Архитектура и структура ЭВМ Лекция 4

Архитектура и структура ЭВМ Лекция № 4

Архитектура • Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратнопрограммных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач. Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Архитектура и структура ЭВМ

Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы: Архитектура и структура ЭВМ

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д. ) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства. Архитектура и структура ЭВМ

Структура современной ЭВМ Структура любого вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д. ) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Структура современного персонального компьютера (ПК) можно рассматривать на различных уровнях детализации. Если подходить к структуре ПК как к комплексу функциональных устройств, то в его состав будут входить: системный блок, устройство вывода информации - монитор, устройство ввода информации - клавиатура, устройство управления манипулятор (мышь). Все перечисленное считается базовым составом ПК. Архитектура и структура ЭВМ

БАЗОВЫЙ СОСТАВ ПК: Минимальный набор комплектующих устройств, обеспечивающих работоспособность вычислительной системы Архитектура и структура ЭВМ

Комплектация современной ЭВМ показана на рисунке: Архитектура и структура ЭВМ

Системная магистраль. Она выполняется в виде совокупности шин (кабелей), используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Количество линий в адресно-информационной шине определяется разрядностью кодов адреса и данных, а количество линий в шине управления — числом управляющих сигналов, используемых в ПК. Внутри процессора и на системной плате компьютера существуют шина данных и адресная шина. Шина данных— это система проводников и вспомогательных элементов для передачи информации в процессор и из него. Шина данных имеет разрядность. Разрядность шины данных влияет на скорость передачи информации и, следовательно, на скорость работы компьютера. Адресная шина — это система проводников и вспомогательных элементов для определения места в памяти компьютера, где хранится и куда можно занести информацию. Адресная шина также имеет разрядность. Разрядность адресной шины влияет на объем памяти, к которому может обращаться процессор. Шина расположена на системной плате. Если исключить все остальные элементы системной платы (процессор, разъемы для плат оперативной памяти, микросхемы кэш-памяти, микросхема BIOS, разъемы для плат расширения), то все остальные элементы платы и являются шиной. В настоящее время используются шины типа PCI. Архитектура и структура ЭВМ

Системный блок Являясь главным в ПК, этот блок включает в свой состав центральный микропроцессор, сопроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках и другие функциональные модули. Набор модулей определяется типом ПК. Пользователи по своему желанию могут изменять конфигурацию ПК, подключая дополнительные периферийные устройства. Архитектура и структура ЭВМ

Системная плата Основным элементом системного блока является системная плата. Рассмотрим более подробно ее состав. На системной плате располагаются следующие элементы: • процессор; • разъемы для плат оперативной памяти; • микросхемы быстрой памяти (Кэш); • микросхема базовой системы ввода-вывода (BIOS); • разъемы для плат расширения, управляющих различными устройствами (дисководами, монитором, мышкой, клавиатурой, сканером, системой лазерного диска и т. д. ); • шина расширения и адресная шина (на рисунке не показаны). Архитектура и структура ЭВМ

Внешний вид системной платы Архитектура и структура ЭВМ

ПРОЦЕССОР Ядром любой ПК является центральный микропроцессор (МП), который выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков ПК. Английское название процессора – CPU (Central Processing Unit). Архитектура и структура ЭВМ

Процессор представляет собой специально выращенный полупроводниковый кристалл, на котором располагаются транзисторы, соединенные напыленными алюминиевыми проводниками. Кристалл помещается в керамический корпус с контактами. Конструктивно МП, как правило, выполнен на одном кристалле (на одной СБИС). В состав МП входят: • центральное устройство управления, • арифметико-логическое устройство, • внутренняя регистровая память, • КЭШ-память, • схема формирования действительных адресов операндов для обращения к оперативной памяти, • схемы управления системной шиной и др. Архитектура и структура ЭВМ

Структурная схема процессора Эта схема соответствует процессорам архитектуры P 6. По этой архитектуре создавались процессоры с Pentium Pro до Pentium III. Процессоры Pentium 4 изготавливаются по новой архитектуре Intel® Net. Burst. В процессорах Pentium 4 кэш 1 -го уровня поделен на две части - кэш данных и кэш команд. Архитектура и структура ЭВМ

• Управляющий блок - управляет работой всех блоков процессора. • Арифметико-логический блок - выполняет арифметические и логические вычисления. • Регистры - блок хранения данных и промежуточных результатов вычислений - внутренняя оперативная память процессора. • Блок декодировки - преобразует данные в двоичную систему. • Блок предварительной выборки - получает команду от устройства (клавиатура и т. д. ) и запрашивает инструкции в системной памяти. • Кэш-память (или просто кэш) 1 -го уровня - хранит часто использующиеся инструкции и данные. • Кэш-память 2 -го уровня - хранит часто использующиеся данные. • Блок шины - служит для ввода и вывода информации. Архитектура и структура ЭВМ

