АРХИТЕКТУРА ЭВМ

Классификация ЭВМ

Основные блоки ПК и их назначение

Внутримашинный системный интерфейс

Функциональные характеристики ПК

ЭВМ (компьютер) – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Признаки классификации:

по принципу действия (но отличаются друг от друга типом представления информации);

по этапам создания;

по назначению;

по размерам и функциональным возможностям.

Архитектура ЭВМ – совокупность ее свойств, существенных для пользователя.

Структура и функциональные возможности ЭВМ:

основные (обеспечивают обработку и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами);

дополнительные (обеспечивают эффективные режимы работы, диалог с пользователем, высокую надежность).

Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Персональный компьютер – настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Достоинства ПК:

малая стоимость (в пределах доступности для индивидуального пользователя);

автономность эксплуатации;

гибкость архитектуры (адаптивность к различным применениям в управлении, науке, образовании, быту);

«дружественность» ОС и программного обеспечения (возможность работы без специальной профессиональной подготовки);

высокая надежность работы.

Виды ПК:

настольное исполнение (desktop);

наколенный вариант (laptop).

блокнотный вариант (notebook).

карманные (Palm Top – наладонные);

электронные секретари (PDA – Personal Digital Assistent), имеют более широкие функциональные возможности как у обычного ПК и встроенное программное обеспечение для управления персональной информацией (адреса, телефоны, расписание встреч и т.д.);

электронные записные книжки (organizer).

Базовая (типовая) конфигурация ПК:

системный блок (это центральное звено компьютерной системы);

монитор (предназначен для отображения текстовой и графической информации);

клавиатура (используется для ввода текста, чисел и команд в компьютер);

Классификация системных блоков:

горизонтальные (desktop, плоские и особо плоские (slim));

вертикальные (tower, полноразмерные, среднеразмерные, малоразмерные).

Системный блок содержит наиболее важные компоненты:

материнская (системная) плата (содержит центральный процессор, микропроцессорный чипсет, математический сопроцессор, генератор тактовых импульсов, блоки ОЗУ и ПЗУ, шины, адаптеры клавиатуры, НЖМД, НГМД, контроллер прерываний, таймер и т.д.)

блок питания;

накопители на дисках;

дисководы;

разъемы для дополнительных устройств;

платы расширения с контроллерами (адаптерами) различных устройств.

Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, называются периферийными.

Структура ПК:

микропроцессор (центральный блок, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией);

генератор тактовых импульсов (генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту машины);

системная шина (основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой, в техническом плане шина состоит из пучка проводов, по которым передаются сигналы. Стык шины с устройством называется портом, которому для определенности присваивается номер, называемый адресом);

основная память (предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины);

внешняя память (используется для долговременного хранения информации, в ней хранится все программное обеспечение компьютера);

источник питания (блок, содержаний системы автономного и сетевого энергопитания);

таймер (внутримашинные электронные часы, подключаются к автономному источнику питания, работают при отключении от сети);

внешние устройства.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств – аппаратных интерфейсов.

Стандарты на аппаратные интерфейсы называются протоколами.

Протокол – это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Состав микропроцессора:

устройство управления (формирует и подает определенные сигналы управления, формирует адреса ячеек памяти и передает эти адреса в соответствующие блоки, последовательность импульсов получает от генератора тактовых импульсов);

арифметико-логическое устройство (выполняет арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией);

микропроцессорная память (служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины; регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины);

интерфейсная система микропроцессора (реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК, включает внутренний интерфейс, буферные запоминающие регистры, схемы управления портами ввода-вывода (позволяют подключить другое устройство ПК) и системной шиной.

Частота генератора тактовых импульсов – одна из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, т.к. каждая операция выполняется за определенное количество тактов.

Такт работы машины – промежуток времени между соседними импульсами.

Внутримашинный системный интерфейс (система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой) – совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Варианты организации внутримашинного интерфейса:

многосвязный интерфейс (каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами, применяется в простейших бытовых ПК);

односвязный интерфейс (все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину).

В качестве системного интерфейса используется системная шина .

В качестве системной шины могут использоваться:

шины расширений (шины общего назначения, позволяющие подключать большое число различных устройств);

локальные шины (специализируются на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса).

Системная шина включает:

кодовую шину данных (содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода, по ней происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно);

кодовую шину адреса (включает провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства);

кодовую шину инструкций (содержит провода и схемы сопряжения для передачи инструкций во все блоки машины);

шину питания (имеет провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания).

