Архитектура универсальной эвм с последовательным выполнением команд. Функциональное назначение, физические принципы действия и организация основных блоков.
Основы учения об архитектуре
вычислительных машин заложил выдающийся
американский математик Джон фон Нейман.
Использование двоичной системы
для представления чисел имеет преимущества
для технической реализации, удобство
и простоту выполнения в ней арифметических
и логических операций. В дальнейшем ЭВМ
стали обрабатывать и нечисловые виды
информации – текстовую, графическую,
звуковую и другие, но двоичное кодирование
данных по-прежнему составляет
информационную основу любого современного
компьютера.
Еще одной поистине
революционной идеей, значение которой
трудно переоценить, является предложенный
Нейманом принцип "хранимой программы”.
Нейман первым догадался, что программа
может также храниться в виде набора
нулей и единиц, причем в той же самой
памяти, что и обрабатываемые ею числа.
Отсутствие принципиальной разницы
между программой и данными дало
возможность ЭВМ самой формировать для
себя программу в соответствии с
результатами вычислений.
Фон
Нейман не только выдвинул основополагающие
принципы логического устройства ЭВМ,
но и предложил ее структуру, которая
воспроизводилась в течение первых двух
поколений ЭВМ. Основными блоками по
Нейману являются устройство управления
(УУ) и арифметико-логическое устройство
(АЛУ) (обычно объединяемые в центральный
процессор), память, внешняя память,
устройства ввода и вывода. Следует
отметить, что внешняя память отличается
от устройств ввода и вывода тем, что
данные в нее заносятся в виде, удобном
компьютеру, но недоступном для
непосредственного восприятия человеком.
Так, накопитель на магнитных дисках
относится к внешней памяти, а клавиатура
– устройство ввода, дисплей и печать –
устройства вывода.
Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже. Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров "многоярусно” и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти. В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти. из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры. Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название "фон-неймановской архитектуры”. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины). По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.
Конструктивное устройство современной ПЭВМ: - основные узлы и их функциональное назначение. Схемотехнические элементы компьютера: - генплата, микропроцессор (МП), комплект интегральных микросхем окружения (Chipset). Микросхемы памяти (ОЗУ) и их типы. Контроллеры и адаптеры. Органы управления и внешние интерфейсы.
Основные узлы ЭВМ.
Основными
узлами ЭВМ являются :
- центральный
процессор (ЦП)
(ЦП) = (УУ) + (АЛУ)
-
оперативная память (ОЗУ)
- постоянное
запоминающее устройство (ПЗУ)
-
внешняя память (ВЗУ)
- устройства
Ввода (УВв)
- устройства Вывода
(УВыв)
Все устройства ЭВМ
подсоединены к единой
ИНФОРМАЦИОННОЙ
ШИНЕ
Материнская
плата является основой системного
блока, определяющей архитектуру и
производительность компьютера. На ней
устанавливаются следующие обязательные
компоненты:
Процессоры
Память постоянная(BIOS), оперативная
Микропроцессорный комплект(чипсет – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы.).
Системные шины
Разъемы для подключения дополнительных устройств(слоты)
Существуют и системные платы с интегрированными видео- и аудиоустройствами, адаптером локальной сети и прочими, обеспечивающими полную функциональность компьютера без всяких карт расширения. Системная шина: - это интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Микропроцессор(Central Processing Unit) – функционально законченное программно-управляемое устройство, обработка информации в котором управляется в виде БИС или СБИС. Микропроцессор выполняет:
Чтение и дешифрацию команд из основной памяти
Чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств
Прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств
Обработка данных и их запись основную память и регистр адаптеров внешних устройств
Выработка управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков PC
Группы микропроцессоров:
CISC(Complex Instruction Set Computing) – полный набор команд
RISC(Reduced Instruction Set Computing ) – сокращенный набор команд – рабочие станции, сервера
ОЗУ – служит для оперативной записи и хранения, считывания данных, непосредственно участвующих в информационно-вычислительном процессе. Является энергозависимой, после выключения питания никакие данные в ней не сохраняются. Семейство ОЗУ содержит два важных типа запоминающих устройств: статическое ОЗУ (SRAM) и динамическое ОЗУ (DRAM). Главное различие между ними – это долговечность хранимых ими данных. SRAM сохраняет свое содержимое до тех пор, пока к микросхеме подается энергия. Если же энергия отключена, или временно отсутствует, содержимое чипа будет потеряно навсегда. DRAM, с другой стороны, имеет чрезвычайно короткий период продолжительности работы данных – обычно около четырех миллисекунд, даже если энергия подается непрерывно. Словом, SRAM имеет все свойства памяти, с которыми ассоциируется слово RAM. В сравнении с ней, DRAM кажется, как будто бы, бесполезной. Сама по себе, она таковой и является. Однако можно использовать простой элемент конструкции, именуемый контроллером DRAM, для того, чтобы DRAM вела себя скорее как SRAM. Работа контроллера DRAM заключается в периодическом обновлении данных, хранящихся в DRAM. Обновляя данные до того, как они исчезнут, содержимое памяти может сохраняться так долго, как это необходимо. Таким образом, DRAM так же эффективна, как и SRAM. Контроллер— устройство управления в электронике и вычислительной технике. Контроллер прерываний (КП). Таймер и ЧРВ, контроллеры шины и памяти, системный и периферийный контроллеры, кэш-контроллеры. Устройство управления (УУ) -- формирует и подает во все блоки машины управляющие импульсы; выдает адреса требуемых ячеек памяти, и передает их в другие блоки ЭВМ.