Архитектура современных высокопроизводительных ЭВМ - файл n1.doc. Функциональная и структурная организация пк Анализ функциональной структуры персонального компьютера

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 Структурная схема ЭВМ первых поколений

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный информационный объект − файл.

Файл – идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций.

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рисунке 2.1 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяют код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Он каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память.

В качестве устройств вывода (УВыв) могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций.

Например, ЭВМ типа IBM PC имеют несколько сотен различных операций (их количество зависит от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда – это простейшее элементарное преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд.

Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняет ограниченные возможности используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки.

Тесно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор .

В схеме ЭВМ появились дополнительные устройства, которые имели такие названия: процессоры ввода-вывода, устройство управления обменом информацией, канал ввода-вывода. Последнее получило наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств ввода-вывода, и селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В персональных компьютерах, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рисунок 2.2). Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной.

Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Рисунок 2.2 Структурная схема ПК

Ядро ПК образуют процессор, основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), и видеопамять.

ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления.

Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и др., обеспечивается через соответствующие адаптеры – согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры – специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПК играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер – устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) – устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Способ формирования структуры ПК является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.

Центральное место в структуре ПК занимает шина. Шина – это общий канал связи, используемый для обмена информацией между устройствами компьютера. В первых ПК она была представлена просто набором проводников, предназначенных для передачи данных, адресов, питания и сигналов управления. По мере развития вычислительной техники, усложнения структуры компьютеров, увеличения быстродействия устройств и объемов пересылаемых данных, насыщения периферии разнообразными устройствами, в том числе и мультимедийными, единственная шина уже не могла обеспечить эффективной работы.

В современных ПК канал взаимодействия устройств компьютера представлен объединением большого количества шин, работающих в соответствии со старыми и новыми стандартами. Сохранение старых стандартов обеспечивает совместимость, то есть возможность работы с традиционными устройствами, подключаемыми к COM- и LPT-портам.

Организацию согласованной работы шин и устройств выполняют микросхемы системной логики, называемые чипсетом (Chipset).

Большинство наборов микросхем системной логики имеют ярко выраженную иерархическую структуру построения, отвечающую уровням высокоскоростных и низкоскоростных устройств ввода-вывода данных. Для последних микропроцессоров Pentium используется так называемая Hub-структура чипсета. При этом слово «hub» можно в равной степени понимать как коммутатор (устройство для соединения отдельных входов с определенными выходами) или концентратор (устройство, согласующее высокоскоростные каналы с менее скоростными).

В структуре чипсета за работу высокоскоростных устройств ядра компьютера отвечает North Bridge, NB – северный мост (в некоторых наборах, например Intel 820, его называют Memory Controller Hub, MCH – контроллер памяти, он же и графический контроллер для управления видеосистемой через ускоренный графический порт Accelerated Graphics Port, AGP). Каналы передачи данных между процессором или двумя процессорами, видеопамятью и оперативной памятью имеют пропускную способность более 1 Гбайт/с.

Низкоскоростными устройствами ввода-вывода данных управляет South Bridge, SB (южный мост). В наборе Intel 820 он называется I/O Controller Hub – контроллер, обслуживающий низкоскоростные устройства ввода-вывода. Именно этот порт согласовывает стандарты обмена данными по различным шинам.

История развития вычислительной техники показала, что самым узким местом ЭВМ является связь «процессор-память». Быстродействие памяти во многом определяет общую скорость последовательных вычислений. Поэтому мощность самых новейших микропроцессоров используется лишь на 25-30 %.

С точки зрения пользователя, желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворить этим двум противоречивым требованиям.

Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В составе процессоров имеется сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками регистров с быстрым временем доступа, составляющим один такт процессора (наносекунды, нс). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно участвующие в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память , или память блокнотного типа. Она представляет собой буферное запоминающее устройство, предназначенное для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайт. Кэш-память, как более быстродействующая, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Здесь возможна ассоциативная выборка данных.

Основной объем программ пользователей и данных к ним размещается в оперативном запоминающем устройстве (емкость – миллионы машинных слов, время выборки – до 20 тактов процессора).

