Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебное пособие по курсу «Информатика». Ч.2. Учебное пособие
.pdf
2.1. Архитектура и структура ЭВМ
21
2. СТРУКТУРА КОМПЬЮТЕРА
Обозначим несколько определений.
ЭВМ (компьютер) – это комплекс разнообразных технических и
программных средств, способный без вмешательства человека последовательно одна за другой выполнить длинную цепочку элементарных математических и логических операций.
Команда – это описание операции, которую должна выполнить
ЭВМ.
Система команд некоторой ЭВМ – это совокупность различных
команд, которую может выполнить данная ЭВМ.
Последовательность команд, предложенную ЭВМ для исполнения,
называют программой.
2.1. Архитектура и структура ЭВМ
Принято различать архитектуру и структуру компьютеров [12].
Под архитектурой компьютера понимается его описание на некотором
общем уровне, куда входят пользовательские возможности программирования,
системы адресации и команд, возможности организации памяти и т.д. Архитектура задает принципы действия и взаимодействие основных логических
узлов компьютера. К основным узлам компьютера относятся: процессор,
оперативная память, внешние запоминающие устройства и периферийные
устройства. Совместимость компьютеров, с точки зрения пользователя,
обеспечивается обобщенной архитектурой.
Архитектура компьютера определяется структурой и функцио-
нальными возможностями машины.
Основные функции определяют назначение ЭВМ:
обработка и хранение информации;
обмен информацией с внешними объектами.
Дополнительные функции повышают эффективность выполнения
основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог
с пользователем, высокую надежность и др.
Функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.
2. Структура компьютера
22
Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая
состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.
Компонентами 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.
2.1.1. Классическая фоннеймановская структура ЭВМ
В 1945 г. американский математик Джон фон Нейман сформулировал общие принципы функционирования компьютеров.
1. Компьютер должен иметь следующие устройства:
• арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее
арифметические и логические операции (команды);
• устройство управления (УУ), которое организует процесс вы-
полнения программ (команд);
• запоминающее устройство (ЗУ) для хранения программ (ко-
манд) и данных;
• внешние устройства (ВУ) для ввода-вывода информации.
2. Принцип программного управления: программа управляет ра-
ботой компьютера.
Программа представляет собой набор команд, которые процессор
автоматически выполняет друг за другом в заданной последовательности.
Счетчик команд и регистр УУ осуществляют выборку программы из
памяти. В регистре УУ хранится адрес очередной выполняемой команды.
3. Принцип однородности памяти: и программы, и данные хранятся в одной и той же памяти. При этом компьютер не может узнать, что
хранится в конкретной ячейке памяти: число, текст или команда. Как над
данными, так и над командами можно выполнять такие же действия.
4. Принцип адресности: основная память структурно состоит из пе-
ренумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Это дает возможность давать имена областям памяти
так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.
2.1. Архитектура и структура ЭВМ
23
Классическая фоннеймановская структура ЭВМ отражена на рис. 11.
Ввод
Вывод
Программа
Данные и
результаты
Оперативная память
Процессор
Регистр команд
Счетчик команд
Регистры операндов
Сумматор
УУ
АЛУ
Направление движения направляющих сигналов
Направление движения информации
Рис. 11. Структура фоннеймановской модели ЭВМ
Пояснения к структурной схеме:
регистр – ячейка памяти определенной длины;
сумматор – схема АЛУ, участвующая в выполнении каждой
арифметической операции;
счетчик команд – схема УУ, содержимое которой соответствует
адресу очередной выполняемой команды; счетчик команд предназначен
для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
регистр команд – это регистр УУ, он предназначен для хранения
кода команды на время, необходимое для ее выполнения. Для хранения
2. Структура компьютера
24
кода операции используется определенная часть разрядов регистра команд. Остальные разряды служат для хранения кодов адресов операндов.
2.1.2. Другие компьютерные структуры
С целью повышения быстродействия широкое распространение по-
лучили вычислительные системы.
Вычислительная система (ВС) – это взаимосвязанная совокуп-
ность аппаратных средств ВТ и программного обеспечения (ПО), предназначенная для обработки информации.
Более подробная информация о видах и возможностях вычислитель-
ных систем представлена в разд. «Вычислительные системы».
2.2. Базовая конфигурация
и структура компьютера
Рассмотрим базовую конфигурацию компьютера.
