1.Понятие об архитектуре, структуре и принципах программного управления компа.

В предлагаемом курсе устр-во компьютера изучается на уровне архитектуры. Под которой понимается описание цст-ва и принципов его работы без подробностей технического характерв. Описание архитектуры-это такое представление об уст-ве и функционировании компьютера, которое достаточно для пользователя и программиста. Общие принципы построенияЭВМ: 1)структура памяти ЭВМ;2)спосабы доступа к памяти внешнее уст-во;3)возможность изменения конфигурации компьютера;4)система команд;5)форматы команд;6)организация интерфейса. Архитектура-это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работы и взаимодействие основных её функциональных узлов.

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.

принципы функционирования компьютера(сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом. )

1. Принцип программного управления- прогр. Сост. из набора команд, кот. выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Команда – это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер. В общем случае, команда содержит следующую информацию: -код выполняемой операции; -указания по определению операндов (или их адресов); -указания по размещению получаемого результата.

В зависимости от количества операндов, команды бывают: -одноадресные; -двухадресные;

-трехадресные; -переменноадресные.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана

Внутрения структура ЭВМ содержащей ителектуальные контролеры

Эту схему легко пополнить новыми уст-ми-это св-во наз.открытостью архитектуры.

2. Интерфейсы. Параллельный и последовательный интерфейс. Сравнение интерфейсов РС.

Для того чтобы передавать группу битов, существует два подхода к организации интерфейса: ¦ Параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы имеется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени, то есть продвигаются по интерфейсным линиям параллельно. Примеры: параллельный порт подключения принтера (LPT-порт, 8 бит), интерфейс ATA/ATAPI (16 бит)

Распределение ресурсов параллельного интерфейса: параллельный интерфейс в основном применяется для управления принтером, его обоз. как LPT или PRN. ОС могут поддерживать до 4 принтеров (параллельных портов), но, в большинстве случаев, поддерживают не больше двух. 1-й принтер (порт) всегда носит название LPT1, а второй — LPT2. Для этих двух принтеров в ПК зарезервированы номера аппаратных прерываний и базовые адреса ввода/вывода. Последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). Пр: последовательный коммуникационный порт (СОМ-порт), последовательные шины USB , интерфейсы локальных и глобальных сетей.

Между данными и стоповыми битами может вставляться бит проверки четности, чтобы выявлять ошибки. Если стартовый бит есть, то начинается прием посылки, которая должна заканчиваться стоповыми битами. Отсутствие стоповых битов означает, что приемником был принят сигнал помехи. Управление потоком данных: Для передачи данных по посл. Интерфейсу( RS-232) применяют два типа соединения — полудуплексное, когда в каждый момент времени данные передаются только в одну сторону, и дуплексное. При полудуплексном соединении компьютер, когда хочет передать данные, должен подать сигнал RTS (Запрос для передачи). Модем, приняв запрос на передачу, при готовности принимать данные, должен ответить сигналом CTS (Готовность к приему). Только после обмена такими сообщениями компьютер начинает передавать данные до тех пор, пока модем не снимет сигнал CTS. При дуплексном соединении сигналы RTS и CTS имеют значение, противоположное тому, которое они имели в полудуплексном режиме.

Распределение ресурсов интерфейса RS-232:ОС Windows поддерживает 4 последовательных порта от СОМ1 до COM4. Но на системной плате всегда аппаратно реализованы только два СОМ-порта. Почти все современные периферийные устройства, подключаемые к последовательному порту, поддерживают режим Plug and Play, что позволяет ОС обнаружить подключенное устройство и получить от него регистрационную информацию.Скорость последовательного интерфейса RS-232:для измерения скорости передачи информации используют величину биты в секунду (bits per second, bps). Электрические параметры интерфейса RS-232: В отличие от всех остальных сигнальных линий в компьютерах, где используются напряжения от +5 В до 0, в интерфейсе RS-232 уровни напряжения сигнала могут лежать в диапазоне от -15 В до +15 В. Логическая единица определена как напряжение от +3 до +15 В, а логический ноль — от -3 до —15 В. Неопределенное значение относится к промежутку между —3 и +3 В.

Сравнение интерфейсов PC: Развитие интерфейсов, в основном, идет по пути увеличения их пропускной способности и расширения функциональных возможностей. Но на пути внедрения всегда встает проблема стоимости реализации нового стандарта у конечного пользователя. То есть пользователь всегда хочет иметь совместимость со старым оборудованием, а также ему желательно, чтобы новая периферия имела меньшую цену. Только в этом случае новинка от разработчиков начинает пользоваться успехом у широких масс.

