Архитектура вычислительной системы. Основные составляющие и блоки ЭВМ. Анализ составляющих и блоков ЭВМ
Классическая структурная схема ЭВМ и назначение ее основных узлов.
В функциональном отношении любая ЭВМ состоит из элементов – узлов и устройств.
Элемент – функциональная единица ЭВМ, выполняющая элементарную операцию над одной или несколькими цифрами и представляющая собой законченную электрическую схему. Примерами могут служить логические элементы, выполняющие функции алгебры-логики: И, ИЛИ, НЕ и др.
Узел – функциональная единица ЭВМ, состоящая из элементов и выполняющая операции над одним или несколькими числами или словами. Примерами могут служить сумматоры, счетчики, дешифраторы и др.
Устройство – функциональная единица ЭВМ, состоящая из элементов и узлов и выполняющая арифметические и логические операции, операции ввода-вывода данных и управления ходом вычислительного процесса. Например арифметические и запоминающие устройства, устройство управления, внешние устройства и другие.
Электронная вычислительная машина – это совокупность устройств, способных выполнять разнообразные арифметические, логические операции и др. без участия человека. Структура вычислительной машины – это отображение состава устройств машины и путей обмена информации между устройствами.
Основные этапы развития ЭВМ:
1. Проект Чарльза Бэббиджа «Универсальная аналитическая счетная машина» (1843 г.), Ада августа Лавлейс написала первую программу для этой машины и убедила Ч. Бэббиджа в необходимости использования двоичной системы счисления.
2. Алан Тьюринг, математик Кэмбриджского университета, описал схему абстрактной машины и дал строгое логичное доказательство возможности создания программно-управляемой универсальной вычислительной машины. (1936 г).
3. Американские инженеры Пенсильванского университета Д. Эккерт и ДЖ Моучли разработали электронный вычислительный интегратор и калькулятор ЭНИАК, а потом ЭДВАК (1945 г.)
4. Джон фон Нейман, американский математик, сформулировал основные принципы работы ЭВМ:
a) Программное управление – ЭВМ работает по заранее составленной и введенной в память компьютера программе;
b) Хранение программы в памяти – данные и программы представляются в числовой форме и хранятся в одном и том же запоминающем устройстве, различить их невозможно;
c) Двоичное кодирование – программы и любые типы данных представляются в виде двоичного кода.
Необходимо более подробно разобраться в назначении основных устройств ЭВМ.
Архитектура ЭВМ – это описание общей структуры компьютера, его функций и ресурсов.
Принципы разработки (создания) ЭВМ:
1. Разделение ЭВМ на устройства – реализация магистрально-модульного принципа построения компьютера (один из основных принципов);
2. Представление Джоном Фон Нейманом ЭВМ в виде системы, объединяющей устройства ввода, устройства вывода, память и процессор – использование принципов работы ЭВМ.
Назначение основных устройств ЭВМ:
1. Устройства ввода (клавиатура, мышь, сканер, микрофон, дигитайзер) – для ввода данных;
2. Устройства вывода (монитор, принтер, колонки) – для вывода данных;
3. Память (винчестер, гибкий магнитный диск, СD, DVD-диски, карты памяти – для накопления, хранения и выдачи данных по запросу процессора;
4. Процессор – для обработки данных и управления работой всех устройств.
В состав процессора входят:
1. Устройство управления (УУ): формирует и подает во все блоки машины и нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций.
2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
3. Микропроцессорная память (кэш-память) - предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины используемой в вычислениях.
Рисунок – Функциональная схема ЭВМ
Достоинства ЭВМ
1. Универсальность обработки информации – способность обрабатывать данные любых видов;
2. Универсальность решаемых задач – с помощью ЭВМ можно решить любую задачу, для которой может быть составлен алгоритм;
3. Точность – обеспечение вычислений с любой заданной степенью точности.
Суть магистрально-модульного принципа:
Отдельные устройства ПК представлены в виде модулей со строго определёнными функциями, из которых пользователь формирует необходимую конфигурацию компьютера;
Взаимодействие отдельных модулей (устройств) осуществляется через магистраль;
Модуль – это относительно независимая часть устройства, выполняющая строго определенные функции.