Персональный компьютер (ПК) представляет собой универсальную
техническую систему. В случае необходимости конфигурация компьютера
(состав оборудования) может быть легко изменена. Существует типовая
или базовая конфигурации ПК [1, 2], которая включает несколько уст-
ройств: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь.
В состав системного блока компьютера входят следующие устройства:
1. Материнская плата – основная плата ПК:
процессор,
микропроцессорный комплект (чипсет),
основная память (ОП),
шины и разъемы;
2. Жесткий диск;
3. Внешние носители памяти;
4. Видеокарта (видеоадаптер);
5. Звуковая карта.
На рис. 12 приведена структурная схема компьютера [12].
2.2. Базовая конфигурация и структура компьютера
25
Математический
сопроцессор
Микропроцессор
ГТИ
Интерфейс
клавиатуры
Клавиатура
Основная память Внешняя память
ПЗУ ОЗУ НЖМД НГМД
Адаптер
НЖМД
Адаптер
НГМД
Таймер
Системная шина
Видео адаптер
Видео-монитор
(дисплей)
Адаптер
принтера
Печатающее
устройство
(принтер)
Источник
питания
Сетевой
адаптер
АЛУ
Микропроцессорная
память (МПП)
УУ
Интерфейс
Канал
связи
Рис. 12. Структура компьютера
Рассмотрим назначение всех блоков и устройств, входящих в струк-
туру ЭВМ.
2.2.1. Материнская плата ПК. Системная шина
Устройства соединяют между собой шины ЭВМ. Шина – это многожиль-
ный кабель, по которому информация передается в одном или двух направлениях в зависимости от назначения.
Системная шина – это основная интерфейсная система компьютера,
обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой, которая включает в себя:
шину данных (ШД), содержащую провода и схемы сопряжения
для параллельной передачи числового кода (машинного слова) операнда.
В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32 или 64 разряда;
шину адреса (ША), которая служит для параллельной передачи
кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего
устройства. ША– однонаправленная шина;
шину управления (ШУ), служащую для передачи управляющих
сигналов, импульсов во все блоки машины. Это двунаправленная шина. Её
ширина зависит от типа шины и определяется протоколом работы шины.
2. Структура компьютера
26
Протокол работы шины выполняется контролером шины, расположенным
внутри шины, или отдельным контролером шины. Последовательность
синхронизирующих сигналов вырабатывается тактовым генератором;
шину питания, предназначенную для подключения блоков ПК к
системе энергопитания.
2.2.2. Материнская плата ПК. Микропроцессор
Микропроцессор (МП) – это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.
В состав микропроцессора входят:
устройство управления (УУ);
арифметико-логическое устройство (АЛУ);
микропроцессорная память (МПП);
интерфейсная система микропроцессора.
МП выполняет следующие функции:
1) чтение и дешифрацию команд из ОП;
2) чтение данных из ОП и регистров адаптеров ВУ;
3) прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслужива-
ние ВУ;
4) обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;
5) выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и бло-
ков ПК.
Существуют микропроцессоры нескольких видов:
CISC (Complex Instruction Set Computing) – МП с полным набором
команд (используется сейчас);
RISC (Reduced Instruction Set Computing) – МП с сокращенным
набором команд;
URISC (Ultimate RISC) – предельный случай процессора
типа RISC;
MISC (Minimum Instruction Set Computing) – МП с минимальным
набором команд и весьма высоким быстродействием (в стадии разработки).
Рассмотрим виды микропроцессоров более подробно.
CISC – концепция проектирования МП, для которых характерно:
2.2. Базовая конфигурация и структура компьютера
27
нефиксированное значение длины команды;
кодирование арифметических действий одной командой;
небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго
определённую функцию.
Достоинства МП CISC:
1) широкая распространенность.
К недостаткам данных микропроцессоров могут быть отнесены:
2) высокая стоимость аппаратной части;
3) сложности с распараллеливанием вычислений;
4) невысокое быстродействие.
Представители CISC: процессоры на основе команд x86 (кроме не-
которых гибридов)и процессоры Motorola MC680x0.
RISC – архитектура процессора, для которого характерно упроще-
ние инструкций, чтобы их декодирование было более простым, а время выполнения – меньшим.
Достоинства микропроцессоров RISC:
1) декодирование команд упрощено;
2) увеличение быстродействия.
Недостатки микропроцессоров RISC:
1) малая область применения.
