Базовая аппаратная конфигурация

План

1. О понятии «архитектура» ЭВМ.
2. Структурная схема ЭВМ.
3. Процессор. Виды памяти.
4. Фон-неймановские принципы построения ЭВМ.

1. О понятии «архитектура» ЭВМ .

С середины 60-х годов XX в. существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие — архитектура ЭВМ.

Термин «архитектура» используется в популярной литературе по вычислительной технике достаточно часто, однако определения этого понятия и его содержания могут у разных авторов достаточно различаться. Разберемся в этом вопросе более тщательно.

Начать целесообразно с происхождения термина. Слово «архитектура» в изначальном своем смысле используется в градостроении. Будучи достаточно сложной структурой, современный город состоит из районов, площадей, улиц, домов и т.п., расположенных определенным образом.

Используя аналогию с градостроительством, естественно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними.

Вычислительная техника возникла сравнительно недавно - в 50-х годах ХХ века. За 50 лет она прошла период бурного развития. 

 Современные ЭВМ имеют одну и ту же внутреннюю организацию, которую принято называть архитектурой.

 

Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных её функциональных узлов.

 

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис.1:

 

 

Рис.1. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

 

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Любая ЭВМ - это автоматическое устройство обработки информации. Все они сконструированы на основе электронных схем обработки электрических сигналов, а принципы их работы основаны на законах физики, логики и электротехники.

Организацию ЭВМ можно сравнить с организацией зданий, а сети ЭВМ - с транспортными сетями. Различают внутреннюю архитектуру ЭВМ - то из чего состоит машина и на чем основано накопление, обработка и передача информации внутри машины, и внешнюю - то, что пользователь видит и использует для работы.

 

Базовая аппаратная конфигурация

Персональный компьютер – универсальная техническая система. Конфигурация- состав устройств, подключенных к компьютеру. Порт - точка подключения внешнего устройства к компьютеру. Почему именно так устроен компьютер? Потому что в таком случае он превращается в подобие детского конструктора- его можно собрать из любых устройств, имеющихся на рынке (в том числе и произведенных различными фирмами).

Существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

• Системного блока – являющегося центром и основой ЭВМ, обеспечивает преобразование и хранение информации. Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными
• Клавиатуры, позволяющей вводить информацию и предоставляющая пользователю возможность общения с ЭВМ;
• Монитора - используется для отображения вводимых данных, а также для вывода на экран результатов обработки информации.

Рис. 2. Конфигурация компьютера

 

· Наряду с клавиатурой и монитором при работе с персональным компьютером используется еще ряд устройств, не входящих в базовый комплект, но обеспечивающих ввод и вывод информации. Трудно, например, представить себе работу современного компьютера без маленькой помощницы – мыши.

Мышь— устройство «графического» управления.

 

Современные персональные компьютеры выпускаются в трех исполнениях: настольные, «наколенные»(лэптор), «блокнотные»(ноутбук). Во всех случаях компьютер включает в себя три обязательные части: системный блок, монитор(дисплей), клавиатуру. В настольном исполнении системный блок выполняется, как правило, в отдельном корпусе, а монитор и клавиатура подсоединяются к нему соединительными кабелями (рис 3.). «Наколенные» компьютеры выполняются в виде дипломата, блокнотные – в виде блокнота, но они также содержат все эти обязательные части: системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре (рис 4).

рис 3.          рис 4.

 

 

В системном блоке расположена основная часть компьютера – электронный блок, управляющий работой компьютера, блок дисков, включающий в себя накопитель на жестком магнитном диске(винчестер) и накопитель (дисковод) для гибких магнитных дисков, а также блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронный схемы компьютера.

Компьютер включает в себя несколько модулей – электронных плат, главная из которых называется материнской платой. На материнской плате расположены микропроцессор, оперативная память, постоянная память, системная магистраль(шина) данных.

 

 

Структурная схема ЭВМ.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию 1-ой в мире ламповой ЭВМ ЭНИАК в 1944 г., когда её конструкция уже была выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом, фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В своем докладе Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации.

 Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ), память, внешняя память, устройство ввода и вывода.

Вот каковы должны быть связи между устройствами компьютера:

 

 

Внешнее запоминающее устройство

Оперативное запоминающее устройство

ПРОЦЕССОР Арифметико-             Устройство логическое                     управления устройство

Устройство вывода

Устройство ввода

 

 

Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ.

Устройство управления – организует процесс выполнения программ, т.е. проводит последовательную обработку команд программ, расшифровывает их и выполняет.

Арифметико-логическое устройство – выполняет арифметические и логические операции.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе арифметических операций, согласование работы узлов компьютера).

