Перечисление функциональных узлов ЭВМ (процессор, память, устройства ввода/вывода) и описание их назначения обычно не вызывает особых трудностей в преподавании. Соответствующая история их развития, восходящая к Чарльзу Бэббиджу и Джону фон Нейману, также подробно и интересно описана в литературе (см., например, известные книги [1,2]). Поэтому здесь, чтобы не утомлять читателей, мы не будем повторять широко известные детали.

Вместо этого обратимся к проблеме функциональных связей между отдельными узлами ЭВМ, которая освещается во многих книгах (особенно популярных или учебных) достаточно путано и противоречиво. Многие авторы предпочитают вообще не рисовать данную схему, ограничиваясь словесным описанием назначения блоков компьютера. Другие, опираясь на принцип наглядности, стараются ее изобразить в соответствии с излагаемым материалом и собственными представлениями об устройстве компьютера. К сожалению, отсутствие сложившегося стандарта изображения, разнообразие архитектур ЭВМ и их историческое развитие, а порой и нечеткие представления авторов о технической стороне дела, приводят к появлению самых разнообразных схем. Порой они получаются даже такими, что противоречат фактическому устройству компьютера и формируют неправильное представление о его работе. Иначе говоря, из некорректной схемы не всегда удается получить корректные практические выводы.

Преподаватели знают, что переучить значительно труднее, чем научить. Именно поэтому не стоит считать внимательное рассмотрение деталей соответствия учебных материалов действительности «мелочными придирками», особенно если речь идет о фундаментальных принципах.

Мне будет очень неприятно, если в данных материалах читатель увидит попытку критики отдельных книг или их авторов, а также стремление навязать кому-либо свою собственную точку зрения. Ни в коем случае! Я призываю читателей вместе рассмотреть существующие в книгах схемы, обдумать их и сопоставить с тем, как в действительности работает компьютер. Если надо, обратиться к цитированной литературе или к любой другой. И только потом сделать осознанные выводы, как лучше рассказывать.

Начать предлагаю с учебника методики преподавания информатики [3], призванного дать учителям ориентиры, как правильно излагать материал. В этом учебнике на рис. 9.1 приведена функциональная схема, которая воспроизведена на схеме 4 ¹.

Схема 4. Функциональная схема компьютера по книге [3]

Если сравнить между собой схемы 1 и 4, то между ними обнаружится следующее принципиальное различие: вместо процессора в центре последней находится память. Отметим, что аналогичная схема с памятью в центре встречаются и в некоторых других учебниках, например, в [4] (правда, без особых пояснений).

В связи с анализируемым сравнением приведем важную цитату из [3]

"Иногда структурную схему ЭВМ изображают иначе: информационные потоки, идущие от устройств ввода к устройствам вывода, связывают не с внутренней памятью, а с процессором. С точки зрения маршрута движения информации в компьютере, это справедливо. Действительно, все операции в компьютере, в том числе и ввод-вывод, производятся с участием регистров процессора. Схема на рис. 9.1 отражает скорее не маршруты, а цели (результаты) процессов информационного обмена в компьютере. Результатом ввода является запись данных в оперативную память. На устройства вывода выносится информация из оперативной памяти. Из рис. 9.1 ясно видно, что, например, нельзя вывести данные непосредственно во внешнюю память, минуя внутреннюю. Именно эти положения должны быть поняты учениками при изучении работы компьютера."

Таким образом, в учебнике признается, что схема 4 не совсем соответствует действительной логике работы компьютера, но зато удобнее с методической точки зрения, поскольку лучше отражает наши общетеоретические представления о ходе процессов информационного обмена в компьютере (проще говоря, как он по нашей логике должен работать!) Насколько такая стратегия подходит для обучения – судите сами.

Примечание. А действительно, куда попадают коды клавиатуры – в процессор или в ОЗУ? Вот фрагмент программы ОС, описывающий этот процесс:

Собственно считыванию данных соответствует выделенная в тексте команда ввода из порта клавиатуры с шестнадцатеричным адресом 60 в регистр микропроцессора AL. Но даже теперь полученный код не заносится в ОЗУ, а следует достаточно долгая процедура анализа состояния клавиш регистров (она начинается с INT 15). Только после большого количества машинных операций, в одном из регистров процессора формируется настоящий код символа, который, наконец, сохраняется в специальной области ОЗУ, называемой буфером клавиатуры ².

