Айдаров Канат Алхожаевич Архитектура компьютера Описание курса

Айдаров Канат Алхожаевич Архитектура компьютера

Описание курса Основное описание курса в силлабусе Цель: Рассмотреть основные принципы организации вычислительного процесса в компьютере. Дать слушателю представления о том, какие устройства составляют ЭВМ и как они взаимодействуют между собой и с внешними устройствами при автоматическом выполнении программы. Представить особенности реализации этого процесса в ЭВМ с классической архитектурой и в современных персональных компьютерах.

Основная структура ПК • Системный блок • Монитор • Клавиатура • Мышь • Колонки, наушники • Принтер • Сканер

Структура системного блока ØПроцессор ØМатеринская плата ØОперативная память (ОЗУ) ØВинчестер (HDD) ØВидеокарта ØЗвуковая карта ØБлок питания ØДисковод 3, 5” (FDD) ØДисковод CD/DVD-ROM ØСетевая карта ØВнутренний модем

Магистрально-модульное устройство ПК Ø Ø Ø Шина данных - шина для передачи данных между различными Шина данных устройствами. Шина адреса - шина для выбора устройства или ячейки памяти, куда Шина адреса пересылаются или откуда считываются данные по шине данных. Шина управления - шина для передачи сигналов, определяющих Шина управления характер обмена информацией по магистрали.

Процессор ÿ Процессор – устройство, выполняющее обработку данных и управляющее ПК. ü Основные характеристики процессора: 1. 2. Тактовая частота – количество тактов в секунду. Тактовая частота Разрядность – количество двоичных разрядов, которые могут Разрядность передаваться или обрабатываться процессором одновременно. Производительность – скорость выполнения определённых Производительность операций в какой-либо программной среде. 3.

Процессоры Семейство процессоров Intel Core Марка Кодовое имя Стационарные Кол-во ядер Дата выпуска Кодовое имя Мобильные Кол-во ядер Дата выпуска Core Solo [2] Версия для настольных компьютеров отсутствует Yonah 1(65 нм) Январь 2006 Core Duo[3] Версия для настольных компьютеров отсутствует Yonah 2 (65 нм) Январь 2006 Core 2 Duo Conroe Allendale Wolfdale Conroe XE Core 2 Extreme Kentsfield XE Yorkfield XE 2 (65 нм) 2 (45 нм) Август 2005 Январь 2006 Январь 2008 Merom Penryn 2 (65 нм) 2 (45 нм) Июль 2006 Январь 2008 2 (65 нм) 4 (45 нм) Июль 2006 Ноябрь 2007 Merom XE Penryn XE 2 (65 нм) 2 (45 нм) 4 (45 нм) Июль 2007 Январь 2008 Август 2008 4 (65 нм) 4 (45 нм) Январь 2007 Март 2008 Penryn 4 (45 нм) Август 2008 Merom-L Penryn-3 M 1 (65 нм) 1 (45 нм) Arrandale 2 (32 нм) Сентябрь 2007 Май 2008 1 -й квартал 2010 Arrandale 2 (32 нм) 1 -й квартал 2010 Clarksfield Arrandale 4 (45 нм) 2 (32 нм) Сентябрь 2009 1 -й квартал 2010 Core 2 Quad Kentsfield Yorkfield Core 2 Solo Версия для настольных компьютеров отсутствует Core i 3 Clarkdale 2 (32 нм) Core i 5 Lynnfield Clarkdale 4 (45 нм) 2 (32 нм) Core i 7 Bloomfield Lynnfield 4 (45 нм) Core i 7 Bloomfield Extreme Edition Gulftown 4 (45 нм) 6 (32 нм) 1 -й квартал 2010 Сентябрь 2009 1 -й квартал 2010 Ноябрь 2008 Сентябрь 2009 Ноябрь 2008 2 -й квартал Clarksfield 4 (45 нм) 2010 Список микропроцессоров Intel Сентябрь 2009

Материнская(системная) плата ØОсновным аппаратным компонентом компьютера является системная плата. На системной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъёмы для установки процессора и оперативной памяти, а также слоты для установки контроллеров внешних устройств.

