Янош Лайош Нейман Архитектура и аппаратное обеспечение ЭВМ

Архитектура вычислительной машины — структура и принципы работы ЭВМ 1. • От первых PC • до современных

Заказ АНБ Принстонскому и Гарвардскому Университетам: наилучшая архитектура ЭВМ. «Под Божьей властью процветает» • «Истина»

ENIAC & UNIVAC_

Архитектура фон Неймана 1946 г. : Артур Бёркс, Герман Голдстайн, Джон фон Нейман «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства»

• Джон фон Нейман (1903 — 1957) — венгро-американский математик • Артур Бёркс (1915 – 2008) - американский математик • Герман Голдстайн (1913 – 2004) математик, computer scientist (информатик) и научный администратор

Принципы фон Неймана: • Принцип использования двоичной системы: для представления данных и команд используется двоичная система счисления. • Принцип однородности памяти: программы (состоящие из команд) и данные хранятся в одной и той же памяти. • Принцип адресуемости памяти: память состоит из пронумерованных ячеек; процессору доступна любая ячейка. • Принцип программного управления: все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой, в последовательности, определяемой программой.

Архитектура ЭВМ (по фон Нейману) процессор АЛУ устройства ввода потоки информации УУ память устройства вывода управляющие сигналы АЛУ – арифметико-логическое устройство (выполнение команд и вычисления) УУ – устройство управления

Открытая архитектура — архитектура компьютера, периферийного устройства или же программного обеспечения, на которую опубликованы спецификации, что позволяет другим производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с такой архитектурой . • Тип Персональный компьютер (IBM PC) • Выпущен 12/8/1981 • Выпускался по 2 /4/ 1987 • Процессор Intel 8088, 4, 77 МГц • Память 16– 640 КБ • ОС IBM BASIC / PC-DOS 1. 0

Аппаратное обеспечение (hardware) включает в себя все физические части (все «железо» ) компьютера.

Устройство персонального компьютера. Базовая конфигурация • • системный блок; монитор; клавиатура; мышь.

СИСТЕМНЫЙ БЛОК В системном блоке: • материнская плата с установленными на ней процессором, памятью, слотами; • внешняя память: жёсткие диски, накопители на оптических дисках, накопители USB-флеш и т. п. ; • блок питания; • корпус: фронтальная (передняя), задняя и боковые панели.

Корпуса PC Desktop Fulldesktop Slim. Line Ultra. Slim. Line Mini. Tower Midi. Tower Big. Tower Super. Big. Tower

Форм-фактор • форм-фактор (от англ. form factor) — спецификация, стандарт, задающий габаритные размеры устройств (и другие параметры) и определяющий их форму: • ATX, m ATX, ITX, m. ITX, Flex. ATX и т. д. Соблюдение стандартов обеспечивает совместимость оборудования разных производителей.

Моддинговые корпуса

Современные веяния: неттопы, моноблоки и баребоны…

Блок питания преобразует входное переменное сетевое напряжение (220 В) в выходное постоянное напряжение ± 5 ± 12 +3, 3 В. Мощность блока питания обычно составляет 400 -500 Вт. Вентилятор участвует в охлаждении системного блока.

Power. Man Блок питания с пониженным уровнем шума совместим с Intel, AMD. Мощность блока: 450 Вт. Стандарт: ATX. Система охлаждения: Fan 80 мм. Габариты: 140 х150 х86 мм. Вес брутто: 1, 5 кг.

CORSAIR AX 1200 i • Блок питания с пониженным уровнем шума совместим с Intel, AMD. Мощность блока: 1200 Вт. Стандарт: ATX Габариты: 86 х150 х200 мм. Вес брутто: 2, 3 г.

Кулеры

Корпус системного блока. Передняя и боковая панели 1. отверстие для притока воздуха на вентилятор (кулер); 2. отверстие для притока воздуха; 3. для оптических приводов; 4. USB разъёмы; 5. микрофон (розовый); 6. цифровая видеокамера (IEE 1394); 7. наушники (зелёный); 8. индикаторы жёсткого диска и питания; 9. включение – выключение; 10. кнопка сброса RESET

Задняя панель системного блока 1. дополнительный вентилятор; 2. отверстие для разъёмов материнской платы; 3. вентилятор блока питания; 4. вентилятор притока воздуха в системный блок; 5. отсек для крепления плат расширения (видеокарта, звуковая карта, сетевая карта и т. д. ).

Боковая панель 1, 5, 8) винты; 2) вентилятор; 3) отсек для блока питания; 4) видеокарты; 6) место для дополнительного охлаждения; 7) материнская плата; 9 -12) отсеки для оптических приводов и для жёстких дисков.

Материнская плата – печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера • Форм-факторы: • ATX, micro. ATX, • Flex-ATX. • Наиболее известные производители: • Asus, Gigabyte, MSI

На материнской плате: • • Центральный процессор (ЦПУ). Chipset — набор микросхем. Оперативная память (ОЗУ). Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). • разъёмы (слоты) для контроллеров. • шины — проводников для обмена сигналами.

Chipset • Северный мост, или системный контроллер подключает ЦПУ к ОЗУ и графическому контроллеру. • Южный мост, или периферийный контроллер контролирует работу периферийных устройств (жёсткого диска, сетевых устройств, аудио и т. п. ).

Материнская плата

Система охлаждения: элемент Пельтье и жидкостное охлаждение (приёмы оверклокинга)

Разъёмы (слоты) Слот —разъём (англ. slot - щель), соединённый с системной шиной. Предназначен для установки дополнительных модулей.

