Принцип фон- неймана

Архитектура ЭВМ

Содержание

• Понятие архитектуры ЭВМ
• Классическая архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана
• Схема ПК

Понятие архитектуры ЭВМ

• Под архитектурой ЭВМ понимают описание устройства и работы компьютера, достаточное для пользователя и программиста.
• Понятие архитектуры не включает в себя технические детали организации ЭВМ, электронные схемы и т.д.
• Понятие архитектуры отражает движение информации в компьютере.

Понятие архитектуры ЭВМ

• Толковый словарь по вычислительным системам предлагает следующее определение термина:
• «Архитектура ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ».

Понятие архитектуры ЭВМ

• Учебник А.В.Могилева дает следующее определение:
• «Архитектура — это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов».

Классическая архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана

• Американский математик Джон фон Нейман в 1946 г. в классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства» совместно с Г.Голдстайном и А.Берксом предложил идею принципиально новой ЭВМ. Выдвинутые идеи актуальны и сегодня.

Принципы фон Неймана

1. Программное управление работой ЭВМ. Программа состоит из команд.

• Все команды образуют систему команд машины.
• Команды программы последовательно считываются из памяти и выполняются.
• Адрес очередной команды хранится в счетчике команд.

Принципы фон Неймана

2. Принцип хранимой программы.

• Команды представляются в числовой форме и хранятся в той же памяти, что и данные.

Принципы фон Неймана

3. Принцип условного перехода.

• Можно нарушить естественную последовательность команд в программе.
• Используется в командах безусловного и условного переходов

Принципы фон Неймана

4. Использование двоичной системы счисления для представления информации в ЭВМ.

• Ее просто реализовать технически для выполнения арифметических и логических операций.
• Ранее ЭВМ обрабатывали числа в десятичном виде.

Принципы фон Неймана

• Принцип иерархичности ЗУ.
• 1 уровень — Быстродействующее ОЗУ — небольшой емкости для операндов и команд, участвующих в счете в данный момент,
• 2 уровень — внешнее ЗУ большей емкости.
• Иерархичность ЗУ в ЭВМ это компромисс между емкостью и быстрым доступом к данным.

Принципы фон Неймана

• Фон Нейман предложил структуру ЭВМ. Она использовалась в первых двух поколениях ЭВМ.
• Стрелки отражают движение информации.

Схема фон Неймана

Устройства

• Процессор. Программно-упраляемое устройство, обрабатывает данные и управляет работой компьютера.
• Состоит из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ).
• УУ управляет работой компьютера, взаимодействием компонентов друг с другом.
• АЛУ исполняет арифметические и логические операции.

Устройства

• Оперативное запоминающее устройство.
• Хранит информацию, с которой компьютер работает в данное время: программу, исходные данные, промежуточные и конечные результаты счета.
• Эта память небольшого объема, энергозависима.

Устройства

• Внешнее запоминающее устройство.
• Это были магнитные устройства для долговременного хранения информации.
• Большего объема, более медленные.
• Магнитные барабаны, ленты, диски.

Магнитный барабан 1 электродвигатель 2 цилиндр барабан 3 магнитные головки 4 дорожки 5 ось магнитного барабана 6 станина корпус

Магнитные ленты

• Устройства ввода информации.
• Перфокарты,
• перфоленты,
• клавиатура.

Перфокарты, перфолента

АЦПУ

• Устройства вывода информации.
• АЦПУ,
• дисплей,
• принтер.

• Разработанная фон Нейманом архитектура оказалась фундаментальной.
• Его идеи используются и в современных компьютерах.
• Исключение составляют системы параллельных вычислений, где отсутствует счетчик команд.
• Новые архитектурные решения очевидно будут использованы в машинах 5 поколения

3. Схема микрокомпьютера 4 поколения

• В архитектуре персональных машин реализован магистрально модульный принцип:
• Все устройства выполнены в виде самостоятельно работающих модулей
• Для связи всех устройств компьютера используют шину, магистраль, по которой передаются данные, адреса и управляющие сигналы.

• Эту архитектуру еще называют открытой, так как систему легко пополнить новыми периферийными устройствами.

Схема ПК 4 поколения

Компонеты PC

• Системная плата — ядро системы. Главная деталь, с ней все соединяется, она управляет всеми устройствами системы. Содержит следующие компоненты:

• Гнездо процессора;
• Преобразователи напряжения питания процессора;
• Набор микросхем системной логики;
• Кэш-память второго уровня;
• Гнезда памяти;
• Разъемы (слоты) шины;
• ROM BIOS;
• Батарея для питания часов;
• CMOS;
• Микросхема ввода-вывода.

