Введение в электронику

Компьютеры классифицируются по назначению. Основное их назначение — обработка данных. В промышленности, бизнесе и других областях компьютеры используют для хранения данных, бухгалтерского учета, складского учета и для других самых различных функций.

Компьютеры могут быть общего и специального назначения. Компьютеры общего назначения очень гибкие и могут быть запрограммированы для решения любых задач.

Компьютеры специального назначения рассчитаны на выполнение определенной задачи.

Все цифровые компьютеры состоят из пяти основных блоков: блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти, ввода и вывода (рис. 36-1).

Рис. 36-1. Основные блоки компьютера.

В некоторых случаях блоки ввода и вывода объединены в один блок, называемый блоком ввода-вывода. Так как блок управления и арифметико-логический блок тесно связаны между собой и их трудно отделить друг от друга, их вместе можно назвать центральным процессором (CPU) или микропроцессорным блоком.

Блок управления дешифрует каждую команду, поступающую в компьютер. После этого он выдает импульсы, необходимые для выполнения указанных функций. Если, например, команда требует сложить два числа, блок управления посылает импульсы в арифметико-логическое устройство (АЛУ) для выполнения сложения. Если команда требует запомнить слово в памяти, блок управления посылает необходимые импульсы в память для того, чтобы сохранить данные.

Современные компьютеры обладают способностью объединять несколько команд в одну. Это осуществляется с помощью программы, хранящейся в памяти. Когда команда дешифрована блоком управления, эта программа выдает последовательность инструкций для ее выполнения.

Блоки управления различных компьютеров отличаются друг от друга. В основном, блок управления состоит из индексного регистра, регистра команд, дешифратора команд, счетчика команд, генератора тактовых импульсов и схемы формирования импульсов управления (рис. 36-2).

Рис. 36-2. Блок управления компьютера.

Регистр команд запоминает командное слово, которое должно быть дешифровано. Это слово дешифруется дешифратором команд, посылающим соответствующий логический сигнал в генератор импульсов управления. Генератор импульсов управления выдает импульс при поступлении соответствующего тактового импульса. Выходной импульс генератора импульсов управления позволяет другой цепи в компьютере выполнить заданную команду.

Счетчик команд отслеживает последовательность команд, которые должны быть выполнены. Команды хранятся в программе, хранящейся в памяти. Для того чтобы программа начала выполняться, в счетчик команд помещается начальный адрес программы (определенное место в памяти).

Первая команда вызывается из памяти, дешифруется и выполняется. После этого счетчик команд автоматически перемещается к адресу следующей команды. Каждый раз, когда команда вызывается и выполняется, счетчик команд продвигается на один шаг до тех пор, пока программа не будет завершена.

Некоторые команды задают переход в другое место программы. Регистр команд содержит адрес расположения следующей команды, и он загружается в индексный регистр.

АЛУ выполняет операции, связанные с математической логикой и принятием решений. Большинство арифметико-логических устройств могут делать сложение и вычитание.

Умножение и деление программируются в блоке управления. Арифметико-логическое устройство может выполнять логические операции, такие как инверсия, И, ИЛИ и исключающее ИЛИ. Оно может также принимать решения путем сравнения заданных чисел с 0, 1 или отрицательными числами.

На рис. 36-3 изображена блок-схема арифметико-логического устройства. Оно состоит из арифметико-логической цепи и накапливающего регистра.

Рис. 36-3. Арифметико-логическое устройство (АЛУ).

Все данные в арифметико-логическую цепь и накапливающий регистр посылаются через регистр данных. Содержимое накапливающего регистра может быть увеличено на 1, уменьшено на 1, сдвинуто вправо на одну позицию или влево на одну позицию. Накапливающий регистр имеет такой же размер, как и слово памяти; в 8-разрядном микропроцессоре слово памяти и накапливающий регистр имеют размер 8 бит.

Арифметико-логическая цепь является, главным образом, двоичным сумматором. Двоичный сумматор может производить сложение, вычитание и логические операции.

Для сложения двух двоичных чисел, одно число запоминается в накапливающем регистре, а другое запоминается в регистре данных. После сложения сумма двух чисел размещается в накапливающем регистре, заменяя исходное двоичное число.

Память — это место, где хранятся программы. Программы содержат команды, указывающие компьютеру, что надо делать. Программа — это последовательный набор команд для решения определенной задачи.

Память компьютера — это просто некоторое количество регистров хранения. Данные могут быть загружены в регистры и могут быть выгружены оттуда или «считаны» для выполнения каких-либо операций, сохраняющих содержимое регистров. Каждому регистру или ячейке памяти сопоставлено число, называемое адресом. Адрес используется для определения места данных в памяти.

На рис. 36-4 изображено типичное распределение памяти.

Рис. 36-4. Распределение памяти в компьютере.

Регистры памяти сохраняют двоичные данные. Эта память, обычно называемая памятью с произвольным доступом (RAM), основана на способности ячеек памяти хранить (записывать) или находить (читать) данные, или памятью только для чтения (ROM), способной только считывать данные из памяти.

Регистр адреса ячейки памяти обеспечивает доступ к определенным ячейкам памяти с помощью дешифратора адреса ячейки памяти. Размер регистра адреса ячейки памяти определяется максимальной емкостью памяти компьютера. Например, 16-разрядный регистр адреса ячейки памяти позволяет адресовать 2¹⁶ или 65 536 ячеек памяти.

Слово, которое необходимо сохранить в памяти, помещается сначала в регистр данных, а после этого в нужную ячейку памяти. Для того, чтобы прочесть данные из памяти, определяется адрес ячейки памяти, и данные из ячейки памяти загружаются в сдвиговый регистр.

Блоки ввода и вывода компьютера позволяют принимать и передавать информацию, то есть обмениваться информацией с окружающим компьютер миром. Оператор или периферийное оборудование вводят данные в компьютер через блок ввода. Данные из компьютера поступают на внешнее периферийное оборудование через блок вывода.

Блоки ввода и вывода управляются центральным процессором. Для передачи данных в компьютер и из компьютера используются специальные команды ввода/вывода (I/O).

Большинство компьютеров могут выполнять команды ввода/вывода по запросу прерываний. Прерывание — это сигнал от внешнего устройства, запрашивающий вид обслуживания: передача или прием данных. Прерывание приводит к прекращению работы компьютера над текущей программой, и переходу к работе над другой программой. Когда работа по запросу прерывания завершается, компьютер возвращается к работе над прерванной программой.