Порты материнской платы

Процессор (Pentium III) для установки в слот

Центральный процессор (микропроцессор) • Процессор — основная микросхема компьютера, в которой производятся все вычисления. • Первый микропроцессор разработан Intel в 1971 году.

Процессор содержит: • арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее математические и логические операции; • регистры общего назначения, в которых хранятся данные, команды и адреса; • устройство управления (УУ), осуществляющее обмен информации между процессором и оперативной памятью.

Основные параметры процессора • Количество ядер • Рабочее напряжение (около 1 В). • Разрядность (сколько битов информации обрабатывается за один такт), современные процессоры персональных компьютеров 32 -х, 64 -х разрядные. • Тактовая частота. Характеризует количество элементарных операций в секунду. • Размер кэш-памяти. • Технология производства (7 нм)

Конвейерная архитектура Конвейерная обработка - метод, применяемый, в случае когда этапы задачи упорядочены подобно сборочной линии. Специализированная аппаратура выполняет операции для каждого этапа, передает результаты на следующий этап и сразу же принимается за новую работу, не дожидаясь окончания всего процесса. Теоретически конвейерная обработка ускоряет процесс пропорционально числу этапов конвейера.

При конвейерной обработке: когда первая операция первой команды выполнена, начинается вторая операция и первая операция второй команды; когда выполнена вторая операция первой команды начинается третья операция первой команды, вторая операция второй команды и первая операция третьей команды; и т. д.

Распараллеливание • Распараллеливание применяется, когда задача может быть разделена на почти независимые кванты. Аппаратура для выполнения задачи дублируется несколько раз - создается несколько параллельных процессоров (ядер). Каждый квант работы обрабатывается свободным процессором.

Многоядерный процессор

Кэш-память • Обмен данными внутри процессора происходит быстрее, чем обмен данными с оперативной памятью. • Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают еще одну (буферную) память - кэш-память (англ. cache — тайник). • Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память.

Семейства процессоров (наборы инструкций) • Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые (близкие) системы команд. Эти процессоры совместимы по принципу «сверху вниз» — каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников. • Пример (семейство x 86): Intel 8086, Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, различные модели Intel Pentium, Intel Celeron и другие.

Информация в магазине: • • фирма AMD модель Athlon II X 2 220 частота: 2800 МГц частота шины: 4 ГГц поддерживает 32 и 64 разряда технология производства: 45 нм кэш 1: 2 х128 Кб, кэш 2: 2 х512 Кб напряжение питания: 0. 85 -1. 425 В; • тепловая мощность: 65 Вт • температура (max): 740 С.

Процессоры: Intel с архитектурой Haswel (Intel Core i 7, 4 -е поколение)

Закон Гордона Мура (1965 г. )

Процессор под микроскопом

Процессоры AMD с архитектурой Richland

Процессор использует три шины: • шину данных. Разрядность шины (несколько байт) называют машинным словом. • адресную шину. Если используется 32 разрядная адресная шина, это означает, что в оперативной памяти не может быть больше 232 адресов (объем памяти 232 байт = 4 Гбайт); • шину управления, которую использует устройство управления.

Шины процессора (разрядность) 8 -и разрядная шина (8 линий)

Система команд процессора • CISC-процессоры (Complex instruction set computer — вычисления со сложным набором команд). • RISC-процессоры (Reduced instruction set computer — вычисления с упрощённым набором команд). RISC-процессоры отличаются меньшим энергопотреблением и тепловыделением. • MISC-процессоры (Minimum instruction set computer — вычисления с минимальным набором команд - 20 -30 команд). Дальнейшее развитие идей для RISC-процессоров.

Сопроцессоры • математический сопроцессор (FPU - floating point unit) • графический процессор (GPU - graphics processing unit)

Оперативная память • оперативное запоминающее устройство ОЗУ • RAM Random Access Memory, память с произвольным доступом

Классификации памяти: • энергонезависимой (содержимое памяти не исчезает при снятии электропитания). Жесткие диски, CD, флеш-память, BIOS • энергозависимой (содержимое памяти исчезает при снятии электропитания). Оперативная память

По принципу действия: • динамическую память (DRAM Dynamic RAM) • статическую память (SRAM Static RAM)

Динамическая память DRAM Ячейки памяти - маленькие конденсаторы Преимущество: дешевизна. Недостатки: для перезаписи необходимо время; необходимо постоянно подзаряжать. DIMM (англ. Dual In-line Memory Module) пришел на смену SIMM.

Статическая память Ячейки памяти - электронные схемы триггеры. В триггере хранится состояние (включен/выключен). • Преимущество: высокое быстродействие. • Недостаток: дороговизна. Микросхемы статической памяти используют в кэшпамяти для оптимизации работы процессора.

Информация в магазине: • 240 -контактный модуль памяти DDR 3 РС 10600 • Частота: 1333 МГц • Пропускная способность: 10600 Мбайт/с • Напряжение питания: 1. 5 В.

Постоянное запоминающее устройство После включения процессор обращается к ПЗУ. В ПЗУ записана программа BIOS (Basic Input/Output System). Это энергонезависимая память (CMOS). Она способна хранить информацию, даже когда компьютер выключен.

• • Cвязь компьютер с внешними устройствами осуществляется по магистрали, состоящей из шин Системные шины: • Шины расширения Шина адреса; Шина данных; Шина управления.

Совокупность шин и алгоритм обмена информацией между ними - интерфейс • LPT порт

• Квантовый компьютер

Куби т (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. • Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, но при этом может находиться и в их суперпозиции.