Часть машинных программ и наиболее часто используемых констант, обеспечивающих автоматическое управление вычислениями, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ).

На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает более низкое быстродействие и очень большая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как абстрактную единую виртуальную (кажущуюся) память. Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работы с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Похожая информация.

Несмотря на огромное разнообразие вычислительной техники и ее необычайно быстрое совершенствование, фундаментальные принципы устройства машин во многом остаются неизменными. В частности, начиная с самых первых поколений, любой персональный компьютер состоит из следующих основных устройств: процессор, память (внутренняя и внешняя) и устройства ввода и вывода информации. Рассмотрим более подробно назначение каждого из них.

Процессор – главное устройство компьютера

Процессор является главным устройством компьютера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессора является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно наиболее важными частями процессора являются арифметико-логическое устройство АЛУ и устройство управления УУ.

Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Каков именно этот набор, определяется устройством конкретного процессора, но он не очень велик и в основном аналогичен для различных процессоров. Работа персонального компьютера состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной команды, ее анализ и выполнение, а также при необходимости принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.

Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной информации, в нем сознательно не предусмотрено место для хранения программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство – память. Рассмотрим лишь наиболее важные виды компьютерной памяти, поскольку ее ассортимент непрерывно расширяется и пополняется все новыми и новыми типами.

Память в целом предназначена для хранения, как данных, так и программ их обработки: согласно фундаментальному принципу фон Неймана, для обоих типов информации используется единое устройство.

Память компьютера

Начиная с самых первых персональных компьютеров, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю. Исторически это действительно было связано с размещением внутри или вне процессорного шкафа. Однако с уменьшением размеров машин внутрь основного процессорного корпуса удавалось поместить все большее количество устройств, и первоначальный непосредственный смысл данного деления постепенно утратился. Тем не менее, терминология сохранилась.

Внутренняя память

Под внутренней памятью современного компьютера принято понимать быстродействующую электронную память, расположенную на его системной плате. Сейчас такая память изготавливается на базе самых современных полупроводниковых технологий (раньше использовались магнитные устройства на основе ферритовых сердечников – лишнее свидетельство тому, что конкретная физические принципы значения не имеют). Наиболее существенная часть внутренней памяти называется ОЗУ - оперативное запоминающее устройство. Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Наверное, каждому пользователю, известно, что при выключении питания содержимое ОЗУ полностью теряется. В состав внутренней памяти современного компьютера помимо ОЗУ также входят и некоторые другие разновидности памяти. Здесь упомянем только о постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), в котором в частности хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, информация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера (для лучшего понимания можно указать на некоторую аналогию между информацией в ПЗУ и “врожденными” безусловными рефлексами у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его даже не извлекая из компьютерной платы.

Внешняя память

Внешняя память реализуется в виде довольно разнообразных устройств хранения информации и обычно конструктивно оформляется в виде самостоятельных блоков. Сюда, прежде всего, следует отнести накопители на гибких и жестких магнитных дисках (последние несколько жаргонно пользователи часто именуют винчестерами), а также оптические дисководы (устройства для работы с CD ROM). В конструкции устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому скорость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Тем не менее, внешняя память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования. Подчеркнем, что информация во внешней памяти, прежде всего, предназначена для самого компьютера и поэтому хранится в удобной ему форме; человек без использования машины не в состоянии, например, даже отдаленно представить содержимое немаркированной дискеты или диска CD ROM.

Современные программные системы способны объединять внутреннюю и внешнюю память в единое целое, причем так, чтобы наиболее редко используемая информация попадала в более медленно работающую внешнюю память. Такой метод дает возможность очень существенно расширить объем обрабатываемой с помощью компьютера информации.

Если процессор дополнить памятью, то такая система уже может быть работоспособной. Ее существенным недостатком является невозможность узнать что-либо о происходящем внутри такой системы. Для получения информации о результатах, необходимо дополнить компьютер устройствами вывода, которые позволяют представить их в доступной человеческому восприятию форме. Наиболее распространенным устройством вывода является дисплей, способный быстро и оперативно отображать на своем экране как текстовую, так и графическую информацию. Для того чтобы получить копию результатов на бумаге, используют печатающее устройство, или принтер.