Системная шина обеспечивает передачу информации:

Порты ввода-вывода всех блоков машины подключаются через соответствующие унифицированные разъемы непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с помощью ASCII-кодов.

Шины расширений:

шина РС/ХТ bus – 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, тактовая частота 4,77 МГц, имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память;

шина РС/АТ bus – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, тактовая частота до 8 МГц, может использоваться и МП с тактовой частотой до 16 МГц, имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память;

шина ISA (Industry Standard Architecture) – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, тактовая частота 8 МГц, может использоваться и МП с тактовой частотой до 50 МГц, имеет до 15 линий для аппаратных прерываний и до 11 каналов для прямого доступа в память, адресное пространство увеличено до 16 Мбайт, пропускная способность теоретически 16 Мбайт/с, практически – 4-5 Мбайт/с;

шина ЕISA (Extended ISA) – 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота 8-33 МГц, адресное пространство 4 Гбайта, пропускная способность до 33 Мбайта/с, улучшена система прерываний и обеспечено автоматическое конфигурирование системы и управление каналами для прямого доступа в память, увеличено число разъемов расширений (может подключаться теоретически до 15 устройств, практически – до 10), совместима с шиной ISA, применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях;

шина МSA – 32-разрядная шина данных и 32,64-разрядная шина адреса, тактовая частота 10-20 МГц, пропускная способность до 76 Мбайт/с, может подключаться до 15 устройств, близка к шине ЕISA, но не совместима ни с ISA, ни с ЕISA, применяется не очень широко.

Локальные шины:

шина VLB (VESA Local Bus) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 33 МГц, пропускная способность теоретически 132 Мбайт/с, практически – 80 Мбайт/с, малое количество подключаемых устройств – 4, могут быть конфликты между подключаемыми устройствами, жестко зависима от тактовой частоты МП;

шина PCI (Peripheral Component Interconnect) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 33 МГц, пропускная способность теоретически 132,264 Мбайт/с, практически – 50,100 Мбайт/с, количество подключаемых устройств – 10, может выполнять многие функции шины расширения, в настоящее время используется как шина для подключения внешних устройств;

шина FSB (Front Side Bus) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 133 МГц, пропускная способность до 800 Мбайт/с, используется для связи процессора и памяти, частота этой шины является одним из потребительских параметров;

шина AGP (Advanced Graphic Port) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота 33 или 66 МГц, пропускная способность до 1066 Мбайт/с, используется для связи с видеоадаптером;

шина USB (Universal Serial Bus) – пропускная способность до 1,5 Мбит/с, позволяет подключать до 256 устройств, имеющих последовательный интерфейс, практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» и позволяет объединять несколько компьютеров и простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Использование в ПК шин VLB и PCI возможно при наличии соответствующей материнской платы.

Выпускаются материнские платы с мультишинной структурой VIP (по начальным буквам VLB, ISA, PCI).

Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.

С точки зрения физического принципа действия различают:

динамическую память (DRAM) – ячейки можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Микросхемы используются в качестве основной ОП компьютера. Это наиболее распространенный и экономически доступный вид памяти. Недостаток – постоянно требуется регенерация (подзарядка) ячеек оперативной памяти, что вызывает непроизводительный расход вычислительной системы.

статистическую память (SRAM) – ячейки можно представить в виде микроэлементов (триггеров), состоящих из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает высокое быстродействие. Микросхемы этой памяти используют в качестве вспомогательной памяти (кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы компьютера.

Основная память содержит:

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию);

оперативное запоминающее устройство (ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации, участвующей в процессе в текущий момент времени, достоинство – быстродействие и возможность обращение к каждой ячейке памяти отдельно, недостаток – энергозависимость).

В момент включения компьютера в его оперативной памяти ничего нет (программ, команд). Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ. Процессор обращается по указанному адресу за своей первой командой и начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на ОП, поскольку в ней пока ничего нет. Он указывает на ПЗУ. Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию даже при выключенном компьютере.

Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» – их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ в ПЗУ образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System).

Основное назначение программ этого пакета:

проверить состав и работоспособность компьютерной системы;

обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков;

обеспечить возможность наблюдения на экране диагностических сообщений, сопровождающих запуск компьютера,

обеспечить при необходимости возможность вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, в частности, накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Их назначение – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в ОЗУ.