 В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция(команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т. д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т. е. организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т. д., т. е. создавать сложные программы.

Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т. е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешнее устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.

 

Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать компьютер нужной ему конфигурации и производить при необходимости ее модернизацию.

 

 

 

 

Процессор. Виды памяти.

Главными «действующими лицами» в любых ЭВМ являются процессоры, которые дирижируют совместной работой всех устройств. Процессоры, прежде всего осуществляют операции над числами - операции сложения, вычитания, умножения и деления над целыми и вещественными (действительными) числами. По этой причине ЭВМ и названы вычислительными машинами. Кроме, того, процессоры могут выполнять различные преобразования символов и пересылать их по линиям связи с одних устройств ввода-вывода на другие.

 

Процессор – устройство, обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами компьютера.

 

Современный процессор представляет собой микросхему, или чип, выполненную на миниатюрной кремневой пластине – кристалле. Поэтому его принято называть микропроцессором. В последних моделях микропроцессоров, размер которых равен примерно 2 см², содержится до нескольких миллионов электронных компонентов. Размер минимального элемента микропроцессора в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса.

Важной характеристикой процессора является:

Ø Производительность (количество элементарных операций, выполняемых им за одну секунду), которая и определяет быстродействие компьютера в целом.

В свою очередь, производительность процессора зависит от двух других его характеристик — тактовой частоты и разрядности.

Такт - промежуток времени, необходимый для выполнения одной простейшей машинной операции, измеряемый микросекундами.

Ø Тактовая частота- количество тактов в секунду. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения операций и тем выше производительность компьютера. Тактовая частота опре­деляет число тактов работы процессора в секунду. Современный пер­сональный компьютер может выполнять миллионы и миллиарды таких элементарных операций в секунду. Для числового выражения тактовой частоты используется единица измерения частоты — мега­герц (МГц) — миллион тактов в секунду. Тактовая частота современ­ных микропроцессоров составляет более 100 МГц.

Ø Разрядность процессораопределяет размер минимальной порции информации, над которой процессор выполняет различные операции обработки. Эта порция информации, часто называемая машинным словом, представлена последовательностью двоичных разрядов (бит). Процессор в зависимости от его типа может иметь одновременный до­ступ к 8, 16, 32, 64 битам.

С повышением разрядности увеличивается объем информации, об­рабатываемой процессором за один такт, что ведет к уменьшению количества тактов работы, необходимых для выполнения сложных операций. Кроме того, чем выше разрядность, тем с большим объ­емом памяти может работать процессор. Первые микропроцессоры (1971 г. — фирма Intel) имели разрядность 4 бит, тактовую частоту 108 КГц и способность адресовать 640 байт основной памяти. Со­временные компьютеры оснащаются 32-разрядными процессорами, и при этом их основная память обычно составляет 16, 32, 64 Мбайт.

Для современных микропроцессоров характерна тенденция к уве­личению разрядности и повышению тактовой частоты.

Кроме центрального микропроцессора во многих компьютерах имеются сопроцессоры — дополнительные специализированные про­цессоры. Например, математический сопроцессор — микросхема, ко­торая помогает основному процессору в выполнении вычислений при решении на компьютере математических задач.

В процессе работы компьютера программы, исходные данные, а также промежуточные и окончательные результаты необходимо где-то хранить и иметь возможность обращаться к ним. Для этого в со­ставе компьютера имеются различные запоминающие устройства, ко­торые называют памятью. Информация, хранящаяся в запоминаю­щем устройстве, представляет собой закодированные с помощью цифр 0 и 1 различные символы (цифры, буквы, знаки), звуки, изоб­ражения.

Главным хранилищем, главной ценностью ЭВМ является ее память.

 

Память компьютера – совокупность устройств для хранения информации .

 

Различается внутренняя и внешняя память ЭВМ. Внутренняя память состоит из нескольких частей: оперативной, постоянной и кэш-памяти. Это связано с тем, что используемые процессором программы можно условно разделить на две группы: временного (текущего) и постоянного использования. Программы и данные временного пользования хранятся в оперативной памяти  и кэш-памяти только до тех пор, пока включено электропитание компьютера. После его выключения выделенная для них часть внут­ренней памяти полностью очищается. Оперативная память хранит информацию, необходимую для выполнения программ в текущем сеансе работы: исходные данные, команды, промежуточные и конечные результаты.

Оперативная память – устройство для хранения программ и данных, которые обрабатываются процессором в текущем сеансе работы.