Устройства ввода

Наконец, поскольку пользователю часто требуется вводить в компьютерную систему новую информацию, необходимы еще и устройства ввода. Простейшим устройством ввода является клавиатура. Широкое распространение программ с графическим интерфейсом способствовало популярности другого устройства ввода – манипулятора мышь. Наконец, очень эффективным современным устройством для автоматического ввода информации в компьютер является сканнер, позволяющий не просто преобразовать картинку с листа бумаги в графический компьютерный файл, но и с помощью специального программного обеспечения распознать в прочитанном изображении текст и сохранить его в виде, пригодном для редактирования в обычном текстовом редакторе.

Функциональная схема современного компьютера

Теперь, когда мы знаем основные устройства компьютера и их функции, осталось выяснить, как они взаимодействуют между собой. Для этого обратимся к функциональной схеме современного компьютера, приведенной на рисунке.

Рисунок 1

Для связи основных устройств компьютера между собой используется специальная информационная магистраль, обычно называемая инженерами шиной. Шина состоит из трех частей:

шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией;

шина данных, по которой собственно и будет передана необходимая информация; и, наконец,

шина управления, регулирующей этот процесс (например, один из сигналов на этой шине позволяет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода).

Рассмотрим в качестве примера, как процессор читает содержимое ячейки памяти. Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция – чтение, устройство – ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последнее, “увидев” на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных. Особо отметим, что обмен по шине при определенных условиях и при наличии определенного вспомогательного оборудования может происходить и без непосредственного участия процессора, например, между устройством ввода и внутренней памятью.

Подчеркнем также, что описанная нами функциональная организация компьютеров на практике может быть значительно сложнее. Современный компьютер может содержать несколько согласованно работающих процессоров, прямые информационные каналы между отдельными устройствами, несколько взаимодействующих магистралей и т.д. Тем не менее, если понимать наиболее общую схему, то разобраться в конкретной компьютерной системе будет уже легче. Магистральная структура позволяет легко подсоединять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера.

Похожая информация.

Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы - персонального компьютера. Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

· Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.

· Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи (Рисунок 8.6).

Рисунок 9.6 – Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами

Рисунок 9.7 – Структурная схема персонального компьютера

Разберем функциональное назначение основных составных частей.

Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

· устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы); опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

· арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);

· микропроцессорная память (МПП) - служит дня кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. (МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.)

интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс - это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Генератор тактовых импульсов . Генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины, которая является одной из основных характеристик персонального компьютера, и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов:

Системная шина . Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:

1. кодовую шину данных (КШД);

2. кодовую шину адреса (КША);

3. кодовую шину инструкций (КШИ);

4. шину питания

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

· между микропроцессором и основной памятью;

· между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

· между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Основная память (ОП). Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной и формации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

Внешняя память . Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, наиболее распространенными являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации

Источник питания . Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер . Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

Внешние устройства (ВУ). По назначению можно выделить следующие виды ВУ:

· внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

· диалоговые средства пользователя;

· устройства ввода информации;

· устройства вывода информации;

· средства связи и телекоммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода информации.

К устройствам ввода информации относятся:

· клавиатура

· графические планшеты (диджитайзеры)- для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

· сканеры;

· манипуляторы (устройства указания): джойстик - рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодировани­ем координат курсора и вводом их в ПК;

· сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

· принтеры

· графопостроители (плоттеры)

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме (Рисунок 8.8).

Рисунок 9.8 – Схема подключения периферийных устройств

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора. Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами - побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно. К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более "быстрые" устройства - принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы.

Дополнительные схемы . К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Лекция. Архитектура современных высокопроизводительных ЭВМ. Функциональная структура компьютера. Основные концепции функционирования. Программное обеспечение компьютера. Основы алгоритмизации.

Устройство ввода

Блок памяти

Арифметико-логическое устройство

Блок вывода

Блок управления

Основные концепции функционирования

Структура шины

Программное обеспечение

Этапы подготовки и решения задач на ЭВМ

Алгоритмы и способы их описания

Функциональная структура компьютера

Как следует из рис. 3.1, компьютер состоит из пяти главных, функционально не­зависимых частей:

устройство ввода,

устройство памяти,

арифметико-логическое устройство,

устройство вывода и

устройство управления.

