Схема построения ЭВМ приведена на рис. 5. Чтобы программу и исходные данные можно было ввести в машину, выполнить необходимые вычисления и вывести полученные результаты, любая ЭВМ должна иметь следующие узлы (рис. 5):
- устройства ввода-вывода — с их помощью осуществляется связь человека с вычислительной машиной. ЭВМ необходимо получить информацию, содержащую как числовые, так и командные данные (программу). Для решения задачи на ЭВМ нужно задать последовательность выполняемых операций (программу) и числовые данные, которые следует отработать. Вся эта информация представляется в форме электрических сигналов. Следовательно, устройства ввода-вывода выполняют функцию преобразующих устройств: при вводе информации происходит преобразование той или иной формы ее хранения в электрические сигналы, а при выводе — наоборот;
- запоминающее устройство (ЗУ) служит для хранения исходных данных задачи, программы ее решения, а также различных констант, которые могут потребоваться для решения задачи;
- арифметическое устройство (арифметико-логическое устройство) служит для выполнения арифметических и логических операций над числами. Исходные числа принимаются из запоминающего устройства, на основе которых арифметическое устройство вырабатывает промежуточные и окончательные результаты, которые снова посылаются в запоминающее устройство;
- устройство управления обеспечивает последовательное выполнение операций по программе, координируя работу всех устройств вычислительной машины.
Последние три устройства являются основными устройствами ЭВМ, позволяющими организовать автоматический вычислительный процесс.
Рис. 5. Архитектура и принцип работы ЭВМ
Работа вычислительной машины заключается в последовательном выполнении операций, предусмотренных программой. Вся необходимая информация (программа вычислений, исходные данные и т. д.) вводится в машину с физического носителя, с помощью устройства ввода, которое преобразует вводимую информацию в электрические сигналы. Таким образом, закодированная информация фиксируется в запоминающем устройстве, ЭВМ переходит к выполнению программы.
Программа — это перечень команд, которые вычислительная машина последовательно выполняет до получения конечного результата. Из запоминающего устройства выбирается очередная команда, содержащая номер выполняемой операции (код операции) и адрес числа, над которым необходимо произвести данную операцию. Эта команда поступает в устройство управления, где разделяется на две части: код операции, поступающей в арифметическое устройство, и адрес — в запоминающее устройство Арифметическое устройство выполняет операции согласно поступившему в него коду.
Запоминающее устройство по данному адресу выдает в арифметическое устройство исходное число; арифметическое устройство выполняет требуемую операцию и выдает сигнал в устройство управления для определения адреса следующей команды. Затем в устройство управления поступает следующая команда и процесс повторяется. Результаты вычислений, накопленные в запоминающем устройстве, после окончания расчета поступают на устройство вывода (печать, запись на магнитный диск или ленту, вывод на экран дисплея или графопостроитель).
Иерархическая структура памяти связана с противоречивостью требований к ЗУ — большая емкость и высокое быстродействие. Оба эти требования не могут быть удовлетворены в равной мере одним устройством, так как увеличение емкости приводит к усложнению ЗУ и снижению быстродействия. Поэтому, начиная с ЭВМ второго поколения, организована иерархия памяти, т.е. создано несколько запоминающих устройств, каждое из которых отвечает в наибольшей степени одному из требований. В общем случае производится выделение сверхоперативной памяти, оперативной, или главной памяти, и внешней памяти.
Сверхоперативная память (общего назначения) строится на регистрах и по логике своей работы относится к обрабатывающему (арифметическому) устройству ЭВМ. Эта память в ряде случаев позволяет сокращать время обмена информацией с оперативной памятью.
Оперативная память ЭВМ участвует в основном (оперативном) вычислительном процессе совместно с обрабатывающим устройством и строится на магнитных ферритовых сердечниках и интегральных схемах.
Внешняя память организована на магнитных носителях — барабанах, лентах, а в более поздних моделях второго поколения — на дисках. Все устройства внешней (по отношению к ЭВМ) памяти подключаются к ЭВМ аналогично устройствам ввода-вывода (УВВ).
Система прерывания программ — логическое продолжение децентрализации устройства управления ЭВМ. Поскольку работа УВВ не зависит от работы процессора, в случае поступления данных, когда процессор занят выполнением другой программы, он переключается на прием и обработку более срочной информации.
Наличие каналов ввода-вывода и системы прерывания потребовало организации в ЭВМ специального набора программ, управляющих работой ЭВМ (так называемой операционной системы, ядро которой составляла специальная программа — супервизор). Важным элементом операционной системы ЭВМ при работе в сопряжении с прибором или установкой являются подпрограммы драйверы, осуществляющие обмен информации между внешними устройствами и вычислительной машиной программным путем.
Аппаратная часть сопряжения выполняется с помощью интерфейса.
Драйверы внешних устройств — это специальным образом оформленные программы операционной системы, которые обеспечивают доступ ко всем периферийным и внешним устройствам со стороны системных и прикладных (пользовательских) программ. Драйверы позволяют разрабатывать программное обеспечение, не зависящее от внешних устройств. Если пользователю необходимо работать с дополнительными устройствами, не являющимися стандартными, он может составить подпрограмму драйвер для этого устройства.
Интерфейс — стандартное сопряжение блоков, определяющее число сопрягаемых линий, назначение каждой линии, содержание информации, передаваемой по каждой линии, и направление передачи, кодировку информации, временные и амплитудные характеристики сигналов по каждой линии. Наибольшее распространение в последнее время получили так называемые магистральные интерфейсы, в которых информация передается от одного устройства (модуля) к другому по многопроводной магистрали — шине, соединяющей все устройства.
Принципиально новыми видами устройств в современных вычислительных машинах стали терминалы — абонентские пункты, подключаемые к мультиплексным или селекторным каналам как обычные внешние устройства. Терминал — это дисплей (включает в себя клавиатуру — устройство ввода и алфавитно-цифровой видеомонитор — устройство вывода и отображения видимой информации) и устройство быстрой печати. Терминал обеспечивает обмен информацией с другими удаленными абонентскими пунктами и с центральным вычислительным центром.
Скорость обмена информацией для системы дисплей — ЭВМ равна 1500 бит/с (1 байт = 8 бит), при этом обеспечивается контроль передаваемых данных путем подсчета контрольных сумм при вводе и выводе с автоматическим запросом повторения в случае их несовпадения.
В отличие от обычных внешних устройств терминал интерпретируется операционной системой как пульт управления вычислительной машиной. Появление удаленных терминалов в составе вычислительной машины поставило вопрос о поиске новой организации работы ЭВМ, так как пользователи оказались удаленными не только друг от друга, но и от ЭВМ. Прежние методы планирования машинного времени устарели, понадобилось возложить функцию планирования работы машины непосредственно на ЭВМ.
Новый режим получил название режима разделения времени. Работа ЭВМ в режиме разделения времени во многом похожа на работу мультипрограммной вычислительной машины, но ее отличительной особенностью является наличие в канале связи оконечного устройства — терминала, с помощью которого пользователь получает возможность обращения к ЭВМ. Координационная работа всех терминалов осуществляется программой — супервизором, регулирующей поступление запросов от многих пользователей (абонентов).
Помимо выполнения расчетов, такая система позволяет пользователю работать в диалоговом режиме с ЭВМ, который удобен для решения задач по определенной программе с различными данными и задач, программа которых в момент начала решения известна не полностью: решение развивается последовательно по мере уточнения исходных и промежуточных данных. Режим диалога используется для исследовательских разработок, автоматизации проектирования, управления технологическими процессами, решения сложных логических задач.