Устройства долговременной памяти (ПЗУ) Наименование устройства Информационная ёмкость Опасные воздействия 1, 4 Мбайт Магнитные поля; высокая температура HDD 500 Гбайт Удары при установке и эксплуатации CD-R/RW диск 700 Мбайт Царапины; загрязненеия DVD-R/RW диск 8, 5 Гбайт Царапины; загрязненеия FDD Flash-память 8 Гбайт Неправильное отключение

Устройства ввода информации Клавиатура – устройство ввода текстовой и числовой информации. Графический планшет – устройство для рисования и ввода рукописного текста. Сканер – устройство для преобразования графической Сканер информации из аналоговой формы в цифровую. Цифровая камера – устройство для получения фото и камера видео непосредственно в цифровом формате. Микрофон + звуковая карта – устройство для перевода карта звука из аналоговой формы в цифровую. Мышь, трекбол, джойстик – манипуляторы. джойстик

Устройства вывода информации Монитор – устройство для вывода текстовой, числовой и графической информации. Принтер – устройство для вывода на бумагу текстовой, Принтер числовой и графической информации. Акустические колонки и наушники – устройства для вывода звука. наушники

Сетевые устройства Сетевой адаптер – устройство для передачи и приёма информации адаптер по сети. Модем – устройство для передачи, модуляции и демодуляции Модем информации. Витая пара – устройство для соединения компьютеров в ЛС. пара

Развитие вычислительной техники. Классы ЭВМ Цель лекции: Дать представление об истории развития вычислительной техники, о различных классах ЭВМ. Задачи лекции: ü Познакомить с историей развития вычислительной техники. ü Познакомить с различными поколениями ЭВМ ü Рассмотреть классификацию ЭВМ по сферам применения

Содержание лекции: 1. История развития вычислительной техники 2. Поколения ЭВМ 3. Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования 4. Список учебной литературы

История развития вычислительной техники 1/3 В истории вычислительной техники можно выделить три не равные по длительности этапа. Первый этап – от глубокой древности до появления первых электронных вычислительных машин. В это время создавались различные устройства и методы, облегчавшие счет, вычисления. Началом второго этапа явилось создание в середине XX в. первой цифровой вычислительной машины, работавшей на основе тех же принципов, что и современные компьютеры. Вычислительная техника на этом этапе еще не стала массовой. Третий этап, начавшийся в 1980 -х годах с создания персонального компьютера, продолжается в настоящее время. Вычислительная техника получила массовое распространение. Так же, как в прошлом цивилизованный человек был обязан уметь читать и писать, современный человек обязан владеть навыками использования вычислительной техники. Вопросы

Поколения ЭВМ 1/7 Доэлектронный период Первое поколение ЭВМ (1948 - 1958 гг. ) Второе поколение ЭВМ (1959 - 1967 гг. ) Третье поколение ЭВМ (1968 - 1973 гг. ) Четвертое поколение ЭВМ (1974 - 1982 гг. ) Вопросы Пятое поколение ЭВМ

Поколения ЭВМ 2/7 Первое поколение 1) Тип ЭВМ - большие ламповые. 2) Цель использования компьютера - научнотехнические расчеты. 3) Режим работы компьютера – однопрограммный. 4) Интеграция данных – низкая. 5) Основные средства наложения информации - перфокарты, перфоленты, магнитные ленты. 6) Ключевые решения в обработке информации - английский язык программирования. 7) Тип пользователя - инженеры-программисты. 8) Расположение пользователя - машинный зал. Вопросы

Поколения ЭВМ 3/7 Второе поколение 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) Тип ЭВМ - большие ламповые. Цель использования компьютера - технические и экономические расчеты. Режим работы компьютера – пакетная обработка. Интеграция данных – средняя. Основные средства наложения информации - перфокарты, перфоленты, магнитные диски. Ключевые решения в обработке информации – ОС, оптимизированные трансляторы. Тип пользователя – профессиональные программисты. Расположение пользователя – отдельное помещение. Вопросы

Поколения ЭВМ 4/7 Третье поколение 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) Тип ЭВМ – мини-ЭВМ. Цель использования компьютера - управление и экономические расчеты. Режим работы компьютера – разделение времени. Интеграция данных – высокая. Основные средства наложения информации - перфокарты, перфоленты, магнитные диски. Ключевые решения в обработке информации – интерактивные ОС, структурированные ЯП, компьютерные сети. Тип пользователя – программисты. Расположение пользователя – терминальный зал. Вопросы

Поколения ЭВМ 5/7 Четвертое поколение 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) Тип ЭВМ – персональный. Цель использования компьютера – управление, предоставление информации. Режим работы компьютера – персональная работа. Интеграция данных – очень высокая. Основные средства наложения информации – оптические, гибкие, жесткие диски. Ключевые решения в обработке информации – технология автоматизации профессиональных знаний. Тип пользователя – пользователи с общей компьютерной подготовкой. Расположение пользователя – рабочий стол. Вопросы

