Архитектура универсальной ЭВМ с последовательным выполнением команд. Функциональное назначение, физические принципы действия и организация основных блоков.
Понятие архитектуры ЭВМ. Эволюция универсальных ЭВМ. Поколения ЭВМ. Элементная база ЭВМ.
Архитектура компьютера определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. При этом основное внимание уделяется структуре и функциональным возможностям ЭВМ. Основные функции определяют назначения ЭВМ (обработка, хранение информации; обмен информации с внешними источниками). Дополнительные функции - это функции повышающие эффективность работы ЭВМ (удобный интерфейс пользователя, ввод/вывод данных, надежность/безопасность работы и др.)
Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия компонентов ЭВМ.
Поколения ЭВМ
1. Основной признак – элементарная база, состоящая из электровакуумных ламп. Недостатки: большие габариты, большие затраты электроэнергии, большое время переключения состояний, высокая стоимость, быстрый износ.
2. Середина 50-х. Элементная база – транзистор. Это позволило уменьшить габариты, увеличить скорость и уменьшить стоимость. ЭВМ 2-го поколения производились уже серийно. Принципиальное отличие: работа с алгоритмическими языками программирования высокого уровня. Появились телетайпы для ввода и печатающие устройства для вывода информации, накопители на магнитных дисках.
3. Элементная база – интегральные микросхемы, появившиеся в 1960-х гг. В их состав были включены дисплеи, накопители на магнитных дисках, и некоторые другие элементы. ЭВМ 3-го поколения уже производились промышленно, и решались на них достаточно серьезные задачи.
|
|
|
4. В 1970-х гг. появились большие интегральные схемы (БИС), где на одной полупроводниковой пластине находилось несколько тысяч транзисторов. Такая высокая степень интеграции позволила создать микропроцессор (1972г). На их основе появился ПК. Кроме того, ЭВМ 4-го поколения имели цветные графические дисплеи, магнитные диски, электронные печатающие устройства.
5. ЭВМ 5-го поколения имеют элементной базой так называемые большие интегральные схемы, которые на одной пластине имеют миллионы транзисторов. Это позволило увеличить вычислительную мощность компьютера и все остальные элементы ПК должны соответствовать.
Классы современных ЭВМ:
1. Супер ЭВМ – многопроцессорный вычислительный комплекс, имеющий 64- или 128-разрядный процессор, десятки, а то и сотни гигабайт оперативной памяти; десятки, сотни терабайт ПЗУ. Единственный недостаток – высокая стоимость. Супер ЭВМ фирмы Cray стоит около 70 млн. долларов
2. Рабочая станция ( Power Station) – ЭВМ, основанная на RISK-процессорах (имеют меньшую производительность, чем супер ЭВМ, но большую, чем ПК). Выпускаются серийно и предназначены для определенных задач: САПР, геоинформационных систем, систем аудио- и видеомонтажа, банковских систем. В настоящее время большинство рабочих станций работает на UNIX-подобных ОС, которые называются AIX. Стоимость рабочей станции – от 20 до 100 тыс. долларов.
|
|
|
3. Персональные компьютеры – предназначены для решения очень широкого класса задач. Первый персональный компьютер был выпущен фирмой Apple в 1972 году. В 1981 году появился первый ПК IBM.
В ПК IBM используется принцип «открытой архитектуры»: регламентируется и стандартизируется только принцип действия компьютера и его конфигурации. Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов, выпущенных независимыми производителями. Кроме того, в компьютер можно вставлять различные устройства, удовлетворяющие стандартам.
Основы классификации ЭВМ. Классификационные признаки. Принципы устройства последовательной ЭВМ (архитектура фон Неймана). Технические показатели ЭВМ.
Принципы фон-Неймана:
1. Принцип произвольного доступа к основной памяти означает, что основная память состоит из одинаковых ячеек, и процессору в любой момент времени доступна любая из ячеек для чтения и записи данных. Все ячейки пронумерованы, и номер ячейки определяет ее адрес. Общее количество ячеек называется объемом памяти.
|
|
|
2. Принцип хранимой программы: программа хранится в основной памяти наряду с обрабатываемыми данными. Достаточно сменить программу и данные, и ЭВМ будет решать другую задачу.
3. Принцип универсальности: информация, находящаяся в основной памяти не имеет признаков принадлежности к определенному типу, то есть команды могут рассматриваться как данные.
Классификация ЭВМ
1. Назначению. Обычно выделяют ЭВМ общего применения и ЭВМ ориентированные на вполне определенный класс задач. Традиционную электронную вычислительную технику (ЭВТ) подразделяют на аналоговую и цифровую. В аналоговых вычислительных машинах (АВM) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механизма и т.п. Эти машины обеспечивают приемлемое быстродействие, но не очень высокую точность вычислений (0.001:0.01). АВМ используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники. По своему назначению их можно рассматривать как специализированные вычислительные машины. В цифровых вычислительные машинах (ЭВМ) информация кодируется двоичными кодами чисел. ЭВМ обладают универсальными свойствами и являются самой массовой ЭВТ.
|
|
|
2. Производительности: ЭВМ подразделяются по величине производительности. Классификация средств вычислительной техники. Можно предложить следующую классификацию средств вычислительной техники, в основу которой положено их разделение по быстродействию:
o Супер ЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных.
o Большие ЭВМ (mainframe), которые представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров.
o Средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов. В этих машинах особое внимание уделяется сохранению и безопасности данных, программной совместимости и т.д.
o Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.
o Встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.
