10.Состав компьютера(базовый набор).Понятие архитектуры компьютера.Открытость архитектуры.

Базовая аппаратная конфигурация персонального компьютера  Базовая аппаратная конфигурация Персональный компьютер — универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, 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: - системный блок; - монитор; - клавиатуру; - мышь.

Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д.

Архитектура компьютера, характеризующая его логическую организацию, может быть представлена как множество взаимосвязанных компонент, включающих элементы различной природы: программное обеспечение (software), аппаратное обеспечение (hardware),алгоритмическое обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firmware) – и поддерживающих его слаженное функционирование в форме единого архитектурного ансамбля, позволяющего вести эффективную обработку различных объектов и данных.

Архитектура вычислительной системы определяет основные функциональные возможности системы, сферу применения (научно-техническая, экономическая, управление, и т.д.), режим работы (пакетный, мультипрограммный, диалоговый и т.д.), характеризует параметры ВС (быстродействие, набор и объем памяти, набор периферийных устройств и т.д.), особенности структуры (одно-, многопроцессорная) и т.д.

Понятие «архитектура» можно представить следующей схемой:

Архитектура ВС

Вычислительные и логические возможности

Программное обеспечение

Системы команд

Операционные системы

Форматы данных

Алгоритмы выполнения операций

Системы программирования

Прикладное ПО

Аппаратные средства

Базовая структура системы

Организация памяти

Принципы управления

Организация взаимодействия с внешними устройствами

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), 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.

 

Основные блоки ЭВМ.

Идея создания вычислительной машины, работающей без вмешательства человека, принадлежит Ч. Бэббиджу. Его аналитическая машина должна была содержать:

u Устройство, в котором производятся все операции по обработке всех видов информации; по современной терминологии оно называетсяарифметико-логическим устройством (АЛУ).

u Устройство, обеспечивающее организацию выполнения программы обработки информации и согласованное взаимодействие всех узлов машины в ходе этого процесса – устройство управления (УУ); АЛУ и УУ являются составными частями микропроцессора.

u Устройство, предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также самой программы обработки информации; это устройство называютзапоминающим устройством (ЗУ) или памятью. Существуют различные виды памяти, в том числе оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и внешняя память на магнитных или оптических дисках.

u Разнообразные устройства, способные преобразовывать информацию в форму, доступную компьютеру – устройства ввода.

u Устройства, преобразующие результаты компьютерной обработки информации в доступную человеку форму – устройства вывода.

Указанные блоки входят в состав и современных компьютеров.

 

 

 

Классическая структура ЭВМ. Принципы фон Неймана.

Классические принципы построения ЭВМ были изложены в 1945 г. группой американских ученых, среди которых был очень известный математик и физик Джон фон Нейман. Впоследствии всем базовым принципам построения вычислительной техники стали приписывать его авторство, а архитектура с последовательным выполнением команд получила название «фон-неймановской».

Кратко сформулируем классические принципы устройства ЭВМ.

Использование двоичной системы счисления для представления чисел. В докладе Неймана были продемонстрированы преимущества двоичной системы для технической реализации узлов компьютера, удобство и простота выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать текстовую, графическую, звуковую и другие виды информации, но по-прежнему двоичное кодирование данных составляет информационную основу любого современного компьютера.

Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой команде, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Принцип однородности памяти. Программа также должна храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ей числа. С точки зрения хранения и способов обработки принципиальная разница между программой и данными отсутствует.

Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Адресом ячейки фактически является её номер; таким образом, местонахождение информации в ОЗУ также кодируется в виде чисел.

Фон Нейман с соавторами предложил структуру ЭВМ, которая полностью воспроизводилась в машинах первого и второго поколений.

 

 

устройства ввода

процессор (АЛУ, УУ)

память (ОЗУ, ПЗУ)

устройства вывода

внешняя память

Структура ЭВМ четвертого поколения

Центральный процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.

На приведенной на рис. 2.2 схеме в составе процессора выделены четыре устройства: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), регистры общего назначения (РОН) и кэш-память.

АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными.

Промежуточные результаты сохраняются в РОН. Регистровая память наиболее быстрая из всех видов памяти. Она представляет собой несколько регистров общего назначения, которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций.

Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора, путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие, используется для хранения полученных данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память и обратно.

УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т.е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

Программа – это набор команд, под действием которых работает ЭВМ. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции. Таким образом, программы состоят из команд, а при выполнении команд процессор разбивает команды на элементарные операции. Элементарными операциями для процессора являются арифметические и логические действия, перемещение данных между регистрами процессора, счет и т.д. Каждая команда выполняется в компьютере за один или несколько тактов.

Такт работы процессора – промежуток времени между соседними импульсами генератора тактовых импульсов, частота которых есть тактовая частота процессора. Эта частота является одной из основных характеристик компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в ЭВМ выполняется за определенное число тактов. Выполнениекороткой команды (арифметика с фиксированной точкой, логические операции) обычно занимает пять тактов:

1.      выборка команды;

2.      расшифровка кода операции (декодирование);

3.      генерация адреса и выборка данных из памяти;

4.      выполнение операции;

5.      запись результата в память.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. ОЗУ используется для хранения программ, а также конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора. ОЗУ – это энергозависимая память, при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют тестово-мониторные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ) и др. ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется и при выключении электропитания.

ВидеоОЗУ – оперативное запоминающее устройство, предназначенное для хранения информации, отображаемой на мониторе. Содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Объем видеопамяти зависит от характера информации (текст или графика) и от количества цветов изображения.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ, внешняя память) предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры), накопители на жестких дисках (НЖД, винчестеры), накопители на гибких дисках (НГМД), накопители на оптических дисках (CD, DVD), накопители с использованием перепрограммируемых запоминающих устройств (FLASH-память).

К устройствам ввода информации относятся: клавиатура, ручные манипуляторы мышь, трекбол, джойстик, трекпойнт, трекпад, сканер, сенсорные экраны, световое перо, информационные перчатки, шлем, джойстринг, диджитайзер, цифровая видеокамера, микрофон и др.

К устройствам вывода информации относятся: дисплей (монитор), принтер, плоттер, акустическая система (колонки) и др.

В составе современного компьютера с магистральной структурой имеется не одна, а несколько шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая – для связи с «быстрыми», а третья – с «медленными» внешними устройствами.

Существуют и другие структуры, в частности многопроцессорные, позволяющие вести параллельную обработку данных с помощью нескольких процессоров.