Характеристики процессора Тактовая частота — это количество операций, которое процессор может выполнить в секунду. Т. е. чем больше операций в секунду может выполнять процессор, тем быстрее он работает. Например, процессор с тактовой частотой 40 МГц выполняет 40 миллионов операций в секунду, с частотой 300 Мг — 300 миллионов операций в секунду, с частотой 1 ГГц - 1 миллиард операций в секунду. Существует два типа тактовой частоты — внутренняя и внешняя. Внутренняя тактовая частота — это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора. Внешняя тактовая частота или частота системной шины — это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера. В многоядерных процессорах вводится понятие тактового множителя, что увеличивает характеристику тактовой частоты относительно частоты системной шины. Например, если внешняя тактовая частота процессора Intel Core 2 Duo E 6700 2. 66 ГГц(частота системной шины 1066 МГц) составляет 266 МГц, то его тактовый множитель равен 10: 266 МГц*10=2. 66 ГГц. Разрядность процессора определяется разрядностью его регистров. Компьютер может оперировать одновременно ограниченным набором единиц информации. Этот набор зависит от разрядности внутренних регистров. Разряд — это хранилище единицы информации. За один рабочий такт компьютер может обработать количество информации, которое может поместиться в регистрах. Архитектура и структура ЭВМ

Виды памяти ПК Оперативная память Оперативную память сокращенно называют ОЗУ— Оперативное Запоминающее Устройство (или поанглийски RAM — Random Access Memory — память с произвольным доступом). Оперативная память служит для того, чтобы хранить всю информацию, с которой работает компьютер. Любая программа, с которой мы собираемся работать, записывается или как говорят "загружается" в оперативную память, и в памяти хранятся все данные и результаты вычислений, которые производятся процессором во время выполнения программы. Архитектура и структура ЭВМ

Кэш-память Предназначена для ускорения операций с памятью компьютера используется быстрая кэш-память. В кэш-память записывается та часть информации оперативной памяти, которая изменяется в данный момент. Процессор прогнозирует последующие шаги при выполнении программы и заранее записывает информацию, которая для них потребуется в кэш-память. Таким образом уменьшается время поиска информации в памяти и увеличивается скорость выполнения программы. Архитектура и структура ЭВМ

Постоянно запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения информации о системе в целом. Данная информация должна быть всегда неизменной, поэтому ПЗУ снабжена автономным источником питания (батарейкой). Программный код, записанный в ПЗУ создается фирмой производителем. Для изменения настроек ввода-вывода служит BIOS — (Base Input-Output System) Базовая система ввода вывода, проводящая первоначальные операции для включения компьютера. При включении питания BIOS тестирует состояние компьютера и его элементов и затем передает управление компьютером центральному процессору. Микросхемы BIOS Архитектура и структура ЭВМ

Накопитель на жестких магнитных дисках Жесткий диск (Hard Disk) предназначен для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, различных данных. Жесткий диск — это магнитный диск, который устанавливается в системном блоке компьютера. Внешне этот диск представляет собой герметичную металлическую коробку, внутри которой расположен сам диск, магнитные головки чтениязаписи, механизмы вращения диска и перемещения головок. Архитектура и структура ЭВМ

Архитектура и структура ЭВМ

Блок питания Он обеспечивает энергопитание персонального компьютера В блоке питания располагается трансформатор, выпрямитель и охлаждающий вентилятор. Внутрь компьютера из блока питания выходит несколько комплектов проводов для подключения к электрическому питанию системной платы, жесткого диска, дисководов Архитектура и структура ЭВМ

Порты • Порты - это разъемы на задней панели системного блока компьютера, которые служат для соединения с компьютером периферийных устройств, таких как монитор, клавиатура, мышка, принтер, сканер, и т. д. Существуют следующие основные типы портов: • Параллельный порт • Последовательный порт • USB • PS/2 • AT/MIDI • Fire. Wire Архитектура и структура ЭВМ

Параллельный порт - это скоростной порт, через который сигнал передается в двух направлениях по 8 параллельным линиям. Через параллельные порты с компьютером соединяются принтеры, стриммеры и другие устройства, требующие высокую скорость передачи данных. Параллельные порты используют также для соединения двух компьютеров между собой. Архитектура и структура ЭВМ

Последовательный порт (Serial port или COM-port: Communications port) - это порт, через который данные передаются только в одном направлении в каждый момент времени. Данные передаются последовательно сериями сначала в одном, потом в другом направлении. Через последовательные порты подключаются устройства, которые не требуют высокой скорости передачи данных - мышки, клавиатуры, модемы. Скорость передачи данных через последовательный порт - 115 Кбит/сек. • На схемах параллельные порты обозначают COM 1, COM 2 и т. д. Архитектура и структура ЭВМ

• USB (Universal Serial Bus) - универсальный последовательный порт. Это порт, который позволяет подключать практически любые периферийные устройства. • В настоящее время производители периферийных устройств выпускают их в двух вариантах - с обычными для этих устройств портами (разными для разных устройств) и USB. Существуют и мышки, и клавиатуры для USB порта. • Важной особенностью USB портов является то, что они поддерживают технологию Plug and Play, т. е. при подключении устройства не требуется устанавливать драйвер для него, кроме того, порты USB поддерживают возможность "горячего подключения" - подключения при работающем компьютере. Архитектура и структура ЭВМ

• Порты PS/2 - это параллельные порты для мышки и клавиатуры. • Порт PS/2 был разработан компанией IBM в 1987 году и первоначально эти порты появились на компьютерах IBM. Эти порты и коннекторы для портов были значительно меньше по сравнению с существующими портами и коннекторами AT/MIDI, поэтому и другие производители стали использовать порты PS/2 в своих компьютерах. Порты PS/2 бывают 5 контактными и 6 контактными, но для пользователя они идентичны. Архитектура и структура ЭВМ

Внешние устройства Устройства, подключающиеся к системному блоку, называются внешними К ним относятся: • Устройства ввода информации • Устройства вывода информации • Устройства хранения информации • Устройства чтения-записи • Устройства связи Архитектура и структура ЭВМ