Устройство ввода при­нимает через цифровые линии связи закодированную информацию от операто­ров, электромеханических устройств типа клавиатуры или от других компьюте­ров сети. Полученная информация либо сохраняется в памяти компьютера для последующего применения, либо немедленно используется арифметическими и логическими схемами для выполнения необходимых операций. Последователь­ность шагов обработки определяется хранящейся в памяти программой. Полу­ченные результаты отправляются обратно, во внешний мир, посредством устрой­ства вывода. Все эти действия координируются блоком управления. На рис. 3.1. намеренно не показаны связи между функциональными устройствами. Объясня­ется это тем, что такие связи могут быть по-разному реализованы. Как именно, вы поймете несколько позже. Арифметические и логические схемы в комплексе с главными управляющими схемами называют процессором, а все вместе взятое оборудование для ввода и вывода часто называют устройством ввода-вывода (input-output unit).

Теперь обратимся к обрабатываемой компьютером информации. Ее удобно разделять на две основные категории: команды и данные. Команды, или машин­ные команды, - это явно заданные инструкции, которые:

Управляют пересылкой информации внутри компьютера, а также между компьютером и его устройствами ввода-вывода;

Определяют подлежащие выполнению арифметические и логические операции.

Список команд, выполняющих некоторую задачу, называется программой. Обыч­но программы хранятся в памяти. Процессор по очереди извлекает команды про­граммы из памяти и реализует определяемые ими операции. Компьютер полно­стью управляется хранимой программой , если не считать возможность внешнего вмешательства оператора и подсоединенных к машине устройств ввода-вывода.

Данные - это числа и закодированные символы, используемые в качестве опе­рандов команд. Однако термин «данные» часто используется для обозначения любой цифровой информации. Согласно этому определению, сама программа (то есть список команд) также может считаться данными, если она обрабатывается другой программой. Примером обработки одной программой другой является компиляция исходной программы, написанной на языке высокого уровня, в список машинных команд, составляющих программу на машинном языке, которая назы­вается объектной программой. Исходная программа поступает на вход компиля­тора, который транслирует ее в программу на машинном языке.

Рис. 3.1. Базовые функциональные устройства компьютера

Информация, предназначенная для обработки компьютером, должна быть зако­дирована, чтобы иметь подходящий для компьютера формат. Современное аппа­ратное обеспечение в большинстве своем основано на цифровых схемах, у которых имеется только два устойчивых состояния, ON и OFF (см. лекцию 2). В ре­зультате кодирования любое число, символ или команда преобразуется в строку двоичных цифр, называемых битами, каждый из которых имеет одно из двух воз­можных значений: 0 или 1. Для представления чисел (как станет ясно из лекции 4) обычно используется позиционная двоичная нотация. Иногда применяется двоич­но-десятичный формат (Binary-Coded Decimal, BCD), в соответствии с которым каждая десятичная цифра кодируется отдельно, с помощью четырех бит.

Буквы и цифры также представляются посредством двоичных кодов. Для них разработано несколько разных схем кодирования. Наиболее распространенными считаются схемы ASCII (American Standard Code for Information Interchange - американский стандартный код для обмена информацией), где каждый символ представлен 7-битовым кодом, и EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Inter­change Code - расширенный двоично-десятичный код для обмена информаци­ей), в котором для кодирования символа используется 8 бит.

Устройство ввода

Компьютер принимает кодированную информацию через устройство ввода, зада­чей которого является чтение данных. Наиболее распространенным устройством ввода является клавиатура. Когда пользователь нажимает клавишу, соответст­вующая буква или цифра автоматически преобразуется в определенный двоич­ный код и по кабелю пересылается либо в память, либо процессору.

Существует и ряд других устройств ввода, среди которых джойстики, трекболы и мыши. Они используются совместно с дисплеем в качестве графических входных устройств. Для ввода звука могут использоваться микрофоны. Воспри­нимаемые ими звуковые колебания измеряются и конвертируются в цифровые коды для хранения и обработки.

