Принципы построения компьютера (Устройство компьютера)
ВТ прошла в своем развитии множество этапов. Несмотря на это, основные принципы устройства ЭВМ мало изменились.
Компьютер – многофункциональное электронное, программно-управляемое устройство для хранения, обработки и передачи информации.
Впервые принципы построения и функционирования ЭВМ были сформулированы в 1945 году американским ученым-математиком Джоном фон Нейманом.
Общие принципы построения компьютера по фон Нейману:
Принцип программного управления:
Программа состоит из набора команд, выполняемых процессором автоматически в определенной последовательности.
Принцип однородности памяти
Программа и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится по определенному адресу памяти – данные (число, текст) или программа. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в любой момент времени доступна любая ячейка памяти. Эти области памяти адресуются и к значениям, которые там хранятся можно обращаться или изменять их в процессе выполнения программы.
Ученый не только сформулировал принципы, но и определил состав компьютера. Основными блоками по фон Нейману являются: процессор, запоминающее устройство – (память, ЗУ) и устройства ввода и вывода.
Базовая конфигурация компьютера включает:
Системный блок (содержит главные узлы компьютера: материнскую плату, блок питания, различные типы накопителей, разъемы для подключения устройств); клавиатура; монитор; манипулятор.
Электронная начинка ПК выполнена из модулей (плат).
Основным устройством ПК является материнская плата, которая определяет его конфигурацию. Все устройства ПК подключаются к этой плате с помощью разъемов расположенных на этой плате. Соединение всех устройств в единую систему обеспечивается с помощью системной магистрали (шины), представляющей собой линии передачи данных, адресов и управления.
На материнской плате размещены наиболее важные узлы:
процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера;
шины;
оперативная память;
ПЗУ;
Разъемы для подключения различных устройств (слоты).
Архитектура эвм
Под словом архитектура будем понимать общий принцип построения и организации работы, включая определение функционального состава основных блоков, а также управляющие и информационные связи между ними, и организацию интерфейса.
Интерфейс – совокупность средств и правил, которые обеспечиваю взаимодействие устройств, программ, человека. Для устройств, интерфейс это средство сопряжения двух устройств, в котором физические и логические параметры согласуются между собой.
В настоящее время наибольшее распространение получили два типа архитектуры: принстонская (фон-неймановская) и гарвардская. Обе они выделяют два основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре команды и данные находятся в одном адресном пространстве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает раздельное хранение и передачу для команд и данных.
Существуют гибридные архитектуры, сочетающие достоинства как Гарвардской, так и фон Неймановской архитектуры. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один рабочий такт получать одновременно и команду, и данные для её выполнения. То есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но программно оно фон Неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры еще более близкими к фон Неймановской архитектуре при сохранении плюсов Гарвардской архитектуры.
Мы будем рассматривать наиболее распространенную – фон Неймановскую архитектуру.
В конструкции современных компьютеров заложен принцип открытой архитектуры. Особенностью такой архитектуры является возможность подключения новых дополнительных устройств (при условии наличия открытого детального описания логических и физических параметров) и замена (усовершенствование) отдельных узлов. Необходимо только при подключении нового устройства, установить драйвер (программа, управляющая обменом данными между устройством и процессором).