Кстати, хотелось бы обратить ваше внимание и на еще одно утверждение в приведенной выше цитате: «на устройства вывода выносится информация из оперативной памяти». Оно тоже отнюдь не бесспорно. Хотя бы потому, что процессор в состоянии выводить информацию из своих регистров в любое внешнее устройство. И вот пример для тех, кто любит практические аргументы. Запустите Турбо Паскаль и внимательно наберите следующие 8 строчек, которые представляют собой несложную программу на ассемблере ³.

begin ASM mov dl,'A' {начало алфавита}
      @1: mov ah,6   {функция N 6 ОС для}
          int 21h    { вывода символа из dl}
          inc dl     {dl+1: следующий символ}
          cmp dl,'Z' {сравнить с Z}
          jle @1     { и повторять пока <=}
      END
end.

Суть приведенной программы заключается в выводе на экран латинского алфавита, причем его символы циклически формируются в регистре DL, а вовсе не извлекаются из ОЗУ, как того обязательно требует схема 4.

Вообще преуменьшение роли процессора в работе ЭВМ неизбежно приводит к целому ряду сомнительных выводов. Например, в [3] на рис. 11.8, где изображена схема выполнения произвольного вычислительного алгоритма, показано, что числа с клавиатуры попадают в ОЗУ без участия процессора. Это слишком грубая абстракция, поскольку мы набираем с клавиатуры не числа, а символы, которые сначала по определенной программе преобразуются процессором в двоичное число, и только после полного завершения ввода итоговый результат записывается в ОЗУ. По моему мнению, понимание принципиального различия между последовательностью цифр и двоичным числом, которое можно складывать и вычитать, слишком важно, чтобы им пренебрегать ради методически красивых упрощений.

В подтверждение большей адекватности схемы 1 можно сослаться на литературу. Вот мнение весьма авторитетного программиста и автора множества книг по устройству компьютера IBM PC Питера Нортона (см. схему 5).

Схема 5. Функциональная схема компьютера по книге [6]

Сравните ее со схемой 1 и вы увидите, что по своей сути они хорошо согласуются. Интересно, что П. Нортон рядом с hardware изображает и software, подчеркивая тем самым роль программного обеспечения при обработке информации на компьютере.

А вот схема из другой книги. Ее автор – Р. Токхайм хорошо известен как специалист по цифровой микроэлектронике. С его точки зрения в центре компьютера также следует рисовать процессор (см. схему 6).

Схема 6. Функциональная схема компьютера по книге [7]

Ограничимся приведенной аргументацией и перейдем теперь к схеме 3. Ей «повезло» значительно больше: с легкой руки отца школьной информатики А.П. Ершова [8] она изображается более единообразно. Тем более удивительно было увидеть в недавней публикации газеты "Информатика" [9] на рис.1, с позволения сказать, модификацию общепринятой схемы. Из нее оказывается, что контроллеры вовсе не согласуют «свои» внешние устройства с шиной, как это всегда изображалось раньше, но используют общую магистраль для обмена информацией друг с другом! Если верить данной схеме, то, например, дисковод напрямую подключен к общей шине и использует ее для общения с собственным контроллером ⁴. Такая же самая схема приведена и в учебнике для 10 класса [10] (см. рис.3.2) ⁵. Конечно, «высокие» рассуждения о системах и их составе не чета простому изучению функциональной схемы ЭВМ, но искажать технические сведения все же не стоит даже в этом случае.

Учитывая нетипичность упомянутого выше описания схемы подсоединения контроллеров, не будем обсуждать его подробнее. Лучше рассмотрим вопрос о том, каково «слабое звено» архитектуры по схеме 3. Очевидно, что теперь это шина, поскольку она должна успевать пропускать все информационные потоки между узлами компьютера. Разумеется, хорошо бы сделать ее пропускную способность как можно выше, но всегда существуют те или иные ограничения. Выход заключается в том, чтобы сделать не одну, как на схеме 3, а несколько магистралей – пример приведен на схеме 7.

Схема 7. Функциональная схема компьютера с несколькими шинами (по книге [12])

Из схемы следует, что наиболее быстродействующая часть – оперативная память – имеет выделенную магистраль. Устройства ввода/вывода делятся на «быстрые» и «медленные», и каждая группа получает свою шину. При таком разделении информационная нагрузка распределяется между несколькими шинами и, следовательно, существенно уменьшается.

