21. Архитектура эвм. Концепция фон Неймановской машины. Магистрально-модульный принцип построения компьютера.

К омпьютер – универсальное устройство для хранения, передачи и автоматической обработки информации. Архитектура – общее описание структуры и функций ЭВМ. Современный компьютер можно представить в большинстве случаев упрощенной структурной схемой, где выделены центральная и периферийная части. К центральной части относятся процессор и внутренняя память, к периферийной части - устройства ввода-вывода и внешняя память (все то, что можно подключить к «большому ящику»).

1. Состав Процессор- устройство ЭВМ, предназначено для обработки информации. Состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ). АЛУ- выполняет все арифметические действия (умножение и т.д.) и логические операции (сравнивает числа и т.д.) УУ- управляет потоками информации, направляя их между устройствами ЭВМ (что на печать, что на монитор, что в память). Позволяет выполнять инструкции программы автоматически, без вмешательства человека. Так как внешние устройства работают медленнее (принтер), чем основные (процессор), то УУ позволяет приостановить выполнение программы до завершения операции ввода-вывода данных. Наиболее известны процессоры фирмы Intel, которая начала выпуск своей серии в 1978 году, 286 – 82г, 386-85г, 486 – в 89г, PENTIUM-в93г. Фирма IBM обеспечила возможность сборки компьютера из независимо изготовленных частей. Принцип, при котором методы сопряжения различных устройств с IBM PC был стандартизован и известен и доступен всем желающим, был назван Принципом открытой архитектуры. Реализация этого принципа такова. На основной электронной плате компьютера (системной, или материнской) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации. Схемы, управляющие всеми другими устройствами компьютера - монитором, дисками и т.д., реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате. При таком подходе фирмы IBM к разработке компьютеров другие фирмы получили возможность разрабатывать различные дополнительные устройства, а пользователи - самостоятельно модернизировать и расширять возможности компьютеров по своему усмотрению. Таким образом, установка новых или замена старых устройств, входящих в состав компьютера, не представляют особых сложностей.

Модульность - это построение компьютера на основе набора модулей- электронных блоков в стандартном исполнении. Для подключения нового модуля, человеку достаточно новое устройство подключить к нужному разъему, т.к. контроллер (спец.плата) уже вмонтирован в ЭВМ, а оперативная память сама вызовет драйвер, который согласует работу нового модуля с другими устройствами ЭВМ. Организация структуры ЭВМ на модульной основе аналогична строительству блочного дома, где имеются готовые функциональные блоки, например санузел, кухня, которые устанавливаются в нужном месте.

Магистральность - это способ связи между различными модулями компьютеров, т.е. все входные и выходные устройства подсоединены одними и теми же проводами, называемыми шинами. Как в городе главной артерией является центральная улица, связывающая центр города с помощью различных улиц и переулков с домами, кварталами, районами, так и в компьютере главной артерией является магистраль, по которой происходит основное движение информации.

Контроллеры и шина. Чтобы компьютер мог работать необходимо чтобы в его ОЗУ находились программы и данные. А попадают они туда из различных внешних устройств - клавиатуры, дисководов и т.д. Результаты выполнения программ также выводят на внешние устройства - монитор, принтер, диски и т.д. Таким образом для работы компьютера необходим обмен информацией между ОЗУ и внешними устройствами. Такой обмен называют вводом-выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно: между ОЗУ и любым внешним устройством существует промежуточное звено: Контроллер или адаптер устройства- специальная электронная схема которая управляет внешним устройством .

Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессором и ОЗУ через системную магистраль передачи данных, которую обычно называют шиной. Шина- информационная магистраль (кабель, состоящий из множества проводов), осуществляющая информационную связь между устройствами. Разрядность шины- количество одновременно передаваемых по шине бит (воспринимается, как единое целое). Бывает (4,8,16,32-целая степень числа2), от неё зависит объем выделяемой памяти. Каждой шине соответствует своё адресное пространство, т.е. максимальный объем адресуемой памяти: (2¹⁶ =64 КБ;2²⁰ =1 МБ;2²⁴ =16 Мб;2³² = 4 ГБ) Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя: кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда; кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства; кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины; шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации: между микропроцессором и основной памятью; между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств; между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

• По шине данных передается обрабатываемая информация от процессора к любому устройству и обратно, т.е. эта шина является двунаправленной.

• По шине адреса – код адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Так как выбор абонента –кому послать информацию- принадлежит только процессору, то и адрес определяет только процессор, т.е. эта шина является однонаправленной.

• По шине управления передаются управляющие сигналы о характере обмена (ввод-вывод), сигналы синхронизирующие взаимодействие пары устройств, между которыми идет обмен.

В каждом компьютере присутствует контроллер портов ввода-вывода. Эти порты бывают следующих типов:

* параллельные (обозначаемые LPT1-LPT4), к ним обыкновенно подключаются принтеры.

* асинхронные последовательные (COM1-COM3), к ним обычно подсоединяют мышь, модем и.т.д.

* игровые - для подключения джойстика.

Все устройства на системной шине микропроцессор рассматривает либо как адресуемую память, либо как порты ввода-вывода. Порт- некая схема сопряжения, которая обычно включает в себя один или несколько регистров ввода-вывода (особых ячеек памяти). О совершении некоего события микропроцессор может узнать по сигналу, называемому прерыванием. При этом исполнение текущей последовательности команд приостанавливается (прерывается), а вместо нее начинает выполняться другая последовательность, соответствующая данному прерыванию.

В своем докладе Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации. Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:* арифметическо -логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;* устройство управления, которое организует процесс выполнения программы;* запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;* внешние устройства для ввода-вывода информации. Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.