Архитектура ЭВМ

Архитектура ЭВМ

Введение

• Компьютер — это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.
• Под архитектурой персонального компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

• Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в заданной последовательности).
• Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).
• Принцип адресности (основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек).

Архитектура фон Неймана

• 5

Модель фон Неймана, разбивает все оборудование компьютерной системы на пять главных элементов:

1.

2.

3.

4.

5.

Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана

• последовательный порядок выполнения операций

• Данные занимают подчиненное положение, ход выполнения вычислительного процесса определяется только потоком команд .

В ЭВМ вводится информация двух типов:

В ЭВМ вводится информация двух типов:

• Программа - набор команд, указывающий центральному процессору как нужно осуществлять решение задачи. Программа помещается в памяти ЭВМ и используется только устройством управления.
• Данные - это определенные факты, цифры, необходимые для решения конкретной задачи. Они направляются к различным устройствам внутри ЭВМ и обрабатываются в АЛУ (арифметико-логическом устройстве). Данные не нужны для устройства управления.

Потоки команд и данных в ЭВМ.

Основные характеристики модулей ЭВМ

Персональные компьютеры обычно состоят из следующих основных модулей:

монитор

системный блок

клавиатура

мышка

В системном блоке находятся все основные узлы компьютера:

• материнская плата; электронные схемы (процессор,
• материнская плата;
• электронные схемы (процессор,

контроллеры устройств и т.д.);

• блок питания; дисководы (накопители).
• блок питания;
• дисководы (накопители).

Материнская плата

Слот для

видеокарты

Слот для

звуковой карты

Слот для

ОЗУ( ROM )

Слот для

процессора

Слот для

блока питания

Слот для дисковода для

гибких дисков

Слот для дисковода для

компакт-дисков CD

Слот для винчестера

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков:

• Устройство ввода информации

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков:

• Память (внутренняя и внешняя)

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков:

• Арифметическое устройство (АЛУ)

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков:

• Устройство управления - последо-вательно считывает содержимое ячеек памяти, где находится программа и организует ее выполнение. Порядок команд может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода) - это позволяет организовать циклы, ветвления и т.д., т.е. выполнять сложные программы.

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков:

• Устройство вывода информации

Общая структура персонального

компьютера

Графопостроитель

(плоттер)

Манипуляторы

Монитор

Основная

память

Модем

Сканер

ОЗУ

ПЗУ

Системная магистраль (шина)

• Системная магистраль (шина)

Процессор

Клавиатура

Дисковод

для компакт

дисков

( CD-ROM )

Дисковод

для жёстких

дисков

Дисковод

для гибких

дисков

Сетевая

карта

Принтер

Все устройство ПК делятся на внутренние и внешние

Внешние

Внутренние

Клавиатура

Материнская плата

Монитор

Процессор

Мышь

Внутренняя память (ПЗУ и ОЗУ)

Сканер

Системная шина

Модем

Контроллеры

НГМД, НЖМД и CD-ROM, Flash- накопители

Принтер

Внутренняя память Отличие ОЗУ и ПЗУ

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство)

ОЗУ(оперативное запоминающее устройство)

Информация не разрушается при выключении ПК

Информация уничтожается при выключении ПК

Информация только считывается, но записать новую информацию нельзя

Информация может и считывается, и записываться

Нельзя модифицировать

Можно увеличить или даже заменить

Материнская (системная, главная) плата является центральной частью любого компьютера, на которой размещаются в общем случае центральный процессор, сопроцессор, контроллеры, обеспечивающие связь центрального процессора с периферийными устройствами, оперативная память (RAM), кэш-память, элемент ROM-BIOS (базовой системы ввода/вывода ), аккумуляторная батарея, кварцевый генератор тактовой частоты и слоты ( разъемы) для подключения других устройств.

Общая производительность материнской платы определяется не только тактовой частотой, но и количеством (разрядностью) данных, обрабатываемых в единицу времени центральным процессором, а также разрядностью шины обмена данных между различными устройствами материнской платы.

По функциональному назначению шины делятся на:

• шину данных; адресную шину; шину управления.
• шину данных;
• адресную шину;
• шину управления.

Системная шина

Системная шина – информационная магистраль, которая связывает друг с другом все устройства компьютера

(группа токопроводящих кабелей

или линий на системной плате)

• Адресная шина . У процессоров Intel Pentium адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти.
• Шины данных. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium , шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байт.
• Шины команд. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная, хотя существуют 64-разрядные и даже 128-разрядные процессоры.

По шине данных происходит обмен данными между центральным процессором, картами расширения и памятью. Разрядность шины данных варьируется от 8-ми битов (сейчас не используется) до 64-х битов в материнских платах современных PC. По адресной шине происходит адресация ячеек памяти, в которые производится запись данных.

По шине управления или системной шине происходит передача управляющих сигналов между центральным процессором и периферией. На материнской плате системная шина заканчивается слотами для установки других устройств . Адресные шины и шины данных иногда занимают одни и те же физические проводники.