Заметим, что интерфейс на схеме 7 эквивалентен контроллеру на схеме 3. Что же касается режима прямого доступа к памяти, то подробностям обмена информацией будет посвящен самостоятельный выпуск стенда.

Следует понимать, что схема 7 не является единственно возможной. Например, в последнее время активно применяется выделенный канал для оперативного обмена информацией с видео ОЗУ. Типовая структура шин современного ПК приведено на схеме 8.

Схема 8. Функциональная схема современного компьютера (по книге [13])

Читатели вправе спросить, а действительно ли правильность функциональной схемы так важна? Для лучшего понимания разберем следующую задачу [14].

«Вы нажали клавишу "C" на клавиатуре. Практически в то же время изображение буквы "C" появилось на экране дисплея.
Перечислите устройства, которые были задействованы от момента нажатия клавиши до ее появления на дисплее.»

Авторы предлагают для нее следующий ответ.

«Краткий ответ.
Клавиатура ==> контроллер клавиатуры ==> системная магистраль ==> оперативная память ==> системная магистраль ==> центральный процессор ==> системная магистраль ==> видеоадаптер ==> дисплей.»

По-моему, недостаток этого ответа не только в том, что согласно ему символ попадет в память раньше, чем его обработает процессор, о чем мы уже говорили. Главное заключается в том, что данный ответ существенно не учитывает (или сознательно умалчивает) одну очень существенную вещь, которая состоит в работе компьютера по программе. Первая команда введет код нажатой клавиши в процессор. Затем последует целая серия команд, распознающая этот символ (русский/латинский, заглавный/строчный). После этого будет выполнена команда записи полученного результата в ОЗУ и, наконец, еще одна команда (если точнее, то несколько) вывода символа. Каждая операция сопровождается несколькими пересылками информации по магистрали, включая чтение кода очередной команды из ОЗУ. Мешать все это в одну кучу едва ли целесообразно. Лучше отдельно рассмотреть команду чтения кода с клавиатуры в процессор, команду записи из его регистра в ОЗУ и команду вывода символа на экран ⁶. Подобный подход, кстати, убедительно продемонстрирует ученикам, что нажатие буквы "С" и ее вывод на экран не есть одна "жесткая" команда, как можно подумать из приведенного в [14] ответа: между ними имеется целая программа обработки. Это, в частности, сделает понятным, как при нажатии одной и той же клавиши клавиатуры появляется русская или латинская (заглавная или строчная) буквы, почему при наборе пароля высвечиваются звездочки, а при нажатии в Блокноте клавиши F5 заносится целая строка с датой и временем.

Важно подчеркнуть, что некорректная функциональная схема навязывает некорректные представления о процессах обработки информации в компьютере, которые будут впоследствии мешать ученикам понимать материал. Напротив, продуманная схема позволяет учителю сформировать некоторую связную картину работы компьютера. И это дорогого стоит!

Из всего сказанного выше можно сделать следующие выводы.

• Основные функциональные блоки ЭВМ – процессор, память, устройства ввода и вывода. Такой «классический» состав сохраняется до настоящего времени.
• Функциональные связи между узлами ЭВМ для разных поколений ЭВМ различны. Существует определенное разнообразие подобных схем. Модернизация связей по мере развития вычислительной техники следует определенной логике и направлена на повышение эффективности компьютерных систем.
• Не все приводимые в популярной и учебной литературе схемы одинаково хорошо соответствуют действительности. Автор рекомендует при объяснении пользоваться схемами 1 (классическая архитектура) и 3 (современный ПК).
  Примечание. Вполне допустимы их некоторые упрощения, например, на схеме 1 не изображать стрелки управления, а на схеме 3 – видео ОЗУ, контроллеры или составляющие шины. И, разумеется, приведенные схемы не претендуют на стандарт: прямоугольники вполне можно менять местами, а контроллер рисовать не в виде треугольника, а круглым и без буквы "К" внутри.
• Современные персональные компьютеры имеют шинную (магистральную) архитектуру. Она позволяет гибко организовывать процессы обмена информацией, разгрузить центральный процессор засчет интеллектуальных контроллеров, а также легко наращивать конфигурацию ПК. Для повышения эффективности работы применяется не одна, а несколько шин.