2. Основы построения компьютерных систем
2.1. Архитектура современных компьютеров
С середины 60-х годов 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.
Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.
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. 2.
Рис.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ.
Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне реализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей 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 более важные, которые должны быть известны для более грамотного использования того или иного средства.
Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или другие 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 программного обеспечения.
2.2. Основные компоненты ПК
Основная компоновка частей компьютера и связь между ними называется архитектурой. При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.
В основу архитектуры современных компьютеров положен магистрально-модульный принцип построения. Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию и производить при необходимости, модернизацию. Модульная организация опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.
Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления.
Шина данных. По этой шине данные передаются между устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены в оперативную память, или в устройство вывода. Данные могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.
Разрядность ШД определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает. Варианты разрядности представлены на рис.3.
Оперативная память
Шина данных (8,16, 32, 64 бит)
Шина адреса (16, 20, 24, 32 бит) МАГИСТРАЛЬ
Шина управления
Устройства ввода
Долговременная
память
Устройства вывода
Сетевые устройства
Процессор
Рис. 3. Магистрально-модульное устройство компьютера.
Шина адреса. Выбор устройств или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка памяти имеют свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к памяти или устройству.
Разрядность шины данных определяет размер адресного поля процессора. Количество адресуемых ячеек памяти определяется выражением:
N = 2I
где I – разрядность ША.
Для 32-разрядного компьютера адресное пространство составляет:
N = 232 = 4 294 967 296 = 4 Гбайт
Шина управления. По шине управления передаются управляющие сигналы, которые определяют, какую операцию нужно производить: записи или считывания информации, синхронизации обмена между устройствами и т.д.
Процессор. Важнейшей характеристикой процессора, определяющей его быстродействие, является его частота, т.е. количество операций в секунду. Частота современных компьютеров измеряется в ГГц.
Другой важной характеристикой является производительность процессора. Это интегральная характеристика – зависит от частоты, разрядности и архитектурных особенностей процессора. Производительность определяется в процессе тестирования по скорости определенных операций.
Оперативная (основная) память. Входит в состав электронной памяти.
Электронная память применяется практически во всех современных вычислительных системах и делится на следующие виды:
Оперативная (основная) память (Main Memory) используется для обмена информацией между процессором, внешней памятью (постоянной или долговременной) и УВВ. Этот вид памяти называют RAM (Random Access Memory) – память с произвольным доступом или в русской интерпретации ее называют ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.
КЭШ-память (Cache Memory) – сверхоперативная память (СОЗУ), является буфером между ОЗУ и процессором. КЭШ хранит копии блоков данных тех областей ОЗУ, к которым происходили последние обращения, и весьма вероятное последующее обращение к тем же данным будет обслужено быстрее.
Полупостоянная память. Используется для хранения информации о конфигурации ВС, а также системных даты и времени. Сохранность данных обеспечивается внутренним источником питания – аккумулятором.
Основными характеристиками МП являются:
быстродействие, производительность, тактовая частота.
Единицами измерения быстродействия служат:
•МИПС (MIPC -Vega Instruction Per Second)- миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой):
•МФЛОПС (MFLOPS- Mega Floating Operations Second)- миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);
•КОПС (KOPS- Kilo Operations Per Second)-для низкопроизводительных ЭВМ - тысяча неких усредненных операций над числами;
•ГФЛОПС (GFLOPS - Gigа Floating Operations Per Second) -миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).
Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины. И так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количество тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.
Процессор
Процессор - организует процесс исполнения программ, выполняет арифметические и логические операции.
Главные характеристики процессора:
поколение, к которому он принадлежит;
тактовая частота в Мега Герцах (миллионов колебаний в секунду).
Производительность (зависит от частоты, разрядности и архитектурных особенностей процессора.
Поколения процессоров (через дефис указана тактовая частота в МГц)
Pentium (произносится Пе́нтиум) — торговая марка нескольких поколений микропроцессоров семейства x86, выпускаемых корпорацией Intel с 22 марта 1993 года. Pentium является процессором Intel пятого поколения и пришёл на смену Intel 80486 (который часто называют просто 486).
Другие процессоры, использующие марку Pentium
Процессоры Intel Pentium пользовались огромной популярностью, и Intel решила не отказываться от марки Pentium, называя так и последующие процессоры, хотя они сильно отличались от первых Pentium’ов и не относились к пятому поколению. Таковыми являются:
|
|
|
|