действия (вычитание, умножение, деление, возведение в степень) реализуются как совокупность операций сложения. Операции сложения кодов  выполняет основной узел арифметико-логического  устройства – сумматор. Наряду с  сумматором в состав устройства входят также различные регистры, обеспечивающие временное хранение информации, подлежащей обработке в арифметико-логическом устройстве на данном этапе вычисления. Регистры являются наиболее быстродействующим устройством памяти машины.

Логические действия ЭВМ  аналогичны логическим действиям человека. Например, Вы идете по улице и  Вам надо перейти перекресток, регулируемый светофором. Каковы Ваши действия? 

Если горит красный  свет, Вы стоите, если желтый, Вы стоите, а если зеленый свет, Вы переходите улицу. Можно эти действия выразить более формально. Есть три показателя А, В, С. Каждый показатель имеет два  уровня: ДА и НЕТ. Вы перейдете улицу, если показатель С имеет уровень  Да, а показатели А, В – уровень  НЕТ, и т.д. В результате такого анализа  можно составить логическую схему.

Любую сложную логическую задачу можно разложить на более  простые логические задачи, где достаточно анализировать только два уровня: ДА и НЕТ. Это аналогично тому, как  любое арифметическое действие можно  заменить операцией сложения. [4]

Таким образом, арифметико-логическое устройство предназначено для приема из оперативной памяти кодов операндов  и для выполнения над ними операций в соответствии с кодами операций команд.

Устройство управления

Устройство управления электронной  вычислительной машины предназначено  для управления автоматическим исполнением  программы всеми устройствами машины. Под этим подразумевается автоматическая работа устройства ввода при вводе  программы и исходных чисел, автоматический выбор и исполнение команд, вывод  результатов.

Устройство управления позволяет  управлять всем ходом вычислительного  и логического процесса в компьютере. Устройство управления условно можно  назвать «мозгом» компьютера, потому что оно анализирует каждую очередную  команду и посылает приказы всем остальным устройствам, выполнение которых приводит к исполнению команды. Однако возможности устройства управления еще очень далеки от мыслительных способностей, которыми обладает человек. Дело в том, что мозг человека не просто перерабатывает информацию, а на основе имеющихся у него знаний в различных областях вырабатывает решение. В настоящее время уже ведутся работы по созданию таких компьютеров, где бы использовались подобные возможности.

В существующих моделях компьютеров  устройство управления – это скорее всего «регулировщик движения», который в зависимости от той  или иной ситуации принимает решение, что делать дальше – остановить поток информации, обработать весь поток или его часть, куда этот поток информации направить, и т.д. Какой же основной принцип заложен  в устройство управления?

Как было сказано ранее, команда  предписывает ЭВМ выполнить определенные действия, а значит, управление работой  компьютера на самом деле производит программа, хранящаяся в памяти. А  что же делает тогда устройство управления? Устройство управления – это техническое  воплощение идеи, заложенной в программе. Функция устройства управления заключается  в том, чтобы прочесть очередную  команду, расшифровать ее и подключить необходимые цепи и устройства для  ее выполнения. Следует так организовать работу устройства управления, чтобы  считывание очередной команды из памяти происходило автоматически. Устройство управления для выполнения команды в компьютере организует повторение одного и того же цикла:

1) формирование адреса очередной команды, адрес первой команды формируется вне цикла специальным способом;

2) чтение очередной команды программы, хранящейся в памяти, и расшифровка ее содержания;

3)выполнение команды,  т.е. подключение необходимых  электрических цепей, схем, блоков.

Количество циклов определяется количеством команд в программе. Функция устройства управления обуславливается  содержанием программы, хранящейся в памяти. В связи с этим и  появился термин программное управление компьютером, означающий, что устройство управления работает в соответствии с той программой, которую разработал человек и поместил на хранение в  память компьютера.

Рассмотрим, из каких частей состоит команда и в чем  заключаются ее основные функции, которые  реализуют устройство управления. Во-первых, команда представляет собой код, состоящий из 1 и 0, и внешне ничем  не отличается от кода числа. Знает  о том, что это команда, а не число, только программист, разработавший  программу и заложивший в нее  правило формирования адреса очередной  команды. В соответствии с этим правилом работает блок формирования адреса команды.

Во-вторых, команда состоит  из двух частей: кода операции и кода адреса ячейки памяти, где хранится данное, над которым должна быть произведена эта операция. В некоторых  компьютерах в команде указывается  несколько адресов.

Устройство ЭВМ включает в свой состав центральное устройство управления, а также ряд блоков, управляющих работой отдельных  устройств, - ввода, вывода, запоминающего  и арифметического устройств. Эти  части центрального устройства управления называются местными устройствами управления. Надо сказать, что центральное и  местные устройства управления тесно  связаны между собой, так что  иногда местные устройства управления например запоминающего устройства, рассматривают как блоки центрального устройства управления.