Поколения ЭВМ 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 6/7 Пятое поколение Тип ЭВМ – ПК в сети. Цель использования компьютера – телекоммуникации, информационное обслуживание. Режим работы компьютера – сетевая обработка. Интеграция данных – сверхвысокая. Основные средства наложения информации – оптические, гибкие, жесткие диски. Ключевые решения в обработке информации – коллективный доступ к информационным ресурсам, информационная безопасность. Тип пользователя – мало обученные пользователи. Расположение пользователя – произвольное, мобильное. Вопросы

Поколения ЭВМ 7/7 Контрольные вопросы 1) Классификация ЭВМ по поколениям. 2) Назовите характеристики ЭВМ первого поколения. 3) Назовите характеристики ЭВМ второго поколения. 4) Назовите характеристики ЭВМ третьего поколения. 5) Назовите характеристики ЭВМ четвертого поколения. 6) Назовите характеристики ЭВМ пятого поколения.

Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования 1/10 Супер. ЭВМ Основное назначение: предназначена для высоко- скоростного выполнения при кладных процессов. Основные технические данные: Имеет скалярные и векторные процессоры. Совместная работа процессоров основывается на различных архитектурах. Вопросы

Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования Супер-мини. ЭВМ Основное назначение: Многопультовые вычислительные системы. Основные технические данные: Мультипроцессорная архитектура, позволяющая подключение до нескольких сот терминалов (наличие наращиваемых запоминающих устройств). Вопросы 2/10

Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования 3/10 Большие ЭВМ (мэйнфреймы) Основное назначение: Обработка больших объемов данных крупных предприятий. Основные технические данные: Мультипроцессорная архитектура, позволяющая подключение нескольких сот рабочих мест. Вопросы

Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования 4/10 Мини-ЭВМ Основное назначение: Системы управления предприятиями. Основные технические данные: Однопроцессорная архитектура, разветвленная система периферийных устройств (ограниченные возможности, обработка слов меньшей длины и т. д. ) Вопросы

Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования 5/10 Рабочие станции Основное назначение: Системы автоматизированного проектирования, системы автоматизации эксперимента, индустриальные процессы и др. Основные технические данные: Высокое быстродействие процессора, емкость оперативного запоминающего устройства 32 -64 Мбайт, специализированная система периферийных устройств. Вопросы

Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования 6/10 Микро. ЭВМ (ПК) Основное назначение: Индивидуальное обслуживание пользователей. Основные технические данные: Центральный блок с одним или несколькими процессорами, монитор, акустическая система, клавиатура, электронное перо с планшетом, устройство ввода информации, принтеры, жесткие диски, гибкие диски, магнитные ленты, оптические диски и пр. Вопросы

Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования 7/10 Переносной ПК «наколенник» Основное назначение: Индивидуальное обслуживание пользователей. Основные технические данные: Малогабаритный книжного размера портативный вариант стационарного персонального компьютера. Вопросы

Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования 8/10 Блокнотный ПК, ноутбук Основное назначение: Индивидуальное обслуживание пользователей. Основные технические данные: Модели могут иметь процессор, оперативную память до 96 Мбайт, жесткий диск до 9 Гбайт, встроенный компактдиск и факс-модем, дисплей жидкокристаллический, время работы от собственного источника питания от 2 до 8 ч. Вопросы

Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования 9/10 Карманный компьютер «наладонник» Основное назначение: Индивидуальное обслуживание пользователей. Основные технические данные: Оперативная память выполняет функцию долговременной памяти, размером в несколько Мбайт. Жесткий диск отсутствует. Работает под управлением Windows CE, имеет интерфейс с другими компьютерами, встроенные интегрированные системы, жидкокристаллический дисплей. Вопросы

Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования Контрольные вопросы 1) Классификация ЭВМ по сферам применения и методам использования. 2) Назовите отличительные черты суперкомпьютеров. 3) Назовите отличительные черты больших ЭВМ. 4) Назовите отличительные черты мини-ЭВМ. 5) Назовите отличительные черты рабочих станций. 6) Назовите отличительные черты ПК. 1/10

Принципы организации компьютера • В основе строения ПК лежат два важных принципа: Øмагистрально-модульный принцип и Øпринцип открытой архитектуры.

магистрально-модульный принцип • Все части и устройства изготавливаются в виде отдельных блоков, информация между которыми передаётся по комплекту соединений, объединённых в магистраль. При этом общую схему ПК можно представить в следующем виде:

открытая архитектура • Второй принцип построения ПК –– предполагает возможность сборки компьютера из независимо изготовленных частей, доступную всем желающим (подобно детскому конструктору).