Если для использования другого типа интерфейса или новой версии старого приходится серьезно раскошеливаться, то даже самые замечательные возможности не сделают его популярным. Это отлично видно на примере внедрения интерфейса USB. Другой пример, это интерфейс SCSI, которому прочили светлое будущее, но из-за дороговизны устройств с таким интерфейсом он в настоящее время востребован лишь в областях, где цена не играет такой большой роли.

3. Структурная схема простейшего компьютера. Гарвардская и фон-неймановская архитектуры. Архитектура компьютеров параллельной обработки.

Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Существует два основных класса компьютеров:

цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов;

аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

Главные устройства:

• память (запоминающее устройство- ЗУ(ОЗУ-оперативное, ПЗУ-постоянное, ВЗУ-внешнее )), состоящую из перенумерованных ячеек;

• процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

• устройство ввода;

• устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация(адреса, команды и данные).

Функции памяти:

• приём информации из других устройств;

• запоминание информации;

• выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

• программное управление работой устройств компьютера.

В состав процессора входят регистры(ячейки памяти), выполняющие функцию кратковременного хранения числа или команды.

Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода).

Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления.

Типы регистров:

• сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

• счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

• регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения.

• Р егистры операндов - находятся данные, над кот. Производятся операции

Основы архитектуры ЭВМ в конце 1940 г. Установил Джон Фон Нейман. Он разработал принципы построения ВМ:

Принцип однородности памяти(Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.)

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.)

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

Он первым догадался, что программа может также хранить информацию в виде 0 и 1.

Основными блоками по Нейману являются – устройство управления(УУ) и арифметическое устройство(АУ, обычно объединённое с центральным процессором),память, внешняя память, устройства ввода/вывода.

АЛУ и УУ в современных ПК объединены в процессор.

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительными признаками которой являются:

1. Хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства.

2. Канал инструкций и канал данных также физически разделены.

Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие компьютера. В Гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти для инструкций и памяти для данных не требуется иметь общими. В частности, ширина слова, тайминги, технология реализации и структура адресов памяти могут различаться. В некоторых системах инструкции могут храниться в памяти только для чтения, в то время как для сохранения данных обычно требуется память с возможностью чтения и записи. В некоторых системах требуется значительно больше памяти для инструкций, чем памяти для данных, поскольку данные обычно могут подгружатся с внешней или более медленной памяти. Такая потребность увеличивает битность (ширину) шины адреса памяти инструкций по сравнению с шиной адреса памяти данных.

Параллельная обработка данных, воплощая идею одновременного выполнения нескольких действий, имеет две разновидности: конвейерность и собственно параллельность.

Параллельная обработка. Если некое устройство выполняет одну операцию за единицу времени, то тысячу операций оно выполнит за тысячу единиц. Если предположить, что есть пять таких же независимых устройств, способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств может выполнить уже не за тысячу, а за двести единиц времени. Аналогично система из N устройств ту же работу выполнит за 1000/N единиц времени. Подобные аналогии можно найти и в жизни: если один солдат вскопает огород за 10 часов, то рота солдат из пятидесяти человек с такими же способностями, работая одновременно, справятся с той же работой за 12 минут – принцип параллельности в действии!

Идея конвейерной обработки заключается в выделении отдельных этапов выполнения общей операции, причем каждый этап, выполнив свою работу, передавал бы результат следующему, одновременно принимая новую порцию входных данных. Получаем очевидный выигрыш в скорости обработки за счет совмещения прежде разнесенных во времени операций. Предположим, что в операции можно выделить пять микроопераций, каждая из которых выполняется за одну единицу времени. Если есть одно неделимое последовательное устройство, то 100 пар аргументов оно обработает за 500 единиц. Если каждую микрооперацию выделить в отдельный этап (или иначе говорят – ступень) конвейерного устройства, то на пятой единице времени на разной стадии обработки такого устройства будут находится первые пять пар аргументов, а весь набор из ста пар будет обработан за 5+99=104 единицы времени – ускорение по сравнению с последовательным устройством почти в пять раз (по числу ступеней конвейера).

Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ.АЛУ выбирают информ. Из одной общей памяти. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд.

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

Рис. Архитектура с параллельным процессором

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