Различаются конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

Магнитные диски – машинные носители информации.

Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей – дорожек (треков).

Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества магнитных головок и магнитного покрытия.

Каждая дорожка МД разбита на сектора по 128, 256, 512 или 1024 байт.

Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно целым числом секторов.

Кластер – минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.

При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации.

Файл – именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных.

Файл – последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем.

Имя файла может содержать адресные данные, сведения о типе данных, заключенных в нем. Хранение фалов организуется в иерархической структуре, называемой файловой.

Полное имя файла – собственное имя файла вместе с путем доступа к нему.

<имя носителя \ <имя каталога-1 \...\ <имя каталога-N \ <собственное имя файла

Данные на дисках хранятся в файлах. Файлу выделяется поле памяти, кратное некоторому количеству кластеров. Кластеры одного файла могут находиться в любом свободном месте и необязательно являются смежными.

Файлы, находящиеся в разбросанных по диску файлах, называются фрагментированными .

Форматирование дискеты – создание структуры записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, записи маркеров и другой служебной информации.

Монитор – устройство, предназначенное для отображения информации, которую компьютер передает пользователю.

Размер экрана монитора измеряется по диагонали в дюймах.

Условно можно выделить группы:

мониторы с электронно-лучевой трубкой (изображение формируется лучом электронов, которые «поджигают» точки цветного люминофора, которым изнутри покрыта поверхность экрана. Каждый пиксель изображения состоит из трех цветных точек люминофора: красного, зеленого и синего. Поток электронов, используемый для формирования изображения на экране электронно-лучевого монитора, довольно силен, и не весь гасится люминофором и защитным покрытием экрана. Кроме того, для управления лучам, используются сильные магнитные поля. Все это приводит к тому, что электронно-лучевые мониторы хоть и в небольшой степени, но являются источниками вредных излучений);

жидкокристаллические мониторы (рабочий слой жидкокристаллических мониторов состоит из множества мелких жидких кристаллов, которые могут менять свой цвет и прозрачность под воздействием подаваемых на них небольших напряжений. Такие мониторы не излучают);

мультимедийные мониторы (электронные и жидкокристаллические мониторы, которые могут выполнять еще дополнительные функции: воспроизводить и воспринимать звук с помощью встроенных акустических систем и микрофона, и даже воспринимать изображение с помощью встроенной видеокамеры).

Дисплей может работать:

в текстовом режиме (экран дисплея разбивается на 25 строк по 80 символов в каждой строке. Этот режим служит для вывода заранее заданных символов: больших и малых латинских букв, букв русского алфавита, цифр и других различных символов);

в графическом режиме (на экран дисплея изображение выводится по точкам, (пикселям). В таком режиме, как правило, создаются рисунки и строятся графики, при выводе в таком режиме текстовой информаций быстродействие будет ниже, т.к. каждый символ необходимо прорисовывать по точкам).

Разрешающая способность – основной параметр, характеризующий качество графического изображения на экране дисплея, определяется количеством точек по вертикали и горизонтали.

Точка (пиксель) – некоторая минимальная область экрана, в которой происходит смешивание красного, синего и зеленого лучей, интенсивность которых и определяет цвет в данной точке.

Дисплей VGA 640x480 означает, что дисплей типа VGA с количеством точек по горизонтали 640, а по вертикали 480. Разрешающая способность хороших мониторов достигает 1280х1024 и выше.

Кроме того, каждый дисплей характеризуется количеством воспроизводимых цветов, которое может колебаться от 2 (черно-белое изображение) до 256 и выше (16 млн. цветов – дисплеи Super VGA). Чем лучше дисплей, тем больше цветов он может воспроизвести.

Клавиатура компьютера – устройство для ввода команд и текста.