Модули ПК: оперативная память, процессор, клавиатура и другие устройства ввода и вывода.
Рисунок – Структурная схема ЭВМ
Комментарии к схеме:
1. Существует базовый комплект ПК:
Процессор Оперативное запоминающее устройство Постоянное запоминающее устройство Клавиатура Дисплей (монитор)
2. Остальные устройства приобретаются и подключаются по мере возможности и необходимости;
3. Подключение дополнительных (периферийных) устройств к информационной магистрали производится через устройства сопряжения (контроллеры и адаптеры);
4. Любое дополнительное устройство может быть подключено через системный блок с помощью кабеля имеющего специальный разъем.
Назначение базовых (основных) устройств ПК:
Процессор – это устройство обрабатывающее информацию, выполняющее арифметические и логические операций, а также для управления работой всех устройств компьютера.
Память – накопление информации, хранение и выдача по запросу процессора через информационную магистраль. ПК имеет два вида памяти: внутренняя и внешняя. К внутренней относятся ОЗУ и ПЗУ, а к внешней винчестер, СD-DVD-диски, карты памяти.
Внутренняя память – ОЗУ и ПЗУ, кэш-память
Оперативная память (ОЗУ) – часть внутренней памяти, в которой во время работы ПК находятся программы и данные. Энергозависимая. Оперативная вставляет собой множество ячеек, причем каждая ячейка имеет свой уникальный двоичный адрес. Каждая ячейка памяти имеет объем 1 байт. Память для считывания и записи
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – представляет собой часть внутренней памяти в которой находится модуль начальной загрузки операционной системы. ПЗУ записывается на заводе-изготовителе, предназначено для хранения неизменяемой программной и справочной информации, позволяет оперативно считывать информацию, хранящуюся в нем, изменить информацию в ПЗУ нельзя, память для считывания.
Кэш - память находится внутри микропроцессора, предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины используемой в вычислениях.
Внешняя память – долговременная
Долговременная (внешняя) память. В качестве внешней памяти используются носители информации различной информационной емкости: гибкие диски (1,44 Мбайт), жесткие диски (512 Гбайт), оптические диски CD-ROM (700-800 Мбайт) и DVD (до 10 Гбайт). Самыми медленными из них по скорости обмена данными являются гибкие диски (0,05 Мбайт/с), а самыми быстрыми — жесткие диски (до 100 Мбайт/с).
Долговременное хранение информации обеспечивается внешней памятью. В качестве устройств внешней памяти обычно выступают накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) и оптические накопители (CD-ROM и DVD-ROM). Дисководы предназначены для считывания и записи информации с дисков.
Магистраль (системная шина) – это канал передачи электрических сигналов для обмена информацией между основными и дополнительными устройствами компьютера.
Магистраль делится на:
1. Шина данных – по этой шине данные передаются между различными устройствами (двунаправленная шина). Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т. е количеством двоичных разрядов, которые могут одновременно обрабатываться или передаваться процессором.
2. Шина адреса – Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или считываются данные, производит процессор. Адрес ячейки передается по адресной шине.
Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти, т. е. количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек можно найти по формуле: N=2I, где I – разрядность шины адреса
Например, если разрядность шины адреса составляет 36 бит: 236 = 68 719 476 736 – кол-во адресуемых ячеек.
3. Шина управления – по шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают какую операцию – считывание или запись информации из памяти нужно производить.
4. Устройства сопряжения (адаптеры) служат для согласования сигналов периферийных устройств и центральных устройств.
Достоинства магистрально-модульного принципа: Возможность модернизации в любое время; Простота подключения нового оборудования
Технические характеристики основных устройств:
1. Производительность процессора – характеристика определяемая разрядностью, тактовой частотой и некоторыми другими характеристиками:
2. Разрядность – количество двоичных разрядов, которые могут одновременно передаваться и обрабатываться. Разрядность измеряется в битах, например процессор Pentium 4 имел разрядность 64 бита.
3. Тактовая частота – количество тактов в секунду, измеряется в мегагерцах в Pentium 4 составляла 2500 Мгц.
4. Объем оперативной памяти у современных ПК составляет 4 Гб (гигабайта), а когда-то 512 мегабайт казалось пределам мечтаний.