Внешний вид системной платы asus P5LD2 C

• Набор микросхем системной логики – основа системной платы, управляет ЦП, шиной процессора, кэш-памятью второго уровня, оперативной памятью, шиной PCI, ISA, ресурсами системы.
• Определяет возможности системной платы, поддерживаемые типы процессоров, памяти, плат расширения, дисководов и т.д.

Процессор intelr pentiumr 4 3000E 1Mb 800MHz 478 pin

• Процессор. Двигатель компьютера. Эта микросхема выполняет команды программного обеспечения. Содержит миллионы транзисторов, которые выгравированы на кристалле кремния.
• Оперативная память . Системная память, память с произвольным доступом. Это основная память, в которую записываются программы и данные, используемые процессором во время обработки.

Модуль памяти

• Модули памяти относятся к одному из двух типов:
• SIMM (Single Inline Memory Module) — одиночный встроенный модуль памяти и
• DIMM (Dual Inline Memory Module) — двойной встроенный модуль памяти.

• Корпус. Внутри корпуса размещается системная плата, источник питания, дисководы, платы адаптеров и другие компоненты системы.
• Источник питания . От источника питания напряжение подается к каждому отдельному компоненту. Преобразует напряжение переменного тока в постоянное 3,3, 5 и 12 в.

• Дисковод гибких дисков.
• Накопитель на жестких дисках. Главный носитель информации в системе.
• Накопитель CD-ROM. Накопители CD-ROM и DVD-ROM (Digital Versatile Disc — цифровой универсальный диск) устройсва со сменными носителями информации большой емкости с оптической записью информации.
• На них распространяется дистрибутивное ПО.

• Клавиатура. Основное устройство, с его помощью пользователь управляет системой.
• Мышь. Координатно указательное устройство.
• Видеоадаптер . Управляет отбражением информации на мониторе. Состоит из видеочипа – набор микросхем системной логики, оперативной видеопамяти, цифроаналогового преобразователя, BIOS. Видеочип упрвляет отображением информации на экране, записывает данные видеопамять. ЦАП читает данные из видеопамяти и преобразует их из цифровой формы в аналоговые сигналы управления монитором. BIOS содержит первичный драйвер, кторыйпозволяет монитору работать во время загруки в текстовом режиме. Затем с диска загружается более совершенный драйвер, который позволяет работать дисплею в сложном видеорежиме.

Видеоадаптер

• Монитор. Мониторы клссифицируют по трем параметрам:

• Размер по диагонали от 14 до 21 дюйма;
• Разрешающая способность от 640х480 до 1600х1200 пикселей. Сначала размер по горизонтали, затем по вертикали. Каждый пиксель монитора состоит из 3-х элементов-точек, по одной для каждого цвета красного, синего и зеленого.
• Частота регенерации изображения от 60 о 100 гц. Она показывает как часто дисплей повторно отображает содержание видеопамяти. Частота регенерации и разрешающая способность определяются видеоадаптером.

• Устройства ввода-вывода подключаются через контроллеры внешнего устройства. Это специализированный процессор, который управляет периферийным устройством, имеет собственную систему команд.
• Например, контролер дисковода умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать и записывать сектор и т.д.

• Наличие интеллектуальных внешних устройств изменило принцип обмена информацией. ЦП дает задание на обмен информацией контроллеру, а далее контролер сам производит обмен без участия ЦП.
• Стали возможны прямые информационные связи между устройствами, передача данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот. Этот режим называется прямым доступом к памяти.

• мы упрощенно предполагали, что все устройства взаимодействуют через общую шину. При увеличении количества устройств, основная магистраль перегружается, тормозит работу компьютера.
• В состав ЭВМ включаются дополнительные шины: для обмена процессора с памятью, для связи с быстрыми внешними устройствами, для связи с медленными устройствами.
• Для режима прямого доступа к памяти требуется высокоскоростная шина данных ОЗУ.

Вопросы

• Дайте определение архитектуры
• Сформулируйте принципы фон Неймана
• Нарисуйте схему фон Неймана, опишите устройства
• Какие два принципы заложены в архитектуру ПК
• Нарисуйте схему ПК, перечислите компоненты схемы

• Перечислите и опишите компоненты системной платы
• Опишите компоненты системного блока
• Опишите периферийные устройства
• Что такое контроллер?
• ПО каким параметрам классифицируют мониторы?
• Что означает прямой доступ к памяти?