3. Режимам работы:
o однопрограммные ЭВМ
o мультипрограммные ЭВМ (Эти ЭВМ должны иметь большую оперативную память, средства управления временем, ввода-вывода, средства позволяющие исключить влияния программ друг на друга);
o ЭВМ для построения многомашинных и многопроцессорных вычислительных систем (дополнительно к мультипрограммным ЭВМ должны реализовывать функции взаимного обмена между ЭВМ);
o ЭВМ для работы в системах реального времени (Говоря о машинах реального времени наиболее очевиден пример, когда ЭВМ управляет техническим объектом (автопилот). К ним предъявляют требования быстродействия и способность получать массу сигналов от внешних источников).
4. Способ структурной организации. Для увеличения скорости ЭВМ в ее состав включают несколько процессоров. Различают:
o Однопроцессорные ЭВМ;
o Мультипроцессорные ЭВМ (можно также выделить квазипроцессорные ЭВМ), состоят как из однотипных, так и из разнотипных процессоров (неоднородные ЭВМ).
Производительность - пиковая, номинальная, системная, эксплуатационная.
Номинальная - с обращениями к ОЗУ. Системная - с учётом взаимодействия всех у-в.
Эксплуатационная - исходя из реальных задач.
Ед. измерения - MIPS (для целых чисел), MFlOps, GFlOps, TFlOps. Тактовая частота - длительность такта - в наносекундах.
Стандарт, по которому определяется интегральная производительность ПК, а также оценка его отдельных частей, создан фирмой Ziff-Davis. Время доступа - для ОЗУ и кэша - в нс, для ЖД и CD-ROM - в мс, для НГМД - в 0.1 с. Скорость передачи
Архитектура универсальной ЭВМ с последовательным выполнением команд. Функциональное назначение, физические принципы действия и организация основных блоков.
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман.
Использование двоичной системы для представления чисел имеет преимущества для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип "хранимой программы”. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.
Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.
Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров "многоярусно” и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.
В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти. из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название "фон-неймановской архитектуры”. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).
По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.
Конструктивное устройство современной ПЭВМ: - основные узлы и их функциональное назначение. Схемотехнические элементы компьютера: - генплата, микропроцессор (МП), комплект интегральных микросхем окружения (Chipset). Микросхемы памяти (ОЗУ) и их типы. Контроллеры и адаптеры. Органы управления и внешние интерфейсы.
Основные узлы ЭВМ.
Основными узлами ЭВМ являются :
- центральный процессор (ЦП)
(ЦП) = (УУ) + (АЛУ)
- оперативная память (ОЗУ)
- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
- внешняя память (ВЗУ)
- устройства Ввода (УВв)
- устройства Вывода (УВыв)
Все устройства ЭВМ подсоединены к единой ИНФОРМАЦИОННОЙ
ШИНЕ
 |
Материнская плата является основой системного блока, определяющей архитектуру и производительность компьютера. На ней устанавливаются следующие обязательные компоненты:
· Процессоры
· Память постоянная(BIOS), оперативная
Микропроцессорный комплект(чипсет – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы.).
· Системные шины
· Разъемы для подключения дополнительных устройств(слоты)
Существуют и системные платы с интегрированными видео- и аудиоустройствами, адаптером локальной сети и прочими, обеспечивающими полную функциональность компьютера без всяких карт расширения.
Системная шина:
- это интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Микропроцессор(Central Processing Unit) – функционально законченное программно-управляемое устройство, обработка информации в котором управляется в виде БИС или СБИС.
Микропроцессор выполняет:
· Чтение и дешифрацию команд из основной памяти
· Чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств
· Прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств
· Обработка данных и их запись основную память и регистр адаптеров внешних устройств
· Выработка управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков PC
Группы микропроцессоров:
· CISC(Complex Instruction Set Computing) – полный набор команд
· RISC(Reduced Instruction Set Computing ) – сокращенный набор команд – рабочие станции, сервера
ОЗУ – служит для оперативной записи и хранения, считывания данных, непосредственно участвующих в информационно-вычислительном процессе. Является энергозависимой, после выключения питания никакие данные в ней не сохраняются.
Семейство ОЗУ содержит два важных типа запоминающих устройств: статическое ОЗУ (SRAM) и динамическое ОЗУ (DRAM). Главное различие между ними – это долговечность хранимых ими данных. SRAM сохраняет свое содержимое до тех пор, пока к микросхеме подается энергия. Если же энергия отключена, или временно отсутствует, содержимое чипа будет потеряно навсегда. DRAM, с другой стороны, имеет чрезвычайно короткий период продолжительности работы данных – обычно около четырех миллисекунд, даже если энергия подается непрерывно.
Словом, SRAM имеет все свойства памяти, с которыми ассоциируется слово RAM. В сравнении с ней, DRAM кажется, как будто бы, бесполезной. Сама по себе, она таковой и является. Однако можно использовать простой элемент конструкции, именуемый контроллером DRAM, для того, чтобы DRAM вела себя скорее как SRAM. Работа контроллера DRAM заключается в периодическом обновлении данных, хранящихся в DRAM. Обновляя данные до того, как они исчезнут, содержимое памяти может сохраняться так долго, как это необходимо. Таким образом, DRAM так же эффективна, как и SRAM.
Контроллер— устройство управления в электронике и вычислительной технике.
Контроллер прерываний (КП).
Таймер и ЧРВ, контроллеры шины и памяти, системный и периферийный контроллеры,
кэш-контроллеры.
Устройство управления (УУ) -- формирует и подает во все блоки машины управляющие импульсы; выдает адреса требуемых ячеек памяти, и передает их в другие блоки ЭВМ.
Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 312; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!