Блок памяти

Задачей блока памяти является хранение программ и данных. Существует два класса запоминающих устройств, а именно первичные и вторичные. Первичное за­поминающее устройство (primary storage) - это память, быстродействие которой определяется скоростью работы электронных схем. Пока программа выполняет­ся, она должна храниться в первичной памяти. Эта память состоит из большого количества полупроводниковых ячеек, каждая из которых может хранить один бит информации. Ячейки редко считываются по отдельности - обычно они обра­батываются группами фиксированного размера, называемыми словами. Память организована так, что содержимое одного слова, содержащего n бит, может запи­сываться или считываться за одну базовую операцию.

Для облегчения доступа к словам в памяти с каждым словом связывается от­дельный адрес. Адреса - это числа, идентифицирующие конкретные местополо­жения слов в памяти. Для того чтобы прочитать слово из памяти или записать его в таковую, необходимо указать его адрес и задать управляющую команду, которая начнет соответствующую операцию.

Количество битов в каждом слове часто называют длиной машинного слова. Обычно слово имеет длину от 16 до 64 бит. Одним из факторов, характеризую­щих класс компьютера, является емкость его памяти. Малые машины обычно мо­гут хранить лишь несколько десятков миллионов слов, тогда как средние и боль­шие машины обычно способны хранить сотни миллионов и миллиарды слов. Типичными еди­ницами измерения количества обрабатываемых машиной данных являются слово, несколько слов или часть слова. Как правило, за время одного обращения к памя­ти считывается или записывается только одно слово.

Во время выполнения программа должна находиться в памяти. Команды и дан­ные должны записываться в память и считываться из памяти под управлением процессора. Исключительно важна возможность предельно быстрого доступа к лю­бому слову памяти. Память, к любой точке которой можно получить доступ за ко­роткое и фиксированное время, называется памятью с произвольным доступом (Random-Access Memory, RAM). Время, необходимое для доступа к одному слову, называется временем доступа к памяти. Это время всегда одинаково, независимо от того, где располагается нужное слово. Время доступа к памяти в современных устройствах RAM составляет от нескольких наносекунд до 100. Память компьюте­ра обычно представляет собой иерархическую структуру, состоящую из трех или четырех уровней полупроводниковых RAM-элементов с различной скоростью и разным размером. Наиболее быстродействующим типом RAM-памяти является кэш-память (или просто кэш). Она напрямую связана с процессором и часто нахо­дится на одном с ним интегрированном чипе, благодаря чему работа процессора значительно ускоряется. Память большей емкости, но менее быстрая, называется основной памятью (main memory). Далее в этой лекции процесс доступа к информа­ции в памяти описывается подробнее, а позднее мы детально рассмотрим прин­ципы ее функционирования и вопросы, связанные с производительностью.

Первичные запоминающие устройства являются исключительно важными компонентами для компьютера, но они довольно дороги. Поэтому компьютеры оборудуются дополнительными, более дешевыми вторичными запоминающими устройствами, используемыми для хранения больших объемов данных и боль­шого количества программ. В настоящее время таких устройств имеется доста­точно много. Но наиболее широкое распространение получили магнитные диски, магнитные ленты и оптические диски (CD-ROM).

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

2 слайд

Описание слайда:

Внутренняя память - это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. При отключении компьютера от сети информация из оперативной памяти исчезает. Программа во время ее выполнения хранится во внутренней памяти компьютера. (Принцип фон Неймана -принцип хранимой программы). Внешняя память - это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски. Сохранение информации на них не требует постоянного электропитания. На рисунуке показана схема устройства компьютера с учетом двух видов памяти. Стрелки указывают направления информационного обмена

3 слайд

Описание слайда:

1. Устройства, входящие в состав системного блока 1.1. Материнская плата Материнская плата обеспечивает связь между всеми устройствами ПК, посредством передачи сигнала от одного устройства к другому. На поверхности материнской платы имеется большое количество разъемов предназначенных для установки других устройств: sockets – гнезда для процессоров; slots – разъемы под оперативную память и платырасширения; контроллеры портов ввода/ вывода. Материнская плата - печатная плата, на которой осуществляется монтаж большинства компонентов компьютерной системы. Название происходит от английского motherboard, иногда используется сокращение MB или слово mainboard - главная плата.