Группы клавиш по назначению:

блок алфавита (содержат клавиши для ввода текстовых символов. Первый сверху ряд состоит из клавиш с цифрами, над которыми изображены специальные символы. В зависимости от нажатия специальных клавиш можно печатать цифры или символы. Для ввода заглавных и других символов, располагающихся на верхнем регистре клавиатуры, служит клавиша «Shift»);

функциональные клавиши F1, …, F12 (находятся вверху клавиатуры и предназначены для быстрого ввода повторяющихся команд одной клавишей в различных программах. Напр., клавиша F10 часто используется для выхода из программ, а клавиша F1 – для вызова справки или подсказки);

клавиши управления курсором (предназначены для передвижения по тексту или командам меню, находятся в нижней части клавиатуры, справа от алфавитного блока. Текстовый курсор – специальный символ, который указывает место в строке, куда будет вводиться следующий символ);

цифровой блок (при нажатой клавише «NumLock» включается соответствующая лампочка, и можно использовать этот блок для ввода цифр. Если лампочка не горит, то с помощью клавиш цифрового блока можно управлять передвижением текстового курсора);

служебные клавиши

Ctrl» и «Alt» обычно действуют только при одновременном нажатии с другими клавишами и увеличивают количество выполняемых с помощью функциональных клавиш команд.

«Esc» помогает отменить любую команду.

«Caps Lock» служит для фиксации режима заглавных букв. При ее нажатии загорается индикатор в правой верхней части клавиатуры. Переключение клавиатуры с режима ввода русских букв на режим ввода латинских символов осуществляется с помощью специально назначенных клавиш.

«Enter» (ввод) (предназначена для перевода курсора на начало следующей строки, также используется для ввода команд в операционной системе).

«Back Space» (изображена стрелкой влево) позволяет передвинуть курсор на одну позицию влево и стирает символ, находящийся в этой позиции.

«Delete» (удаление) используется для удаления символа, на котором находится курсор. При этом сам курсор остается на прежнем месте, а все символы справа от курсора сдвигаются на одну позицию влево.

«Insert» (вставка) предназначена для перехода из режима вставки в режим замены и обратно. В режиме вставки вводимые символы появляются на том месте, где расположен курсор, а часть строки, расположенная справа от курсора, сдвигается при каждом нажатии клавиши на одну позицию вправо. В режиме замены сдвига текста, расположенного справа от курсора, не происходит, а вводимые символы появляются на месте старых, затирая их.

«PgUp», «PgDown » служат для постраничного перемещения по экрану вверх и вниз соответственно.

«Home» и «End» предназначены для перемещения курсора в начало и конец строк соответственно.

«Tab» служит для сдвига курсора на несколько () позиций вправо, обычно 4 или 8.

«Print Screen» служит для сохранения текущего состояния экрана в специальной области ОП, называемой буфером обмена.

«Scroll Lock» переключает режим работы в некоторых программах (как правило, устаревших).

«Pause/Break» осуществляет приостановку/ прерывание процесса.

Мышь – устройство управления манипуляторного типа, предназначенное для управления программами компьютера.

Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) по экрану монитора.

На корпусе мыши расположены две или три кнопки управления. В трехкнопочных манипуляторах обычно используются только крайние кнопки, а средняя кнопка используется для работы лишь с некоторыми видами программ. Иногда средняя кнопка выполняется в виде колесика.

Функциональные характеристики ПК:

быстродействие, производительность, тактовая частота;

разрядность машины и кодовых шин интерфейса;

типы системного и локального интерфейсов;

ёмкость оперативной памяти;

ёмкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера);

тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках;

виды и емкость КЭШ-памяти;

тип видеомонитора и видеоадаптера;

наличие математического сопроцессора;

имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;

аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ;

возможность работы в вычислительной сети;

возможность работы в многозадачном режиме;

надежность;

стоимость;

габариты и масса.

На бытовом уровне термин «архитектура» у большинства людей прочно ассоциируется с различными зданиями и другими инженерными сооружениями. Так, можно говорить об архитектуре готического собора, Эйфелевой башни или оперного театра. В других областях этот термин применяется достаточно редко, однако для компьютеров понятие «архитектура ЭВМ» (электронно-вычислительная машина) уже прочно устоялось и широко используется, начиная с 70-х годов прошлого века. Для того чтобы разобраться в том, каким образом происходит выполнение программ, сценариев на компьютере, необходимо в первую очередь знать, как устроена работа каждой из его составляющих. Основы учения об архитектуре вычислительных машин, которые рассматриваются на уроке, были заложены Джоном фон Нейманом. Более подробно о логических узлах, а также о магистрально-модульном принципе архитектуры современных персональных компьютеров можно будет узнать на этом уроке.

Принципы, лежащие в основе архитектуры ЭВМ, были сформулированы в 1945 году Джоном фон Нейманом, который развил идеи Чарльза Беббиджа, представлявшего работу компьютера как работу совокупности устройств: обработки, управления, памяти, ввода-вывода.

