3.1. Архитектура эвм. Принципы работы компьютера.

ЭВМ определяется как комплекс взаимодействующих программно-управленческих технических устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных в целью получения результатов решения вычислительных и информационных задач.

Архитектура ЭВМ – ее логическая организация, структура и ресурсы, т.е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.

Схема архитектуры ЭВМ.

П – процессор

АЛУ – арифметико-логическое устройство

УУ – устройство управления

ЗУ – запоминающее устройство

ПУ – пульт управления

ВУ – внешнее устройство

Основным устройством управления (УУ) и координации работы всех основных внутренних устройств ЭВМ является процессор.

Основные функции центрального процессора:

Формирование синхронизирующих сигналов.

Формирование исполнительных адресов для обращения оперативной памяти.

Организация обмена информации между оперативной памятью и внешними устройствами.

Организация многопрограммной работы.

В основе работы ЭВМ лежит программный принцип, согласно которому все вычисления выполняются путём последовательного выполнения команд программы ЭВМ.

Принцип хранимой программы означает, что программа и данные во время выполнения программы хранятся в одном адресном пространстве в оперативной памяти и различаются не по способу кодирования, а по способу использования.

Использование двоичного кодирования при хранении и обработке данных. Слова и данные размещаются в ячейках памяти. Каждая ячейка памяти имеет адрес, по которому происходит запись или считывание слов данных и программ.

Открытая архитектура, т.е. в основе разработки новых ЭВМ лежат общедоступные стандарты, которые унифицируют взаимодействия различных типов оборудования и отдельных технических узлов ЭВМ.

Модульность построения технической архитектуры.

Стандартизация технических устройств ЭВМ.

Принцип микропрограммирования, т.е. процессор в своём составе имеет блок микропрограммного управления.

3.2. Основные устройства компьютера, их назначение и взаимодействие.

Компьютер– это электр. вычислительная машина, предназначенная для автоматической обработки ин-ции, представленной в виде цифровых данных.Сущ. много разл. моделей комп. с разным быстродействием и разн. воз-ми для пользователя,однако независимо от модели все они имеют базовый набор устройств., обеспеч. автоматич. решение задач. Процесс реш-ия задачи назыв. вычеслит. процессомВ вычисл. процессе комп. должен: ввести исходные данные в машиу, выполнить их обработку, сохранить данные, вывести рез-ты в форме удобной для пользователя. Что и определяет базовый набор устройств для ЭВМ:устр-ва ввода/вывода, запомин. устр-ва,арифметико-логическое устр-во, утр-во управления.

устр. ввода→осн. память→ус. вывода

центр. Процессор (АЛУ,УУ)

Главное место в обработке данных занимает ариф. и логич. операции, кот. выполняются в АЛУ,кот. хар-ся 3 факторами:1.набор операций, кот. может выполнять;2.время выполнения аждой операции3.среднее быстродействие машины(кол0во операций в сек)

Объем машины зависти от тактовой частоты генератораВремя выполнения каждой команды занимает четко опед. кол-во тактов.(пентиум2:1 такт-2команды)В комп. есть тактовый генератор, кот. задает тактовый ритм с опред. частотойЧем больше частота генерации импульсов, тем больше операций может выполнять за 1 сек.Соврем. АЛУ реализуются в виде больших интегральных схем

Центральный процессор(ЦП):Устройство, непосредственно, осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. В состав ЦП входят: 1. центральное устройство управления,2. арифметическое устройство,3. внутренняя память процессора,4. специальные системные средства.Основные фун-и:1.выработка централизованных сигналов,2.формирование исполнительных адресов для обращения к оперативной памяти,3. организация отмены инф-и между оперативной памятью и внешними устройствами,4.организация многопрограммной работы.Внутренняя память (ВП):Состоит из оперативной и постоянной памяти. Оперативная память включает ассоциативное запоминающее устройство, адресное запоминающее устройство, где поиск инф-и осуществляется на основе инф-и, указанной в команде. Постоянная память или постоянное запоминающее устройство делиться на 3 класса:А) программирование в процессе изготовления, т.е запись производиться однократно,Б) однократное программирование заказчиком ПЗУ(постоянное запоминающее устройство),В) многократное программное ПЗУ.

Лекция 6. Архитектура и структура компьютера

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения:

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Данная архитектура может быть реализована на однопроцессорном компьютере, рис 6.1.

Р ис. 6. 1. Однопроцессорный компьютер.

К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью, (рис. 6. 2.) .

Генератор тактовой частоты

Центральный процессор

Рис. 6. 2. Структура персонального компьютера с общей шиной

ША – шина адреса

ШД – шина данных

ШУ- шина управления

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем, представляющих собой различные устройства и память компьютера. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса ША, шину данных ШД и шину управления ШУ.

