Архитектура ЭВМ Компьютер (англ. computer вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами. Существует два основных класса компьютеров: • цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде числовых двоичных кодов; • аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т. д. ), которые являются аналогами вычислительных величин. 1
Архитектура ЭВМ Основу компьютеров образует аппаратура (Hard. Ware), построенная основном с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (Soft. Ware) – заранее заданных, четко определенных последовательностей арифметических, логических и других операций. 2
Архитектура ЭВМ Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд. Команда – это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условной обозначение), исходные данные (операнды) и результат. Команда — двоичный код, который определяет действие вычислительной системы по выполнению какой либо операции. Операция — комплекс технологических действий, совершаемых над информацией по одной из команд программы. Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера. 3
Архитектура ЭВМ Основными операциями при обработке информации на ЭВМ являются арифметические и логические. Арифметические операции включают в себя все виды математических действий, обусловленных программой, над целыми числами, дробями и числами с плавающей запятой. Логические операции обеспечивают действия над логическими величинами с получением логического результата. 4
Архитектура ЭВМ В вычислительных системах последовательность действий, составляющих задачу обработки информации, называют процессом. Процесс определяется соответствующей программой, набором данных, которые в ходе реализации процесса могут считываться, записываться и использоваться, а также совокупностью сведений, определяющих состояние ресурсов ЭВМ, предоставленных процессу Например, у команды «сложить два числа» операндами являются слагаемые, а результатом – их сумма. А у команды «стоп» операндов нет, а результатом является прекращение работы программы. Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера. 5
Архитектура ЭВМ Главные устройства компьютера: • память (запоминающее устройство ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек; • процессор, включающий устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ); • устройство ввода; • устройство вывода. Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация. 6
Архитектура ЭВМ Цветными стрелками показаны пути и направления движения информации, а черными стрелками – пути и направления передачи управляющих сигналов. 7
Архитектура ЭВМ • • • Функции памяти: прием информации из других устройств; запоминание информации; выдача информации по запросу и другие устройства машины. Функции процессора: • обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций; • программное управление работой устройств компьютера. Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметически логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции устройства управления, - устройством управления (УУ). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены. 8
Архитектура ЭВМ В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции, например, «вырезать» отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд). 9
Архитектура ЭВМ Регистр представляет собой совокупность триггеров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например: сумматор – регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции (принцип рассмотрен далее); счетчик команд – регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательности ячеек памяти; регистр команд – регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные – для хранения кодов адресов операндов. 10
Архитектура ЭВМ Принципы построения компьютера: • принцип программного управления: Программа состоит из набора команд, выполняющихся автоматически в определенной последовательности. ; • принцип однородности памяти: Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. ; • принцип адресности: Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. 11
Архитектура ЭВМ Принцип программного управления Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой то другой, используются команды условного или безусловного перехода, которые заносят в счетчик команды номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп» . Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека. 12
Архитектура ЭВМ Принцип условного перехода: команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые меняют последовательное выполнение команд в зависимости от значений данныхю. 13
Архитектура ЭВМ Принцип однородности памяти • Принцип размещения программы в памяти: программа, требуемая для работы ЭВМ, предварительно размещается в памяти компьютера, а не вводится команда за командой. • Принцип иерархии памяти: память ЭВМ неоднородна. Для часто используемых данных выделяется память меньшего объема, но большего быстродействия; для редко используемых данных выделяется память большего объема, но меньшего быстродействия. • Принцип двоичной системы счисления: для внутреннего представления данных и программ в памяти ЭВМ применяется двоичная система счисления, которую можно проще реализовать технически. 14
Архитектура ЭВМ Компьютеры, построенные на перечисленных принципах, относятся к типу фон-неймовских. Но существую компьютеры, принципиально отличающиеся от фон неймовских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам необязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не фон-неймовские. 15
Архитектура ЭВМ Рисунок 2 – Схема Принстонской машины 16
Архитектура ЭВМ Рассмотрим назначение отдельных элементов этой схемы и их взаимосвязь в процессе функционирования ЭВМ. Через устройство ввода (УВв) в память (П) вводится программа — набор команд, предписывающих ЭВМ выполнять требуемые действия (на схеме связь 1). При вводе программы (а позже и данных) выполняется отображение вводимой информации во внутреннее представление, принятое в ЭВМ. 17