Принципы фон Неймана.

1. Принцип однородности памяти. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

2. Принцип адресуемости памяти. Основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

3. Принцип последовательного программного управления. Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

4. Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана, имеют классическую архитектуру, но, кроме нее, существуют другие типы архитектуры. Например, Гарвардская. Ее отличительными признаками являются:

• хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства;
• канал инструкций и канал данных также физически разделены.

В истории развития вычислительной техники качественный скачок происходил примерно каждые 10 лет. Такой скачок связывает с появлением нового поколения ЭВМ. Идея делить машины появилась по причине того, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения ее структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования. Более подробно все этапы развития ЭВМ показаны на Рис. 2. Для того чтобы понять, как и почему одно поколение сменялось другим, необходимо знать смысл таких понятий, как память, быстродействие, степень интеграции и т. д.

Рис. 2. Поколения ЭВМ ()

Среди компьютеров не классической, не фон Неймановской архитектуры, можно выделить так называемые нейрокомпьютеры. В них моделируется работа клеток головного мозга человека, нейронов, а также некоторых отделов нервной системы, способных к обмену сигналами.

Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции. Функции процессора (Рис. 3):

- обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);

- управление всеми остальными устройствами компьютера.

Рис. 3. Центральный процессор компьютера ()

Программа состоит из отдельных команд. Команда включает в себя код операции, адреса операндов (величин, которые участвуют в операции) и адрес результата.

Выполнение команды делится на следующие этапы:

· выборку команды;

• формирование адреса следующей команды;
• декодирование команды;
• вычисление адресов операндов;
• выборку операндов;
• исполнение операции;
• формирование признака результата;
• запись результата.

Не все из этапов присутствуют при выполнении любой команды (зависит от типа команды), однако этапы выборки, декодирования, формирования адреса следующей команды и исполнения операции имеют место всегда. В определенных ситуациях возможны еще два этапа:

• косвенная адресация;
• реакция на прерывание.

Оперативная память (Рис. 4) устроена следующим образом:

• прием информации от других устройств;
• запоминание информации;
• передача информации по запросу в другие устройства компьютера.

Рис. 4. ОЗУ (Оперативное запоминающее устройство) компьютера ()

В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип (Рис. 5). Модульный принцип позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. Он опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями. Системная шина или магистраль компьютера включает в себя несколько шин различного назначения. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины:

• шину данных;
• шину адреса;
• шину управления.

Рис. 5. Магистрально-модульный принцип построения ПК

Шина данных используется для передачи различных данных между устройствами компьютера; шина адреса применяется для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода; шина управления включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т. д.

Такой принцип справедлив для различных компьютеров, которые можно условно разделить на три группы:

• стационарные;
• компактные (ноутбуки, нетбуки и т. д.);
• карманные (смартфоны и пр.).

В системном блоке стационарного компьютера или в корпусе компактного находятся основные логические узлы - это материнская плата с процессором, блок питания, накопители внешней памяти и т. д.

Список литературы

1. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.

2. Босова Л.Л. Информатика: Рабочая тетрадь для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

3. Астафьева Н.Е., Ракитина Е.А., Информатика в схемах. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

4. Танненбаум Э. Архитектура компьютера. - 5-е изд. - СПб.: Питер, 2007. - 844 с.

1. Интернет портал «Все советы» ()

2. Интернет портал «Электронная энциклопедия “Компьютер”» ()

3. Интернет портал «apparatnoe.narod.ru» ()

Домашнее задание

1. Глава 2, §2.1, 2.2. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.

2. Как расшифровывается аббревиатура ЭВМ?

3. Что подразумевает термин «Архитектура компьютера»?

4. Кем были сформулированы основные принципы, лежащие в основе архитектуры ЭВМ?

5. На чем основывается архитектура современных ЭВМ?

6. Назовите основные функции центрального процессора и оперативной памяти ПК.

Тема 1.1: Теоретические основы экономической информатики

Тема 1.2: Технические средства обработки информации

Тема 1.3: Системное программное обеспечение

Тема 1.4: Сервисное программное обеспечение и основы алгоритмизации

Введение в экономическую информатику

1.2. Технические средства обработки информации

1.2.2. Архитектура ЭВМ

Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рисунке 1.

Рис. 1.

Положения фон Неймана:

1. Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода).
2. Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти.
3. Управляющее устройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками).
4. Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме.
5. Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве.
6. Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода.

