13. Основные принципы организации компьютера. Архитектура фон Неймана.

Основные принципы, положенные в основу вычислительной машины, которая могла бы хранить программу в своей памяти, были сформулированы американским математиком Джоном фон Неймананом в 1945 г. Принципы были сформулированы в докладе, который был разослан многим ученым и получил широкую известность.

Джон фон Нейман выделил пять базовых элементов компьютера:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ),

• устройство управления (УУ),

• запоминающее устройство,

• система ввода информации,

• система вывода информации.

14. Общая структура компьютера. Принципы Джона фон Неймана.

Общая структура комп

• Центральный процессор (ЦП) – управляет функционированием всей системы и выполняет обработку данных.

• Оперативная память (ОП) – хранит исходные данные и всю необходимую информацию для обработки данных.

• Устройства ввода-вывода (УВВ) – перемещают данные между компьютером и окружающей средой в обе стороны.

• Системные внутренние связи – некоторый механизм, обеспечивающий обмен информацией между ЦП, ОП, УВВ.

Принципы Джона фон Неймана

• Принцип двоичного кодирования.

• Принцип программного управления - ЦП выполняет программу, состоящую из набора команд.

• Принцип однородности памяти – над данными любого типа (число, текст, команда) могут быть выполнены одни и те же действия.

• Принцип адресности – ОП состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой адрес.

• Принцип линейности памяти – память имеет линейную структуру, т.е. представляет собой вектор.

15. Назначение и функции основных устройств компьютера.

Функции компьютера

Основные функции:

• обработка данных;

• хранение данных;

• перемещение данных;

• управление (возможность выполнения первых трех функций в определенной последовательности).

• Виды внутренней памяти компьютера. Назначение каждого вида.

16. Виды внутренней памяти компьютера. Назначение каждого вида.

1. Оперативная память

2. Кэш-память

3. Постоянная память

4. CMOS память

Оперативная память

ОП или ОЗУ (оперативно-запоминающее устройство) – это устройство для временного хранения данных.

ОП представляет собой набор ячеек, доступ к которым может осуществляться в произвольном порядке, поэтому память получила название RAM (Random Access Memory – память произвольного доступа).

ОП обнуляется при включении и выключении компьютера.

Память произвольного доступа

RAM (Random Access Memory – память произвольного доступа).

Оперативная память относится к категории динамической памяти DRAM (Dynamic RAM) и основывается на полупроводниковых конденсаторах, в которых информация хранится ограниченное время.

В микросхемах DRAM выполняется регенерация информации.

Микросхема DRAM имеет матричную организацию. Каждый элемент матрицы представляет собой миниатюрный конденсатор, который хранит 1 бит данных.

1. Емкость ОП измеряется в байтах.

2. В ОП адресуется каждый байт памяти. Если шина адреса - 32 разряда, то можно адресовать примерно 4,3 Гб памяти (2³²).

3. Передаваемая порция (количество битов информации, считываемое или записываемое за один цикл обращения) - слово или двойное слово.

4. Метод доступа – произвольный, т. е. считывание (запись) данных может выполняться в любой момент времени по любому адресу.

5. Время доступа – промежуток времени между моментом формирования запроса на чтение информации из ОП и моментом поступления из памяти запрошенного машинного слова;

6. Длительность цикла – минимально допустимое время между двумя последовательными обращениями к ОП.

Модификации динамической памяти

1. SDRAM (Synchronous DRAM) – синхронная динамическая память

SDRAM - это память с синхронным доступом, работающая быстрее обычной асинхронной памяти. Память SDRAM использует тактовый генератор для синхронизации всех сигналов, применяемых в микросхеме памяти.

Модули памяти с такими микросхемами получили название DIMM.

2. DDR SDRAM (Double Data Rate) – память позволяет передавать данные по обоим фронтам каждого тактового импульса, что удваивает пропускную способность памяти.

3. DDR2 SDRAM - конструктивно новый тип оперативной памяти - был выпущен в 2004 году.

Основывается на технологии DDR SDRAM, но за счет технических изменений показывает более высокое быстродействие.

Память может работать на частоте 667 МГц и 800 МГц.

Время полного доступа – 25; 11,25; 9 и 7,5 нс.

Время рабочего цикла – 5; 3,75; 3 и 3,5 нс.

4. DDR3 обеспечивает сокращение потребления энергии на 40% по сравнению с модулями DDR2.

Применяется 90-нм технология производства, что позволяет снизить эксплуатационные токи и напряжения.

Частота работы DDR3 1066 МГц , 1333 и 1600 МГц .

Кэш-память

Кэш-память – это тоже RAM память, но по принципу физической организации относится к статической памяти SRAM (Static RAM).

1. Статическая память SRAM базируется на электрических схемах (триггерах).

2. Статическая память SRAM имеет более высокое быстродействие, чем DRAM.

3. Информация в SRAM может храниться сколь угодно долго.

Кэш-память распределяют по нескольким уровням.

1. Кэш первого уровня помещается в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт.

2. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор.

Кэш-память первого и второго уровня работает на тактовой частоте, согласованной с частотой процессора (объем порядка сотен Кбайт).

3. Кэш третьего уровня располагается на материнской плате вблизи процессора, работает на частоте материнской платы, и ее объем может достигать нескольких Мбайт.

Кэш-память состоит из трех основных элементов:

• контроллер кэш-памяти;

• кэш-память данных (DataRAM);

• кэш-память адресов (TagRAM).

Процессор для получения данных обращается первоначально к TagRAM, если анализ адресов показывает, что требуемых данных в кэш-памяти нет, происходит обращение к ОП.

Постоянная память

Постоянная память или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени.

ПЗУ располагается на материнской плате и представляет собой одну микросхему.

Существует несколько видов постоянной памяти.

Виды ПЗУ

1. ROM (Read Only Memory) – память поддерживает только режимы считывания и хранения.

2. PROM (Programmable Read Only Memory) – можно однократно менять программу памяти после изготовления микросхемы.

3. EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) – можно несколько раз менять программу памяти после изготовления микросхемы с помощью специального устройства – программатора, подключаемого через какой-либо порт.

4. Flash Memory – память может быть перезаписана многократно непосредственно в компьютере. Имеет малое время доступа и малую длительность процесса стирания. В современных компьютерах используется Flash-память.

BIOS

BIOS (Basic Input Output System) – программа, хранящаяся в постоянной памяти, получает управление при включении и сбросе материнской платы (МП) и выполняет следующие действия:

• осуществляет вызов блока начальной загрузки, который переносит остальную часть операционной системы (ОС) с жесткого диска в ОП;

• запускает тестовую программу POST (Power On Self Test), которая при включении компьютера проверяет все его основные компоненты;

• обеспечивает программную поддержку стандартных устройств компьютера (клавиатуры, видеокарты, дисков, шин и др.);

• предоставляет программу CMOS Setup для установки аппаратной конфигурации компьютера.

CMOS (КМОП) память

• CMOS (КМОП) память – это энергонезависимая память, которая получила свое название по технологии изготовления (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

• Микросхема памяти питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате (МП).

• Память хранит показания системных часов, результаты диагностики POST программы, информацию о размере ОП, информацию о жестком диске: номер дисковода, количество дорожек, секторов и цилиндров.

• За информацией о жестком диске к CMOS памяти обращается BIOS при загрузке ОС.