1.4. Принцип действия эвм

Чтобы лучше понять принцип действия ЭВМ, вспомним, как проводятся вычисления с помощью простейшей настольной счетной машины (калькулятора).

Предварительно на листе бумаги выписываются исходные данные, формулы расчета и вычерчивается таблица для занесения промежуточных и конечных результатов. В процессе вычислений с листа бумаги переносятся на регистр счетной машины числа, участвующие в очередной операции, в соответствии с расчетной формулой включается нужная операция, и полученный результат переписывается с регистра счетной машины в таблицу на листе бумаги.

Таким образом, в этом процессе счетная машина выполняет арифметические операции над числами, которые человек в нее вводит. Лист бумаги служит запоминающим устройством, хранящим программу вычислений (расчетные формулы), исходные данные, промежуточные и конечные результаты. Человек управляет процессом вычислений, в том числе переносит информацию с листа бумаги в машину и обратно, заставляет машину выполнять необходимую операцию, а также выбирает нужный вариант продолжения процесса вычислений в соответствии с результатом, полученным на данном этапе счета.

В рассматриваемом процессе практически ничего не меняет переход от механической счетной машины к использованию электронного арифметического устройства, способного с огромной скоростью производить арифметические операции. Человек будет по-прежнему слишком медленно вводить числа в арифметическое устройство, включать нужную операцию, считывать и переносить на бумагу результат операции.

Эффект, и притом принципиальный, будет достигнут, если к электронному быстродействующему арифметическому устройству добавить быстродействующую память, которая, как лист бумаги при расчете, хранит программу вычислений, исходные данные, промежуточные и конечные результаты, а также быстродействующее управляющее устройство, производящее необходимый для реализации программы вычислений обмен числами между памятью и арифметическим устройством и включающее последнее на выполнение нужной операции.

Если еще позаботиться том, чтобы комплекс нашей аппаратуры имел средства для связи с внешним миром, т.е. устройство для ввода в память данных и программы вычислений, а также устройство вывода результатов вычислений, то придем к классической структурной схеме ЭВМ, изображенной на рис.1.1.

ЭВМ содержит следующие основные устройства:

• арифметическо-логическое устройство,

• память,

• устройство управления,

• устройства ввода данных в машину и вывода из нее результатов расчета,

• пульт ручного управления.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т.е. кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.

Память хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую машину извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса. Память машины в большинстве случаев состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующей основной или оперативной (внутренней) памяти (ОП) и сравнительно медленно действующей, но способной хранить значительно больший объем информации внешней памяти (ВП).

Оперативная память содержит некоторое число ячеек, каждая из которых служит для хранения машинного слова. Ячейки нумеруются, номер ячейки называется адресом.

В запоминающих устройствах, реализующих в ЭВМ функцию памяти, выполняются операции считывания хранимой информации для передачи в другие устройства и записи информации, поступающей из других устройств. При считывании слова из ячейки содержимое последней не меняется и при необходимости слово может быть снова взято из той же ячейки. При записи хранившееся в ячейке слово стирается и его место занимает новое.

Непосредственно в вычислительном процессе участвует только ОП, и лишь после окончания отдельных этапов вычислений из ВП в ОП передается информация, необходимая для следующего этапа решения задачи.

Управляющее устройство (УУ) автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие им те или иные действия. В частности, УУ указывает ОП, какие слова должны быть переданы в АЛУ и в другие устройства, включает АЛУ на выполнение нужной операции и помещает полученный результат в ОП.

Алгоритмом решения задачи численным методом называют последовательность арифметических и логических операций, которые надо произвести над исходными данными и промежуточными результатами для получения решения задачи. Поэтому алгоритм можно задать указанием, какие следует произвести операции, в каком порядке и над какими словами. Описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ, называется программой.