Тема 12. Архитектура компьютеров.

1.     1. Классическая архитектура фон Неймана

2.     2. Архитектура современных ПК

Джон Фон-Нейман  — венгеро-американский математик, физик и педагог еврейского происхождения, сделавший важный вклад в квантовую физику, квантовую логику, функциональный анализ, теорию множеств, информатику, экономику и другие отрасли науки.

Наиболее известен как человек, с именем которого связывают архитектуру большинства современных компьютеров (так называемая архитектура фон Неймана)

Джон Фон-Нейман выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ и предложил его структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. По Нейману основными блоками являются устройства управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ), обычно они объединяются в центральный процессор (память, внешняя память, устройства ввода и вывода).

Архитектура ЭВМ по Фон-Нейману:

1.     Внешнее запоминающее устройство

2.     Процессор АЛУ и УУ

3.     Оперативно-запоминающее устройство

4.     Устройство ввода

5.     Устройство вывода

Принципы Фон-Неймана:

Принцип двоичного кодирования – вся информация, поступающая в ЭВМ кодируется в двоичной системе счисления.

Принцип программного управления – программа состоит из набора команд, которые управляются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности.

Принцип однородности памяти – программа и данные хранятся в одной и той же памяти, что обеспечивает оперативную перенастройку машины с одной задачи на другую без изменений в её схеме и делает машину универсальным вычислительным инструментом; инструкции, входящие в программу закодированы в виде чисел и это даёт возможность прочесть инструкцию как число, переслать в АЛУ (арифметико-логическое устройство), произвести с ней некоторые операции и вернуть в оперативную память, таким образом при выполнении программы может происходить её модификация либо формирование новой программы.

Принцип адресности – структурно-оперативная память состоит из пронумерованных ячеек. УУ (устройству управления) в произвольный момент времени доступна любая ячейка, отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к хранящимся в них значениях можно было бы впоследствии к ним обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоения имён.

В современном компьютере к этим принципам следует добавить:

Принцип открытой архитектуры – ЭВМ состоит из отдельных блоков, совмещающихся друг с другом через стандартные разъёмы (порты, слоты).

Принцип совместимости «сверху вниз» - новые модели поддерживают и расширяют возможности более старых.

Архитектура современных ПК:  магистрально-модульный принцип.

Центральная часть компьютера – это системный блок, он не является единым целым, в нём находится ряд взаимосвязанных устройств. Основной элемент – это материнская (системная) плата, на которой смонтированы все важнейшие микросхемы; важнейшая часть материнской платы – это центральный процессор – микросхема, в которой происходит исполнение программ компьютером.

Появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам, что способствовало уменьшению размеров функциональных узлов ЭВМ и создало предпосылки для существенного роста быстродействия процесса. Возникли противоречия между высокой скоростью внутри машины и медленной работой устройств ввода/вывода. Процессор, руководивший работой внешних устройств значительную часть времени был вынужден простаивать в ожидании информации от внешних устройств, что существенно снижало бы эффективность работы ЭВМ в целом; для решения этой проблемы возникла идея освобождения центрального процессора от функций обмена и передачи этих функций специальным электронным схемам управления работой внешних устройств – «контроллерам». Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин 3-его и 4-его поколений.

Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного» ему внешнего устройства по специальным программам обмена. Таким образом, при необходимости произвести обмен, центральный процессор выдаёт задание контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия процессора.

Для связи между отдельными узлами ЭВМ используется общая шина (магистраль).

Шина – это схема, обеспечивающая передачу данных между процессором и другими устройствами. Характеристики: разрядность (бит) – максимальное количество одновременно передаваемых бит информации; частота (герц) – количество циклов срабатывания шины в единицу времени.

При обслуживании оперативной памяти перед шиной встают 2 задачи: поиск нужного участка памяти и обмен информацией с найденным участком.

Шина состоит из 3-ёх частей: шина данных, адреса и управления.

Шина данных: по ней данные передаются между разными устройствами, например, из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору на обработку, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память на хранение. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Шина адреса только определяет куда передаются данные, а процессор производит выбор устройства или ячейки памяти куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных.

Каждое устройство или ячейка памяти имеет свой адрес, он и передаётся по адресной шине, причём сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам.