В настоящее время существует несколько стандартов шин: ISA (Industry Sland art Architecture), MCA (MicroChannel Architecture), EISA (Extended ISA), VESA (Video Electronics SlandarlAssollallon), PCI (Peripheral Component Interconnect ), USB (Universal Serial BUS).

Архитектура материнских плат постоянно совершенствуется: увеличивается их функциональная насыщенность, повышается производительность. Стало стандартом наличие на материнской плате таких встроенных устройств, как двухканальный E-IDE -контроллер HDD ( жёстких дисков ), контроллер FDD ( гибких (floppy) дисков) , усовершенствованного параллельного (LPT) и последовательного (COM) портов, а также последовательного инфракрасного порта.

Порт – многоразрядный вход или выход в устройстве.

Процессоры

В общем случае под процессором понимают устройство производящее набор операций над данными, представленными в цифровой форме ( двоичным кодом). Применительно к вычислительной технике под процессором понимают центральное процессорное устройство (CPU), обладающее способностью выбирать, декодировать и выполнять команды а также передавать и принимать информацию от других устройств. Проще говоря, процессор – это электронная схема, выполняющая обработку информации .

Многопроцессорные ЭВМ

Общая память данных и команд

Общая шина

Процессорный элемент

Процессорный элемент

Процессорный элемент

Память

Центральный процессор имеет доступ к данным, находящимся в оперативной памяти ( физическое устройство памяти называется ОЗУ- оперативное запоминающее устройство или RAM – Random Access Memory). Работа компьютера с пользовательскими программами начинается после того как данные будут считаны из внешней памяти в ОЗУ . ОЗУ работает синхронно с центральным процессором и имеет малое время доступа. Оперативная память сохраняет данные только при включенном питании. Отключение питания приводит к необратимой потере данных, поэтому пользователю, работающему с большими массивами данных в течение длительного времени, рекомендуют периодически сохранять промежуточные результаты на внешнем носителе. По способу реализации оперативная память делится на динамическую и статическую.

Жесткий диск

Винчестеры или накопители на жестких дисках – это внешняя память большого объема, предназначенная для долговременного хранения информации, объединяющая в одном корпусе сам носитель информации и устройство записи/чтения. По сравнению с дисководами винчестеры обладают рядом очень ценных преимуществ: объем хранимых данных неизмеримо больше (достигает 1 Тбайт и более), время доступа у винчестера на порядок меньше.

Винчестер состоит из не скольких жестких (чаще алюминиевых) дисков, с нанесенным на поверхность магнитным слоем и расположенных друг под другом.

Клавиатура (Keyboard )

Она является основным устройством ввода информации в PC, несмотря на сильную конкуренцию со стороны мыши.

• По конструктивному исполнению различают следующие виды клавиатуры: клавиатуры с пластмассовыми штырями, клавиатуры со щелчком, клавиатуры на микропереключателях или герконах, сенсорные клавиатуры.
• Клавиатуры различаются также количеством и расположением клавиш. Различают клавиатуры типа СГ, AT, MFII.
• В настоящее время существуют некоторые другие виды клавиатур: эргономические клавиатуры, промышленные, со считывающим устройством штрихового кода, для слепых, инфракрасные ( беспроводные) и т.п.

Мониторы

Они являются важнейшими устройствами отображения информации. В настоящее время существует большое разнообразие типов мониторов.

Цифровые (TTL) мониторы Под цифровыми мониторами понимаются устройства отображения зрительной информации на основе электронно-лучевой трубки, управляемой цифровыми схемами.

Аналоговые мониторы . Электронно-лучевая трубка мониторов данного типа управляется аналоговыми сигналами, поступающими от видеокарты.

Жидкокристаллические дисплеи (LCD) . Экран подобного LCD (Liquid Crystal Display) состоит из двух стеклянных пластин, между которыми находится масса, содержащая жидкие кристаллы, которые изменяют свои оптические свойства в зависимости от прилагаемого электрического заряда.

Принтер – устройство для вывода на бумагу текстов и графических изображений.

Типы принтеров:

• матричные принтеры (дешёвые, качество печати невысокое, скорость печати 1 страница/мин., нецветные
• струйные принтеры (средние цены, качество печати высокое, скорость печати 1 страница/мин., цветные и монохромные);
• лазерные принтеры (высокие цены, качество печати высокое, скорость печати 4–15 страниц / мин., цветные и монохромные).

Плоттер (графопостроитель) – устройство для вывода на бумагу чертежей. Обычный плоттер использует листы форматом А1. Скорость печати примерно 1 лист/час.

Сканер – это устройство ввода в PC цветного и черно-белого изображения с бумаги, пленки и т.п. Сканер последовательно преобразует оптический сигнал, получаемый при сканировании изображения световым лучом, в электрический, а затем в цифровой код.

Стример – устройство записи на магнитную ленту в специальной кассете для резервного копирования данных винчестера на случай их утраты.

Манипуляторы : мышь, трекбол, джойстик – устройства управления курсором.

Пример технических характеристик мыши на следующем слайде.

Звуковая карта (саундбластер) – устройство для преобразования цифровой информации на дисках и компакт-дисках в звуки. К выходу саундбластера подключают колонки.