Один из важнейших принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.

Запоминающие устройства обеспечивают хранение исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они включают: оперативные (ОЗУ), сверхоперативные СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ) запоминающие устройства.

Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступна процессору.

Внешние запоминающие устройства (накопители на магнитных дисках, например, жесткий диск или винчестер) с емкостью намного больше, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом, используются для длительного хранения больших объемов информации. Например, операционная система (ОС) хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть ОС загружается в ОЗУ и находится там до завершения сеанса работы ПК.

ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и ППЗУ (перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства) предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при ее изготовлении, например, ППЗУ для BIOS.

В качестве устройства ввода информации служит, например, клавиатура. В качестве устройства вывода – дисплей, принтер и т.д.

В построенной по схеме фон Неймана ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в устройстве управления.

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их ар­хитектуру и структуру. Архитектурой компьютера называется его описание на некотором 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. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Наиболее распространены следующие архитек­турные решения.

1. 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. Это 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. Совокуп­ность проводов магистрали раз­деляется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управле­ния. Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера че­рез специальные контроллеры - устрой­ство управ­ления, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредствен­ного управле­ния функционирова­нием данного оборудования.

Общая шина

2. Многопроцессорная архитектура . Наличие в компьютере несколь­ких про­цессо­ров означает, что параллельно может быть организовано много потоков дан­ных и много потоков команд (параллельно могут обрабаты­ваться не­сколько фраг­ментов одной задачи ). Структура такой машины имеет общую опе­ративную па­мять и несколько процессоров. Такая архи­тек­тура применяется для ре­шения задач с огромным объемом вычислений.

3. Многомашинная вычислительная система . Здесь несколько про­цессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оператив­ной памяти, а имеют каждый свою (локальную ). Отдельный компьютер в много­машинной системе имеет классическую архитектуру и такая система приме­няется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вы­числи­тельной системы может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

В современных машинах часто присутствуют элементы различных ти­пов архи­тектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые ради­кально отличаются от рассмотренных.

Классификация ВМ

Многообразие свойств и характеристик порождает различные виды класси­фика­ции вычислительных машин. Их делят: по этапам развития, по принципу дей­ствия, по назначению, по производительности и функциональ­ным возможностям, по усло­виям эксплуатации, по количеству процессоров и т.д. Четких границ между клас­сами компьютеров не существует.По мере со­вершенствования структур и техно­логии производства, появляются новые классы компьютеров (и границы суще­ст­вую­щих классов существенно изменя­ются ).

1. По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналого­вые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). АВМ – вычислительные машины непрерывного действия, работают с ин­формацией, представленной в непрерывной (аналоговой ) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физиче­ской величины(механиче­ского воздействия, перемещения, электрического напряжения и др. ). ЦВМ – вычислитель­ные ма­шины дис­кретного действия, работают с информа­цией, представленной в дискрет­ной, а точнее, в цифровой форме. ГВМ – вычисли­тельные машины ком­бинирован­ного действия, работают с информацией, представ­ленной и в цифро­вой, и в анало­говой форме (совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ ). Их ис­пользу­ют в управлении сложными техни­ческими ком­плексами.

2. По назначению вычислительные машины делятся на три группы: универсальные (об­щего на­зна­чения ), проблемно-ориентированные и специа­лизированные.

Универ­сальные вычислительные машины предназначены для решения самых разных задач: эконо­ми­ческих, математических, информационных и других, от­ли­чающихся сложно­стью ал­горитмов и большим объемом обраба­тываемых данных.

Характерными чертами универсальных машин являются:

· высокая производительность;

· разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, сим­воль­ных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их пред­став­ления;

· обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логи­че­ских, так и специальных;

· большая емкость оперативной памяти;

· развитая организация системы ввода-вывода информации.

Проблемно-ориентированные вычислительные машины служат для ре­шения более узкого круга за­дач, связанных, как правило, с управлением тех­нологическими объ­ектами; реги­стра­цией, накоплением и обработкой относи­тельно небольших объемов данных; выпол­нением расчетов по относительно несложным алго­ритмам. Они обладают ограни­ченными по сравнению с уни­версальными машинами аппаратными и программ­ными ре­сурсами. К про­блемно-ориентированным вычислительным машинам можно отнести, в част­но­сти, всевоз­можные уп­равляющие вычисли­тельные системы (АСУТП, САПР).

Специализированные вычислительные машины используются для ре­шения узкого круга задач или реа­лизации строго определенной группы функций. Такая их узкая ориентация по­зволяет четко специализировать струк­туру, существенно снизить их слож­ность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным машинам можно отнести, например, программируе­мые микро­про­цессоры специального назначения, выполняющие логические функции управления от­дельными не­сложными техническими устройствами, агре­гатами и процессами.

3. По размерам и функциональным возможностям вычислитель­ные машины можно разделить на сверх­большие (суперЭВМ ) – многопроцес­сор­ные и (или) многомашинные ком­плексы, которые используются для ре­шения сложных и больших научных задач - в управле­нии, разведке, в каче­стве цен­трализованных хранилищ информации и т.д. Большие (мэйн­фреймы ) - пред­назначены для решения широкого класса на­учно-техниче­ских задач. Малые (конструктивно выполненные в одной стойке ). Сверхма­лые (микро­ЭВМ ).

Заме­тим, что иногда классификация осуществляется и по иным призна­кам: например, эле­ментной базе, конструктивному исполнению и др.

Свойства ЭВМ лю­бого типа оцени­вается с помощью их технико-эко­номиче­ских характеристик, основ­ными из ко­торых являются: опера­ционные ресурсы(ха­ракте­ризуются количеством реализуемых опе­раций, формами представ­ления дан­ных, а также спо­собами адресации ), емкость памяти (оп­ределяется общим количе­ством ячеек памяти для хра­не­ния инфор­мации ), быстро­дей­ствие(опреде­ляется числом коротких операций типа сложе­ния, выполняе­мых за 1 сек ), надеж­ность(сред­нее время работы между двумя от­казами ), стоимость(это суммар­ные за­траты на при­обретение аппа­рат­ных и базовых про­граммных средств ЭВМ, а также за­траты на эксплуатацию ).

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ.

1.1 Принцип действия ЭВМ.

ЭВМ – совокупность технических устройств, предназначенных для автоматизированной обработки дискретных сообщений по тре­буемому алгоритму.

Идея автоматизации процесса обработки данных заложена в принцип действия ЭВМ. На рис. 1.1 приведена структурная схема абстрактной ЭВМ. Она позволит показать состав, порядок, и прин­ципы взаимодействия основных функциональных частей ЭВМ.

Рис 1.1 Структурная схема ЭВМ.

Любая ЭВМ содержит следующие основные устройства:

Арифметико-логическое (АЛУ);

Детально основные компоненты ПО рассматриваются в других курсах и здесь не рассматриваются. Несколько замечаний по ОС.

Операционной системой будем называть комплекс программно-аппаратных средств и необходимых информационных массивов, организующих вычислительный процесс по реализации заданий пользователей путем оптимального планирования использования и управления всеми ресурсами ЭВМ.

Это наиболее общее и полное определение ОС. Оно позволяет представить ЭВМ с точки зрения пользователя как виртуальную многоуровневую систему (рис. 1.6).

1 – виртуальная система пользователя;

2 – внешняя расширенная машина;

3 – внутренняя расширенная машина.

а – аппаратура;

b – базовые функции ОС;

c – основные функции ОС;

d – слой процессов;

e – язык управления заданиями и алгоритмические языки.

Впервые предложена Декстрой в 1968г. в работе “Структура мультипрограммных систем”. Основана на представлении вычислительной системы в виде вложенных друг в друга виртуальных машин, имеющих совместимость иерархического типа.

Наименьший уровень представляет собой физическую машину и реализуется аппаратными средствами на принципах микропрограммного или схемного управления. Каждый следующий уровень обеспечивает новые свойства за счет ОС и общего программного обеспечения. На самом нижнем уровне находятся средства реализации микроопераций. Средства и функции управления каждого последующего уровня формируются из средств и функций более низких по отношению к рассматриваемому уровней. Каждый уровень характеризуется длительностью реализуемого управления и определенной шириной охвата управляемых средств. Высшие уровни управления реализуются компонентами ОС, являющейся программным продолжением устройства управления и образующей интерфейс между пользователем и ЭВМ.

По степени развитости некоторые современные ОС настолько способны автоматизировать функции оператора, что с полным правом могут быть отнесены к искусственному интеллекту.

Практическое применение концепции многоуровневой виртуальной системы: упрощение и формализация описания процесса функционирования ВС и ее основных компонент.