• Многие необходимые дополнительные устройства интегрированы в современные материнские (системные) платы: • сетевая карта, • внутренний модем, • сетевой адаптер беспроводной связи Wi-Fi, • контроллер IEEE 1394 для подключения цифровой видеокамеры, • звуковая плата и др. Раньше эти устройства подключались к материнской плате с помощью слотов расширения и разъемов.

Чипсет. Важнейшей частью материнской платы является чипсет. Современные компьютеры содержат две основные большие микросхемы чипсета • 1. контроллер-концентратор памяти, или Северный мост, который обеспечивает работу процессора с оперативной памятью и с видеоподсистемой; 2. контроллер-концентратор ввода/вывода, или Южный обеспечивающий работу с внешними устройствами. мост,

Пропускная способность шины. • Быстродействие процессора, оперативной памяти и периферийных устройств существенно различается. • Быстродействие устройства зависит от тактовой частоты обработки данных (измеряется в МГц) и разрядности, т. е. количества битов данных, обрабатываемых за один такт. (Такт — это промежуток времени между подачами электрических импульсов, синхронизирующих работу устройств компьютера. ) • Соответственно, скорость передачи данных (пропускная способность) соединяющих эти устройства шин также должна различаться. • • пропускная способность шины = =разрядность шины × частота шины.

Системная шина • Между Северным мостом и процессором данные передаются по системной шине (FSB от англ. Front. Side Bus). Однако между Северным мостом и процессором эффективная частота передачи данных в 4 раза выше. Если частота системной шины 400 МГц, то процессор может получать и передавать данные с частотой 400 МГц • 4 = 1600 МГц. • Так как разрядность системной шины равна разрядности процессора и составляет 64 бита, то пропускная способность системной шины равна: • 64 бита • 1600 МГц = 102400 Мбит/с = = 100 Гбит/с = 12, 5 Гбайт/с.

Частота процессора. • количеством бит, которые процессор может обработать одновременно; • В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. • Например, в современных процессорах используется коэффициент умножения частоты 8. • Это означает, что процессор за один такт шины способен генерировать 8 своих внутренних тактов и, следовательно, частота процессора составляет 400 МГц • 8 = 3200 МГц = 3, 2 ГГц.

Шина памяти • Обмен данными между северным мостом и оперативной памятью производится по шине памяти, частота которой может быть больше (например, в 4 раза), чем частота системной шины. У современных модулей памяти частота шины памяти может составлять 400 МГц • 4 = 1600 МГц, • Т. е. оперативная память получает данные с такой же частотой, что и процессор. Так как разрядность шины памяти равна разрядности процессора и составляет 64 бита, то пропускная способность шины памяти также равна: • 64 бита • 1600 МГц = 102 400 Мбит/с == 100 Гбит/с = = 12, 5 Гбайт/с = 12 800 Мбайт/с.

Шина PCI Express связывает видеопамять с процессором и оперативной памятью. Пропускная способность этой шины может достигать 32 Гбайт/с. • К видеоплате с помощью аналогового разъема VGA или цифрового разъема DVI подключается монитор или проектор.

Шина SATA Устройства внешней памяти (жесткие диски, CD- и DVDдисководы) подключаются к южному мосту по шине SATA (англ. Serial Advanced Technology Attachment — последовательная шина подключения накопителей), скорость передачи данных по которой может достигать 300 Мбайт/с.

Шина USB Для подключения принтеров, сканеров, цифровых камер и других периферийных устройств обычно используется шина USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина). Эта шина обладает пропускной способностью до 60 Мбайт/с и обеспечивает подключение к компьютеру одновременно до 127 периферийных устройств

Увеличение производительности процессора. • Увеличение производительности процессоров за счет увеличения частоты имеет свой предел из-за тепловыделения. • Выделение процессором теплоты Q пропорционально потребляемой мощности Р, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату частоты v : Q~ Р~ • Увеличение производительности процессора, а значит и компьютера, достигается за счет увеличения количества ядер процессора (арифметических логических устройств). • место одного ядра процессора используются два или четыре ядра, что позволяет распараллелить вычисления и повысить производительность процессора.

Вопросы. • • В чем состоит магистрально-модульный принцип построения компьютера? Какие устройства обмениваются информацией через Северный мост? Какие устройства обмениваются информацией через Южный мост? В каком направлении развивается архитектура процессоров?

Практическая работа 1 Цель работы. Научиться получать сведения об архитектуре компьютера и отдельных его устройствах.

Программы-Si. Software Sandra Для данного компьютера получим: одно ядро; • частота процессора — 2, 68 ГГц; • частота системной шины — 100 МГц; • коэффициент умножения частоты процессора — 20.