 

 К физическим свойствам внутренней памяти относятся следующие свойства:

¨ Это память, которая хранит информацию только при наличии электропитания; по этой причине ее называют энергозависимой;

¨ Это быстрая память время занесения (записи) в неё информации и извлечения (чтения) очень маленькое – микросекунды;

¨ Это память небольшая по объему ( по сравнению с внешней).

 

Другая часть внутренней па­мяти, называемая постоянной, является энергонезависимой, то есть записанные в нее программы и данные хранятся всегда, независимо от включения или выключения компьютера. Кроме, того, однажды записанная информация в постоянной памяти не меняется. Постоянная память – это память, предназначенная только для чтения, в то время как оперативная память – и для чтения, и для записи. Обычно постоянная память по объему существенно меньше оперативной памяти.

       Кэш-память (англ. Cache – тайник, склад) служит для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств различной скорости. Она является промежуточным запоминающим устройством, или буфером.

       Кэш-память используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью, а также между оперативной памятью и внешней памятью.

Внешняя памятькомпьютера по аналогии с тем, как человек обычно хранит информацию в книгах, газетах, журналах, на магнит­ных лентах и пр., тоже может быть организована на различных ма­териальных носителях: на дискетах, на жестких дисках, на магнит­ных лентах, на лазерных дисках (компакт-дисках).

 

 

 

Назначение внешней памяти компьютера заключается в долговременном хранении информации любого вида.

 Свойства :

¨ Внешняя память энергонезависима, т.е. информация в ней сохраняется независимо от того, включен или выключен компьютер;

¨ Внешняя память – медленная по сравнению с оперативной;

¨ Объем информации, помещающейся во внешней памяти, больше, чем во внутренней; а с учетом возможности смены носителей – неограничен.

 

Классификация видов компьютерной памяти по назначению пока­зана на рисунке:

 

Рассмотрим общие для всех видов памяти характеристикии понятия.

Очевидно, что в памяти компьютера, как и на любом складе, дол­жен быть порядок, чтобы можно было максимально быстро найти любую хранящуюся в ней информацию. Для этого надо точно знать ее местоположение в памяти. Это задается с помощью системы адре­сации, суть которой заключается в следующем. Условно память можно представить состоящей из ячеек, в каждой из которых хранится определенная порция информации. Чтобы взять (прочитать) информацию из ячейки или поместить (записать) ее туда, надо указать адрес ячейки. Каждая ячейка имеет свой уни­кальный адрес, означающий номер этой ячейки в памяти. Сущест­вуют две распространенные операции с памятью — считывание (чте­ние) информации из памяти и запись ее в память для хранения.

При считывании порции информации из памяти осуществляется передача ее копии в другое устройство, где с ней производятся опре­деленные действия: числа участвуют в вычислениях, слова исполь­зуются при создании текста, из звуков создается мелодия и т. д. Ори­гинал считанной порции информации остается в той же ячейке па­мяти до тех пор, пока на ее место не будет записана другая информация.

При записи (сохранении) порции информации предыдущие дан­ные, хранящиеся на этом месте, стираются. Вновь записанная инфор­мация хранится до тех пор, пока на ее место не будет записана другая.

Операции чтения и записи можно сравнить с известными вам в бы­ту процедурами воспроизведения и записи, выполняемыми с обыч­ным кассетным магнитофоном. Когда вы прослушиваете музыку, то считываете информацию, хранящуюся на ленте. При этом информа­ция на ленте не исчезает. Но после записи нового альбома любимой рок-группы ранее хранившаяся на ленте информация будет затерта и утрачена навсегда.

Чтение (считывание) информации из памяти — процесс получения информации из ячеек памяти, расположенных по заданному ад­ресу.

Запись (сохранение) информации в памяти — процесс размещения информации по заданному адресу для хранения.

Способ обращения к устройству памяти для чтения или записи ин­формации получил название доступа. С этим понятием связан такой параметр памяти, как время доступа, или быстродействие памя­ти — время, необходимое для чтения из памяти либо записи в нее минимальной порции информации. Очевидно, что для числового вы­ражения этого параметра используются единицы измерения времени: миллисекунда, микросекунда, наносекунда.

       Время доступа, или быстродействия, памяти – время, необходимое для чтения из памяти либо записи в нее минимальной порции информации.

Важной характеристикой памяти любого вида является ее объемназываемый также емкостью. Этот параметр показывает, какой максимальный объем информации можно хранить в памяти. Для измерения объема памяти используются следующие единицы: байты, килобайты (Кбайт), мегабайты (Мбайт), гигабайты (Гбайт), а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Объем (емкость) памяти – максимальное количество хранимой в ней информации.

---

Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 18; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!