4 слайд

Описание слайда:

A – разъем (гнездо) центрального процессора B – разъемы под оперативно-запоминающее устройство C – разъемы подключения видеокарты, внутреннего модема и пр. D – разъемы для подключения внешних устройств ввода/вывода 1. Устройства, входящие в состав системного блока 1.1. Материнская плата Установите соответствие между обозначенными на рисунке разъемами (устройствами для осуществления коммутации) и их назначением:

5 слайд

Описание слайда:

На процессоре установлен большой радиатор, охлаждаемый вентилятором (cooler). Конструктивно процессор состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Устройства, входящие в состав системного блока 1.2. Центральный процессор Центральный процессор, или центральное процессорное устройство (ЦПУ) (англ. central processing unit - CPU) - основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления.

6 слайд

Описание слайда:

Адресная шина. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены на сегодняшний день в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов. Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. Устройства, входящие в состав системного блока 1.2. Центральный процессор С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

7 слайд

Описание слайда:

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). Ранние модели процессоров имели рабочее напряжение 5В, а в настоящее время оно составляет менее 3В. Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры были 4-разрядными. В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше производительность процессора. Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память Устройства, входящие в состав системного блока 1.2. Центральный процессор Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

8 слайд

Описание слайда:

Существует два типа оперативной памяти - память с произвольным доступом (RAM - Random Access Memory) и память, доступная только на чтение (ROM - Read Only Memory). Оперативная память с произвольным доступом (RAM) служит для размещения программ, данных и промежуточных результатов вычислений в процессе работы компьютера. Данные могут выбираться из памяти в произвольном порядке, а не строго последовательно, как это имеет место, например, при работе с магнитной лентой. Устройства, входящие в состав системного блока 1.3. Оперативная память Оперативная память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство). Память, доступная только на чтение (ROM) используется для постоянного размещения определенных программ, например, программы начальной загрузки ЭВМ – BIOS (basic input-output system – базовая система ввода-вывода). В процессе работы компьютера содержимое этой памяти не может быть изменено. Оперативная память - энергозависимая, т. е. данные в ней хранятся только до выключения ПК.

9 слайд

Описание слайда:

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке воздуха, образуемой при быстром вращении дисков. Устройства, входящие в состав системного блока 1.4. Жёсткий диск Накопитель на жёстких магнитных дисках, жёсткий диск или винчестер (англ. Hard Disk Drive, HDD) - энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство

10 слайд

Описание слайда:

Название «винчестер» жёсткий диск получил благодаря фирме IBM, которая в 1973 выпустила жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе диски и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30» предложил назвать этот диск «винчестером». В Европе и Америке название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах; в российском же компьютерном сленге название «винчестер» сохранилось, сократившись до слова «винт». Устройства, входящие в состав системного блока 1.4. Жёсткий диск

11 слайд

Описание слайда:

Интерфейс - способ, использующийся для передачи данных. Современные накопители могут использовать интерфейсы ATA (IDE, EIDE), Serial ATA, SCSI, SAS, FireWire, USB и Fibre Channel. Ёмкость - количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств может достигать до 1.5 Tб, в ПК сегодня распространены винчестеры ёмкостью 80, 120, 200, 320 Гб. В отличие от принятой в информатике системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину (кило=1024), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются кратные 1000 величины. Так, напр., «настоящая» ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 Гб», составляет 186,2 Гб. Физический размер - почти все современные накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках. Скорость вращения шпинделя - количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10000 (персональные компьютеры), 10000 и 15000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Устройства, входящие в состав системного блока 1.4. Жёсткий диск Характеристики

12 слайд

Описание слайда:

Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в специальный разъём (ISA, VLB, PCI, AGP, PCI-Express) для видеокарт на материнской плате, но бывает и встроенной. Современная графическая плата состоит из следующих основных частей: Графический процессор (GPU) - занимается расчетами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчеты для обработки команд трехмерной графики. Графическая плата (известна также как графическая карта, видеокарта, видеоадаптер) (англ. videocard) - устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора. Устройства, входящие в состав системного блока 1.5. Графическая плата Видеоконтроллер - отвечает за формирование изображения в видеопамяти. Видеопамять - выполняет роль буфера, в котором в цифровом формате хранится изображение, предназначенное для вывода на экран монитора. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор

13 слайд

Описание слайда:

На материнскую плату звуковая плата устанавливается в слоты ISA (устаревший формат) или РСI (современный формат). Когда звуковая плата установлена, на задней панели корпуса компьютера появляются порты для подключения колонок, наушников, микрофона Устройства, входящие в состав системного блока 1.6. Звуковая плата Звуковая плата (также называемая звуковая карта, аудиоадаптер) используется для записи и воспроизведения различных звуковых сигналов: речи, музыки, шумовых эффектов. 1.7. Сетевая плата Сетевая плата (также известная как сетевая карта, сетевой адаптер, Ethernet card, NIC (англ. network interface card)) - печатная плата, позволяющая взаимодействовать компьютерам между собой, посредством локальной сети. Обычно, сетевая плата идёт как отдельное устройство и вставляется в слоты расширения материнской платы (в основном - PCI, ранние модели использовали шину ISA).

14 слайд

Описание слайда:

Обычно дискета представляет собой гибкую пластиковую пластинку, покрытую ферромагнитным слоем, отсюда английское название «floppy disk» («гибкий диск»). Эта пластинка помещается в защитную оболочку, защищающую магнитный слой от физических повреждений. Оболочка бывает гибкой или прочной. Запись и считывание дискет осуществляется с помощью специального устройства - дисковода (флоппи-дисковода). Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения. Устройства, входящие в состав системного блока 1.8. Дисковод 3,5’’ Дискета - портативный магнитный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных сравнительно небольшого объема Первая дискета диаметром в 200 мм (8″) и ёмкостью 80 килобайт была представлена фирмой IBM в 1971. В 1981 году фирма Sony выпустила на рынок дискету диаметром 3½" (90 мм). Поздняя её версия имеет объём 1440 килобайт или 1,40 мегабайт. Именно этот тип дискеты стал стандартом и используется по сей день.

15 слайд

Описание слайда:

Устройства, входящие в состав системного блока 1.9. Накопители на компакт-дисках Цифровая информация представляется на CD чередованием впадин (не отражающих пятен) и отражающих свет островков. Компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему. Считывание информации с компакт-диска происходит при помощи лазерного луча, который, попадая на отражающий свет островок, отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий это как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается: фотодетектор фиксирует двоичный ноль. Скорость передачи данных для привода определяется скоростью вращения диска. Обычно она указывается в сравнении со стандартом Audio CD, для которого скорость считывания данных составляет порядка 150 Кбайт/с. Т.е. CDx2 означает, что скорость обмена данными с таким диском вдвое больше, чем 150 Kбайт/с. Максимальная скорость вращения CD диска превышает скорость чтения Audio CD в 52 раза. 52х150 Kбайт/с=7800 Kбайт/с. В настоящее время массовому пользователю стали доступны приводы с возможностью однократной записи (CD-R) и перезаписи (CD-RW) информации.

16 слайд

Описание слайда:

Устройства, входящие в состав системного блока 1.10. Накопители на DVD дисках DVD (Digital Versatile Disc, цифровой многоцелевой, или универсальный, диск) - это оптические диски большой емкости, которые применяются для хранения полнометражных фильмов, музыки высокого качества, компьютерных программ. Существует несколько вариантов DVD, отличающихся по емкости: односторонние и двухсторонние, однослойные и двухслойные. Односторонние однослойные DVD имеют емкость 4,7 Гбайт информации, двухслойные - 8,5 Гбайт; двухсторонние однослойные вмещают 9,4 Гбайт, двухслойные - 17 Гбайт. Луч лазера в обычном приводе CD-ROM имеет длину волны 780 нм, а в устройствах DVD - от 635 нм до 650 нм, благодаря чему плотность записи DVD существенно выше. Помимо чтения данных с DVD со скоростью порядка 1,2 Мбайт/с, накопители DVD способны читать обычные CD-ROM со скоростью, примерно соответствующей 8-10-скоростным приводам CD-ROM.

18 слайд

Описание слайда: