§ 7. Основополагающие принципы устройства ЭВМ

Определения и обозначения

Двоичное кодирование — представление чисел, команд и других данных последовательностями нулей и единиц. Например, привычное число в памяти записывается не как набор десятичных цифр, а как двоичный код. Такой способ позволяет электронным устройствам однозначно хранить и обрабатывать информацию.

Программное управление — принцип, по которому процессор выполняет команды программы, получая их из памяти. Обычно он переходит от одной команды к следующей, а специальная команда перехода может изменить этот порядок. Принцип нужен, чтобы компьютер мог выполнять заданный алгоритм, а не только отдельные действия.

Однородность памяти означает, что команды и данные хранятся в памяти в единой двоичной форме и для них могут использоваться одни и те же ячейки. Само содержимое не имеет отдельной отметки, говорящей, команда это или число. Благодаря этому память может использоваться гибко, а смысл кода определяется тем, как его обрабатывает процессор.

Адресность памяти — свойство, при котором каждая ячейка памяти имеет свой адрес. По адресу процессор находит место, откуда нужно получить команду или данные, либо куда следует записать результат. Это позволяет обращаться не ко всей памяти сразу, а к нужной ячейке.

Как это устроено

Двоичная система удобна для ЭВМ, потому что электронные схемы могут надёжно различать два состояния: например, сигнал есть или сигнала нет. Каждому из этих состояний условно соответствует один символ — 1 или 0. Если бы для хранения приходилось различать много уровней сигнала, небольшие помехи могли бы привести к ошибкам распознавания. Два чётко различимых состояния проще поддерживать в схемах, поэтому на их основе кодируют числа, команды и другие сведения.

Программа управляет работой компьютера через команды, записанные в памяти. Процессор считывает очередную команду, распознаёт её и выполняет указанное действие, а затем обращается к следующей. Такой порядок позволяет шаг за шагом реализовать алгоритм. Если команда указывает перейти по другому адресу, процессор меняет обычный ход выполнения: это нужно, например, для выбора действия в зависимости от условия или для повторения части программы.

Команды и данные можно хранить в одной памяти, потому что и те и другие представлены двоичными кодами. Памяти не требуется отдельный физический тип ячейки для числа и для команды: она сохраняет последовательность битов. Различие появляется при обработке — процессор может прочитать одни и те же по форме биты как инструкцию, а в другом случае как значение данных. Поэтому совместное хранение не означает, что процессор путает назначение содержимого.

Адресация помогает процессору работать с памятью точечно. Адрес указывает, в какой именно ячейке находится нужная команда или данные, поэтому процессор может запросить её содержимое, не перебирая все ячейки. По адресу также можно определить место, куда записать новое значение. Обращение к ячейкам памяти необходимо и для чтения команд программы, и для получения данных, с которыми эти команды работают.

В реальной работе принципы действуют вместе. Программа и данные представлены двоичными кодами и размещены в ячейках, у каждой из которых есть адрес. Процессор по адресу получает команду, интерпретирует её и выполняет; если нужно, он обращается к другим адресам за данными или меняет порядок выполнения. Так двоичная форма обеспечивает хранение, адресность — доступ, а программное управление — выполнение заданной последовательности действий.

Основополагающие принципы устройства ЭВМ

Сначала соотнеси название принципа с тем, что он объясняет: кодирование, управление программой или устройство памяти. Затем посмотри на последний столбец — в нём показано, как принцип проявляется при работе компьютера. Особенно полезно различать адрес ячейки и её содержимое: это разные характеристики.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему в ЭВМ числа и команды представляются кодами из нулей и единиц. Нужно связать способ записи информации с устройством электронных схем, а не с тем, как человек привык записывать числа. Проследим рассуждение по шагам.

1. Электронное устройство может иметь два устойчивых состояния, которые можно надёжно различить.
2. Эти состояния обозначают символами 0 и 1, поэтому последовательность таких символов удобно использовать для записи информации.
3. Числа и команды кодируют двоичными последовательностями, которые схемы могут хранить и обрабатывать.

Ответ. ЭВМ использует двоичные коды, потому что электронным устройствам надёжно различать два состояния проще, чем множество состояний. Нулями и единицами записывают и числа, и команды, хотя процессор использует их по-разному. Значит, двоичная форма связана с надёжной работой аппаратуры.

Задача 2. Команды программы расположены в памяти по порядку. Опишите, как процессор определяет, какую команду выполнить следующей. Нужно учесть обычный ход программы и возможное изменение этого хода специальной командой. Разберём ситуацию последовательно.

1. Процессор обращается к памяти и считывает команду, которую должен выполнить сейчас.
2. После выполнения обычной команды он переходит к следующей по порядку.
3. Если команда задаёт переход, процессор продолжает выполнение с указанного адреса, а не с ближайшей команды.

Ответ. Обычно следующей выполняется команда, расположенная за только что выполненной. Однако команда перехода указывает другое место программы и меняет порядок. Поэтому процессор определяет следующую команду по ходу выполнения, а не только по её расположению в памяти.

Задача 3. В одной области памяти хранятся команда и число. Объясните, как процессор обращается к каждому из них и почему совместное хранение не мешает работе. Здесь важно отдельно рассмотреть место хранения и смысл содержимого. Для этого применим сразу два принципа памяти.

1. У ячейки, где записана команда, и у ячейки с числом есть адреса; процессор обращается к нужному адресу.
2. В обеих ячейках содержимое записано двоичным кодом, потому что память хранит команды и данные в общей форме.
3. Когда процессор считывает код команды, он интерпретирует его как инструкцию; при работе с числом использует код как данные.

Ответ. По адресу процессор находит нужную ячейку, а однородность памяти позволяет хранить в ячейках и команды, и числа. Совместное хранение не нарушает работу, потому что назначение кода определяется тем, как процессор его обрабатывает. Адрес указывает место, но не сообщает, что именно хранится в ячейке.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что компьютер непосредственно хранит числа в привычной десятичной записи. Так думают, потому что человек обычно пользуется десятичной системой и переносит этот способ на устройство ЭВМ. Проверь себя: если речь идёт о содержимом памяти, вспомни, что оно представлено двоичным кодом, даже когда число на экране показано десятичными цифрами.

Ошибка — полагать, что процессор всегда выполняет команды строго по порядку. Такой вывод кажется естественным, если представить программу как простой список инструкций. Но команда перехода может изменить дальнейший адрес выполнения. Проверь рассуждение: выясни, есть ли в ситуации переход, и только тогда заключай, какая команда будет следующей.

Ошибка — утверждать, что команды и данные обязательно находятся в разных видах памяти. Их иногда мысленно разделяют, потому что они выполняют разные роли. Однако двоичная форма у них общая, и они могут храниться в одних и тех же ячейках. Проверь себя: различай способ хранения и то, как процессор интерпретирует код.

Ошибка — путать адрес ячейки с её содержимым. Адрес кажется частью записанных данных, потому что он тоже обозначается числами, но он указывает место, а не значение в ячейке. Проверь ответ вопросами: «Где находится нужная запись?» — это об адресе; «Что записано?» — это о содержимом.

Связь с другими темами

Для понимания этих принципов нужно знать, как информация кодируется в двоичной системе счисления и что такое память компьютера. Без этого трудно представить, почему разные сведения имеют форму последовательностей нулей и единиц и как они размещаются в ячейках. Полезно также различать запись числа для человека и его внутренний код в ЭВМ.

Эти принципы пригодятся при изучении устройства процессора и выполнения программ. Они помогают понять, как процессор получает команды, обрабатывает данные и меняет ход работы при переходе. Кроме того, на них опираются темы об организации памяти и архитектуре компьютера: адресация объясняет доступ к ячейкам, а однородность — совместное хранение разных видов информации.

Что запомнить

• В ЭВМ информация представляется двоичными кодами.
• Работой компьютера управляет программа.
• Процессор обычно выполняет команды последовательно.
• Команды перехода могут изменить порядок выполнения программы.
• Команды и данные могут храниться в общей памяти.
• Обратиться к ячейке памяти можно по её адресу.