Разрядность шины адреса определяет объём адресуемой памяти (адресного пространства), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти можно рассчитать по формуле: N=2I, где I – разрядность шины адреса, N – количество ячеек. Чем больше разрядность, тем к большим ячейкам можно обратиться.

Шина управления регулирует процесс обмена информацией, по ней передаются сигналы, определяющие характер обмена информации по магистрали. Сигналы управления показывают какие операции (считывание или запись) нужно производить.

Описанную схему легко дополнять новыми устройствами – это свойство называется открытостью архитектуры. Для пользователя это означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера.

Ещё одной важной особенностью структуры современных компьютеров является возможность реализовывать прямые связи между устройствами ЭВМ. Это стало возможным поскольку процессор перестал быть центром конструкции. На практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот. Режим, при котором внешнее устройство обменивается данными непосредственно с ОЗУ, без участия процессора, называется прямым процессором. Для его реализации необходим специальный контроллер.

Все блоки компьютера (их порты ввода-вывода) через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Основная память компьютера предназначена для хранения и оперативного обмена информацией между блоками компьютера. Содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ):

ПЗУ хранит неизменяемую (постоянную) программную информацию и позволяет только считывать хранящуюся в нем информацию. Здесь хранятся программы тестирования оборудования ПК, обслуживания ввода/вывода, некоторые данные и др. При выключении электропитания компьютера содержимое постоянной памяти сохраняется;

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в процессе работы ПК. Главное достоинство оперативной памяти — ее высокое быстродействие и возможность прямого обращения к каждой адресуемой группе из восьми ячеек памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). Память называется оперативной потому, что работает так быстро, что процессору почти не приходится ждать при чтении данных из памяти и записи в нее. При выключении питания ПК вся информация ОЗУ стирается. Объем установленной в компьютере оперативной памяти определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недостаточном объеме оперативной памяти многие программы либо не работают, либо работают медленно.

Внешняя память ПК относится к внешним устройствам и используется для долговременного хранения информации. Устанавливаемое и все прикладное программное обеспечение компьютера хранится во внешней памяти. К внешней памяти компьютера относятся разнообразные запоминающие устройства, но основными являются накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД). Назначение этих дисков — хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках, флешкарты и др.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) генерирует последовательность электрических импульсов. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы компьютера. Частота ГТИ — одна из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Источник питания (ИП) компьютера представляет собой блок, содержащий системы энергопитания узлов ПК.

К внешним устройствам персонального компьютера кроме внешней памяти относятся разнообразные устройства ввода/вывода информации, и основными здесь являются видеомонитор, клавиатура, мышь.

 

Состав персонального компьютера

 

Минимальный состав персонального компьютера включает системный блок, клавиатуру, монитор и мышь.

Системный блок содержит основные электронные схемы и устройства управления компьютера, устройства внешней памяти, блок питания.

Клавиатура — стандартное устройство ввода информации, передающее в компьютер символы или команды.

Монитор, или дисплей, — стандартное устройство вывода, отображения информации в форме знаков, графического и видеоизображения на электронном экране. Современные программные средства используют монитор как инструмент организации графического взаимодействия с пользователем, в частности для совместного ввода информации с помощью клавиатуры и мыши.

Мышь — устройство позиционирования указателя на экране, позволяющее без использования клавиатуры выделять, перемещать, изменять объекты, отдавать команды.

Устройства в составе компьютерной системы должны быть совместимы. Совместимость — способность различных объектов к взаимодействию. Источники и получатели информации, комплектующие устройства аппаратуры должны для выполнения операций обладать совместимостью. Совместимостью должны обладать видеомагнитофон и телевизор, элементы телефонной связи и радиосвязи. Качество, противоположное совместимости—несовместимость, конфликты при обработке информации. В компьютерной системе обработка и обмен данными выполняются при условии совместимости устройств и программ разных производителей (передать на монитор, принтер; получить от клавиатуры, мыши, модема; работать с диском).

Системный блок содержит в корпусе системную (материнскую, или основную, плату), платы расширения (контроллеры и адаптеры), различные накопители информации (жесткий диск, дисководы, приводы CD-R/RW, DVD-R/RW), блок питания. На передней панели системного блока расположены кнопки включения компьютера, с тыльной стороны находятся разъемы для подсоединения внешних устройств.