Для управления компьютером существует пульту управления, в качестве которого служит клавиатура, а вся работа центрального процессора осуществляется по импульсам тактового генератора, представляющего собой «сердце» компьютера. Конструктивно центральный процессор, оперативная память, магистраль и другие устройства объединены в системном блоке (рис.6.3.), к которому подключены все остальные периферийные устройства. Для подключения этих устройств в системном блоке располагают контроллеры и адаптеры.

Контроллер — это устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Адаптер – это устройство, которое обеспечивает только канал связи.

Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров называется многопроцессорной и представлена на рис. 6. 4.

Рис. 6. 4. Структура многопроцессорного компьютера

Если несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). При этом каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, то такая структура называется многомашинная вычислительной системой.

Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Если несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Такая структура называется системой с параллельными процессорами.

Высокое быстродействие такой структуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рис. 6. 5.

Рис. 6. 5. Структура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов структурных решений.

Тема 2.1. Архитектура персонального компьютера,

Персональный компьютер является устройством автоматизации информационных процессов и используется для накопления, обработки и передачи информации.

Рассмотрим устройство наиболее распространенного типа компьютера — настольного персонального (мы рассматриваем компьютеры фирмы IBM (International Bussines Machines Corporation) и IBM-совместимые компьютеры, которые в мировом масштабе использует большинство людей в своей практической деятельности; именно для этих компьютеров используется операционная система Windows фирмы Microsoft).

Технические средства или аппаратура компьютера в английском языке обозначаются словом «Hardware», которое буквально переводится как «твердые изделия» или «железо».

2.1. Архитектура персонального компьютера

Описание компьютера на некотором общем уровне называется его архитектурой. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативной памяти, внешних запоминающих и периферийных устройств. Различают однопроцессорную и многопроцессорную архитектуры компьютера.

В 1941 г. Джон фон Нейман изложил принципы работы и обосновал принципиальную схему компьютера с классической однопроцессорной архитектурой, в соответствии с которой компьютер должен иметь следующие устройства:

• арифметическо-логической устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;
• устройство управления (УУ), организующее процесс выполнения программы;
• запоминающее устройство (оперативная память (ОП)) для хранения программ и данных;
• внешнее устройство (ВУ) для ввода и вывода информации.

Принципиальная схема компьютера с классической архитектурой приведена на рис.2.1. Рис. 2.1 Принципиальная схема компьютера с классической архитектурой: управляющие связи информационные связи К однопроцессорной архитектуре относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной (рис.2.2). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью, или системной шиной. Рис.2.2 Основа компьютера — процессор, в нем расположены АЛУ и УУ. АЛУ осуществляет непосредственную обработку данных, а УУ координирует взаимодействие различных частей компьютера. В запоминающем устройстве (памяти) в закодированном виде хранится информация (та, которая вводится в компьютер, и та, которая возникает в процессе работы). Компьютер имеет внешнее запоминающее устройство (внешнюю память). В процессе работы процессор и память взаимодействуют между собой, но процессор, кроме того, организует работу остальных устройств компьютера: клавиатуры, дисплея, дисководов и т.д. Эти устройства осуществляют связь компьютера с внешним миром, поэтому называются внешними. Процессор, выполняя определенную программу, координирует работу внешних устройств, посылая им и принимая от них информацию. Информация при этом передается в виде электрических импульсов двух видов — низкого и высокого напряжения. Тем самым информация в компьютере кодируется двумя символами: 0 и 1. Процессор связан с внешними устройствами через магистраль (системную шину). По сути, это пучок проводов. К шине параллельно подсоединены все внешние устройства, как к телефонному кабелю. Обращение процессора к внешнему устройству похоже на вызов абонента по телефону. Все устройствапронумерованы. Когда нужно обратиться к внешнему устройству, в шину посылается его номер. Каждое внешнее устройство снабжено специальным приемником сигналов — контроллером. Контроллер играет роль телефонного аппарата — он принимает сигнал от процессора и дешифрует его. Процессор подает команду, но ему безразлично, как она будет выполняться, поскольку за это отвечает контроллер соответствующего внешнего устройства. Поэтому при наличии соответствующих контроллеров одни внешние устройства можно заменять на другие. В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип построения. Персональный компьютер напоминает обыкновенный конструктор. Схемы, управляющие всеми устройствами (монитором, дисками, принтером, модемом и т.д.), реализованы на отдельных платах, которые вставляются в слоты — стандартные разъемы системной платы. Весь компьютер питается от единого блока питания. Этот принцип, названный принципом открытой архитектуры, наряду с другими достоинствами обеспечил большой спрос на персональные компьютеры.

1. Монитор 2. Материнская плата 3. Процессор 4. IDE-слот 5. Оперативная память 6. Платы расширения (видео, звуковая…) 7. Блок питания 8. Привод для дисков (CD/ DVD) 9. Винчестер 10. Клавиатура 11. Мышь

Рис. 3. Расположение основных устройств, входящих в состав ПК.

При подготовке материала использовались источники:
https://studfile.net/preview/6195512/page:6/
https://studfile.net/preview/7733324/
https://studfile.net/preview/6196214/