2.1. Структура аппаратных средств

Любая ЭВМ предназначена для выполнения некоторого множества задач по переработке информации. Сущность подобной задачи состоит в том, что имеется некоторая исходная информация, на основе которой требуется получить другую – результирующую информацию. Как следует из предыдущего раздела, любая информация содержится в ЭВМ в виде битовой строки.

Каждая задача, решаемая ЭВМ, имеет алгоритм решения. Алгоритм – правило, определяющее последовательность действий над исходными данными, приводящую к получению искомых результатов. Форма представления алгоритма решения задачи, ориентированная на машинную реализацию, называется машинной программой. Совокупность аппаратных средств вычислительной системы (ВС), предназначенных для выполнения машинных программ, часто называют просто аппаратурой. В процессе любого программирования программист обязательно имеет в своей голове модель той аппаратуры, которая будут использоваться для выполнения программы. Программирование на ассемблере предъявляет особые требования к данной модели, так как в программе приходится учитывать многие особенности используемой аппаратуры. Перейдем к рассмотрению укрупненной структуры аппаратуры ЭВМ, которая будет достаточна для нас на протяжении не только данного раздела, но и всего пособия.

На рис. 4 приведена структура аппаратных средств однопроцессорной ЭВМ с общей шиной. В данной структуре центральным связывающим звеном между основными блоками является  общая шина (ОШ). При этом под термином шина понимается группа параллельных проводов. ОШ в общем случае есть объединение трех шин: 1) управления; 2) адреса; 3) данных. Рассмотрим кратко назначение других аппаратных блоков.

Рис. 4. Однопроцессорная ЭВМ с общей шиной

Главным аппаратным блоком любой ЭВМ является центральный процессор (ЦП). Это – «мозг» ЭВМ, который непосредственно выполняет все программы, как системные, так и прикладные. Любая программапредставляет собой последовательность машинных команд, каждая из которых требует для своего размещения один, два или большее число байтов. На рис. 5 приведена структура наиболее типичной машинной команды. Здесь КОП – код операции. Это комбинация битов, кодирующая тип операции, которую следует выполнить над операндами (например суммирование). Операнд 1, операнд 2 – это или сами данные,  над которыми выполняется машинная команда, или адреса в памяти (ОП или регистры), где эти данные находятся.

Рис. 5. Структура машинной команды

Термин «однопроцессорная ЭВМ» означает, что в рассматриваемой ЭВМ используется единственный центральный процессор. Кроме него практически любая ЭВМ имеет специализированные процессоры. Примером специализированного процессора является сопроцессор – процессор, расположенный на той же плате, что и ЦП, и имеющий такой же доступ к ОП. В отличие от ЦП сопроцессор предназначен для выполнения не всей прикладной программы, а лишь отдельных ее команд (чаще всего команд обработки данных с плавающей точкой). Каждая такая команда выполняется сопроцессором как отдельная программа, записанная на его специализированном машинном языке.

Оперативная память (ОП) предназначена для кратковременного хранения программ и обрабатываемых ими данных. Название обусловлено тем, что операции чтения содержимого ячеек памяти и записи в них нового содержимого производятся достаточно быстро. Иногда используют другое  название – операционная память. Это название обусловлено тем, что ЦП может достаточно просто считывать машинные команды из ОП и исполнять их. Логическая структура любой ОП представляет собой линейную последовательность ячеек, которые пронумерованы (рис. 6). В зависимости от ЭВМ ячейкой является или байт, или машинное слово. Номер ячейки называется физическим или реальным адресом этой ячейки. В простейших ЭВМ поле операнда в машинной команде содержит этот номер.

Периферийные устройства (ПУ) – устройства ввода-вывода, устройства внешней памяти, а также устройства сопряжения со средой передачи данных. Посредством устройств ввода-вывода ЭВМ «разговаривает» с человеком-пользователем. Сюда относятся: клавиатура, экран (дисплей), мышь, принтер и так далее.

Рис. 6.  Логическая структура ОП

Устройство внешней памяти предназначено для работы с носителем внешней памяти. Примером такого устройства является дисковод. Он работает с носителем внешней памяти – магнитным или оптическим диском. Внешняя память (ВП) имеет следующие отличия от ОП:

1) обмен информацией между ЦП и ВП выполняется во много раз медленнее, чем между ЦП и ОП;

2) ЦП не может выполнять команды, записанные в ВП. Для выполнения этих команд их необходимо предварительно переписать в ОП;

3) информация на носителе ВП сохраняется и после выключения питания.

В прошлом емкость носителей ВП многократно превосходила емкость ОП. В настоящее время это выполняется не для всех типов носителей.

Устройство сопряжения  со средой передачи данных используется для подсоединения ЭВМ к сети. Например, если в качестве среды передачи данных используется пара проводов, то в качестве устройства сопряжения может быть применен модем.

Интерфейсное устройство (ИУ) предназначено для того, чтобы согласовать стандартную для данной ЭВМ структуру ОШ с конкретным типом ПУ, которых существует очень много. Поясним смысл слова: интерфейс – граница между двумя взаимодействующими системами. В данном случае речь идет о взаимодействии ОШ (с одной стороны) и ПУ (с другой).

В дальнейшем будет сделано более подробное описание перечисленных аппаратных модулей ЭВМ. Естественно, что начать такое описание следует с центрального процессора, в качестве которого на протяжении первых трех частей данного пособия используется микропроцессор Intel 8086 (сокращенно – i8086). Несмотря на то, что этот процессор практически стал достоянием компьютерной истории, его машинный язык аппаратно поддерживается в последующих моделях фирмы INTEL. Собственные машинные языки (и языки-ассемблеры) этих моделей включают язык для i8086 в качестве своего подмножества, отличаясь от него большей сложностью, которая делает их менее пригодными для первоначального знакомства с предметом.