Архитектура ЭВМ После размещения программы в памяти устройство управления (УУ) выбирает последовательно команду за командой из памяти (связь 2) и интерпретирует ее по следующим правилам: • если выбранная команда является командой ввода данных, УУ посылает управляющий сигнал (связь 3) в УВв для, начала ввода данных. Данные также вводятся по связи 1 и размещаются в памяти П; 18
Архитектура ЭВМ • если выбранная команда связана с выполнением арифметических или логических операций, то в память П из УУ посылается сигнал (связь 4) на выборку указанных в команде данных с последующей их пересылкой в арифметико логическое устройство (АЛУ) (связь 5), а в само АЛУ передается сигнал с кодом нужной операции (связь 7). Выполняет арифметические и логические действия над переданными операндами. После выполнения требуемых действий, АЛУ возвращает результат в память П (связь 6), если выбранная команда является командой вывода, УУ генерирует управляющий сигнал устройству вывода (УВыв) (связь 8) на начало операции по выводу данных. Сами данные выбираются из памяти П по связи 9. выводит информацию из ЭВМ и преобразует ее из внутреннего представления во внешнее. 19
Архитектура ЭВМ В соответствии с принципом иерархии памяти блок Память на делится на два блока — внешняя и внутренняя память. Внешняя память традиционно отводится для долговременного хранения данных и программ. А сама оперативная обработка данных в соответствии с программой, как это было рассмотрено выше, выполняется во внутренней памяти. 20
Классификация ЭВМ По назначению выделяют следующие виды компьютеров: • универсальные ; • проблемно-ориентированные; • специализированные. 21
Классификация ЭВМ Универсальные ЭВМ предназначены для решения различных задач, типы которых не оговариваются. Эти ЭВМ характеризуются: • разнообразием форм обрабатываемых данных (числовых, символьных и т. д. ) при большом диапазоне их изменения и высокой точности представления; • большой емкостью внутренней памяти; • развитой системой организации информации, обеспечивающей разнообразных устройств ввода вывода подключение 22
Классификация ЭВМ Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных, выполнением расчетов по несложным правилам. Они обладают ограниченным набором аппаратных и программных средств. 23
Классификация ЭВМ Специализированные ЭВМ применяются для решения очень узкого круга задач. Это позволяет специализировать их структуру, снизить стоимость и сложность при сохранении высокой производительности и надежности. К этому классу ЭВМ относятся компьютеры, управляющие работой устройств ввода вывода и внешней памятью в современных компьютерах. Такие устройства называются адаптерами, или контроллерами. 24
Классификация ЭВМ По размерам и функциональным возможностям различают четыре вида компьютеров: • супер. ЭВМ, • большие, • малые • микро. ЭВМ. 25
Классификация ЭВМ Супер. ЭВМ являются мощными многопроцессорными компьютерами с огромным быстродействием. Многопроцессорность позволяет распараллеливать решение задач и увеличивает объемы памяти, что значительно убыстряет процесс решения. Они часто используются для решения экспериментальных задач, например, для проведения шахматных турниров с человеком. Большие ЭВМ (их называют мэйнфреймами от англ. mainframe) характеризуются многопользовательским режимом (до 1000 пользователей одновременно могут решать свои задачи). Основное направление — решение научно технических задач, работа с большими объемами данных, управление компьютерными сетями и их ресурсами. 26
Классификация ЭВМ Малые ЭВМ используются как управляющие компьютеры для контроля над технологическими процессами. Применяются также для вычислений в многопользовательских системах, в системах автоматизации проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта. 27
Классификация ЭВМ По назначению микро. ЭВМ могут быть универсальными и специализированными. По числу пользователей, одновременно работающих за компьютером — много и однопользователь ские. Специализированные многопользовательские микро. ЭВМ (серверы. — от англ. server) являются мощными компьютерами, используемыми в компьютерных сетях для обработки запросов всех компьютеров сети. Специализированные однопользовательские (рабочие станции — workstation, англ. ) эксплуатируются в компьютерных сетях для выполнения прикладных задач. Универсальные многопользовательские микро. ЭВМ являются мощными компьютерами, оборудованными несколькими терминалами. Универсальные однопользовательские микро. ЭВМ общедоступны. К их числу относятся персональные компьютеры — ПК. Наиболее популярным представителем ПК в нашей стране является компьютер класса IBM PC (International Business Machines — Personal Computer). 28
Классификация ЭВМ По конструктивным особенностям: 29
Классификация ЭВМ Переносные компьютеры обычно нужны руководителям предприятий, менеджерам, ученым, журналистам, которым приходится работать вне офиса — дома, на презентациях или во время командировок. Notebook (блокнот, записная книжка) по размерам ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Помещается в портфель дипломат. Для связи с офисом его обычно комплектуют модемом. Ноутбуки зачастую снабжают приводами CD ROM. Многие современные ноутбуки включают в себя взаимозаменяемые блоки со стандартными разъемами. Такие модули предназначены для очень разных функций. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съемный винчестер. Ноутбук устойчив к сбоям в энергопитании. Даже если он получает энергию от обычной электросети, в случае какого либо сбоя он мгновенно переходит на питание от аккумуляторов. 30
Классификация ЭВМ Palmtop (наладонник) — самые маленькие современные персональные компьютеры. Умещаются на ладони. Магнитные диски в них заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках — обмен информацией с обычными компьютерами идет по линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник (Personal Digital Assistant). 31
Архитектура и структура ЭВМ Архитектурой компьютера называют его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации связи, организации памяти и т. д. Архитектура определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. 32
Архитектура и структура ЭВМ Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. 33
Скачать презентацию Архитектура ЭВМ Компьютер англ computer вычислитель представляет собой
Архитектура ЭВМ.pptx