Современные процессоры, начиная с Intel Pentium Pro, являются
CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой
набор внутренних инструкций RISC.
URISC – предельный случай процессора типа RISC, в котором выполняется только один тип инструкций: обычно это «вычесть и пропустить
следующую инструкцию, если вычитаемое было больше уменьшаемого».
Этот тип МП еще называют OISC (One Instruction Set Computing).
Процессоры MISC, как и процессоры RISC, характеризуются небольшим числом чаще всего встречающихся команд. Большая разрядность
процессора позволяет укладывать несколько команд в одно большое слово,
которое выполняется за один цикл работы процессора.
Как видно на рис. 12, в состав микропроцессора входят следующие
блоки:
1) устройство управления;
2. Структура компьютера
28
2) арифметико-логическое устройство;
3) микропроцессорная память;
4) интерфейсная часть микропроцессора.
Рассмотрим назначение каждого из этих блоков отдельно.
1. Устройство управления (УУ) вырабатывает управляющие сиг-
налы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки ЭВМ.
Упрощенная схема устройства управления изображена на рис. 13.
Рис. 13. Упрощенная схема устройства управления
В состав схемы устройства управления входят следующие блоки:
Регистр команд – регистр, в котором содержится код команды:
код выполняемой операции и адрес операндов, участвующих в операции.
Регистр команд расположен в интерфейсной части МП в блоке регистров
команд (РК).
Дешифратор операций – логический блок, выбирающий в соот-
ветствии с поступающими из регистра команд кодом операции (КОП) один
из множества имеющихся у него выходов.
ПЗУ микропрограмм хранит в своих ячейках управляющие сиг-
налы, необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации.
Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП)
– устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти по реквизитам, поступающим из РК.
2.2. Базовая конфигурация и структура компьютера
29
2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для
выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функциональная схема АЛУ представлена на рис. 14.
Рис. 14. Функциональная схема АЛУ
В состав схемы арифметико-логического устройства входят следующие блоки:
Сумматор – схема, выполняющая процедуру сложения поступаю-
щих на ее вход операндов.
Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины
для хранения операндов.
Схема управления принимает по кодовой шине инструкций
управляющие сигналы от УУ и преобразует их в сигналы для управления
работой регистров и сумматора АЛУ.
Регистр 1 предназначен для хранения 1-го операнда и результата
операции. Второй операнд записывается в Регистр 2. Разрядность регистра
1 обычно в два раза больше, чем разрядность регистра 2. Это связано с увеличением разрядности представления результатов некоторых арифметических операций, например, умножения целых чисел.
АЛУ выполняет операции только над целыми двоичными числами.
Выполнение операций над числами с плавающей или фиксированной запятой производится с привлечением математического сопроцессора или по
специально составленным программам.
3. Микропроцессорная память (МПП) служит для кратко-времен-
ной записи и выдачи данных, непосредственно используемых в вычислениях в ближайшие такты работы машины, ибо основная память не всегда
2. Структура компьютера
30
обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.
МПП состоит из регистров. Регистры МПП делятся на следующие
виды:
Специальные регистры применяются для хранения различных
адресов (например, адресов команд), признаков результатов выполнения
операций и режимов работы ПК.
Регистры общего назначения (РОН) являются универсальными
и могут использоваться для хранения любой информации.
4. Интерфейсная часть МП реализует сопряжение и связь с дру-
гими устройствами ПК.
Интерфейсная часть включает:
адресные регистры МПП,
узел формирования адреса,
блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП,
внутреннюю интерфейсную шину МП,
схемы управления шиной и портами ввода-вывода.
Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи
устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.
Порт ввода-вывода (I/O – Input/Output port) – аппаратура сопряже-
ния, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.
К основным параметрам процессоров относятся:
рабочее напряжение, которое обеспечивается материнской платой
(примерно 1–3 В);
разрядность (количество бит, которое МП может принять и обра-
ботать в своих регистрах за один такт) 32, 64 и выше;
рабочая тактовая частота (количество команд, которые может вы-
полнить МП в единицу времени) от 1 ГГц;
коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты (вводится
из-за несоответствия тактовых частот МП и материнской платы) 3–5 раз;
размер кэш-памяти (внутренняя сверхоперативная память МП),
имеется три уровня памяти:
1-й: выполняется в том же кристалле, что и процессор, десятки Кб;
2-й: исполняется на отдельном кристалле, до 1 Мб,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]