Как называется специализированный процессор управляющий работой вверенного ему внешнего устройства

Обновлено: 07.07.2024

Английский ученый Чарльз Бэббидж считал, что устройство автоматической машины, способной работать без вмешательства человека по заранее составленной программе должна была состоять из следующих частей:

*устройство, в кот-ом производятся все по операции по обработке всех видов информации (современная терминология АЛУ арифметико-логическое устройство).

*устройство, обеспечивающее организацию выполнения программы обработки информации и согласованные взаимодействие всех узлов машины в ходе этого процесса –устройство управления УУ.

В настоящее время АЛУ и УУ объединены в единую микросхему – микропроцессор.

*устройство, предназначенное для хранения данных, программ и результатов вычисления (запоминающее устройство ЗУ).

*разнообразные устройства, запоминающиеся преобразованием информации в форму, доступную компьютеру –устройство ввода (Увв).

*устройство, преобразующее результаты обработки в доступную человеку форму- устройство вывода( Увыв).

Фон- Неймон сформулировал классические принципы устройства ЭВМ:

-Использование двоичной системы для представления чисел. Этот принцип обеспечил удобство и простоту выполнения арифметических и логических операций.

-Принцип «хранимой информации» - программа должна храниться в виде набора нулей и единиц, при чем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ей числа.

-Принцип адресности – команды и данные помещаются в ячейки памяти, доступ кот-ому осуществляется по адресу (номеру).

-Наличие программного счетчика – адрес очередной ячейки памяти, из кот-ой будет извлечена следующая команда программы формируется и хранится в специальном устройстве – счетчики команд.

Структура ЭВМ по Фон Неймона

Устройство ввода увв

Память(ОЗУ, ПВУ)

Устройство вывода увыв

Процессор (АЛУ УУ)

Внешняя память

Вся деятельность ЭВМ - это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.

Каждая команда состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных составных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команд она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия:

согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд);

счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды;

считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.

Затем во всех случаях, за исключением команды останова или наступления прерывания, все описанные действия циклически повторяются.
После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.

Шинная архитектура компьютера. Назначение и функции основных элементов схемы. Контроллер.

Структура эвм 4-ого поколения:

Процессор( АЛУ УУ) память(ОЗУ, ПЗУ) видео ОЗУ

КПД (ПДП) контроллер контроллер контроллер таймер

Увва Увыв внешняя память

Котроллер- это специализированный процессор, управляющий работой вверенного ему внешнего устройства по спец-ным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Сведения об успешности выполнения команды заносятся во внутренние регистры контроллера, к-ые могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Шина (магистраль) состоит из 3 частей:

-шина данных осуществляет передачу информации;

-шина адреса определяет куда именно передаются данные;

-шина управления (командная) регулирует процесс обмена информации.

Открытая архитектура предполагает возможность подключения в состав компьютера новых устройств.

Контроллер прямого доступа к памяти – режим, при к-ом внешнее устройство обменивается непосредственно с оперативной памятью без участия центрального процессора называется прямым доступом к памяти. В режиме прямого доступа к памяти центральны процессор передает контроллеру прямого доступа к памяти необходимую для обмена информацию (кол-во инфо-ции, № первой ячейки памяти, после чего освобождается, а обменами руководит уже контроллер прямого доступа к памяти. Если такой обмен недо задействует все возможные шины, то центральный процессор в это время может продолжить работу.

Состав ПК. Основные устройства ПК IV-го поколения.

Состав ПК. Основные устройства ПК 4-го поколения.

Современный ПК включает в себя следующие элементы:

Кроме перечисленных, в состав ПК могут входить модем или факс-модем, плоттер, устройства воспроизведения и записи звука и некоторые другие устройства.

Системный блок ПК. Типы системных блоков. Устройства, размещаемые в системном блоке.

Системный блок ПК. Типы. Устройства, размещаемые в системном блоке.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам: полноразмерный (big tower), среднеразмерный (midi tower) и малоразмерный (mini tower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim). Выбор того или иного типа корпуса определяется вкусом и потребностями модернизации компьютера. Наиболее оптимальным типом корпуса для большинства пользователей является корпус типа mini tower. Он имеет небольшие габариты, его удобно располагать как на рабочем столе, так и на тумбочке вблизи рабочего стола или на специальном держателе. Он имеет достаточно места для размещения от пяти до семи плат расширения.

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам. В настоящее время в основном используются корпуса двух форм-факторов: AT и АТХ . Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы.

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200-250 Вт.

Персональные компьютеры делятся настационарные и портативные.Стационарные обычно устанавливаются рабочем столе. Портативные компьютеры делятся на следующие категории:

переносные (portable), которые имеют небольшую массу и габариты и поддаются транспортировке одним человеком;

наколенные (laptop), выполненные в виде дипломата;

блокнотные (notebook), имеющие габариты большого блокнота;

карманные (pocket), которые помещаются в карман.

Материнская плата. Основные устройства, размещаемые на материнской плате

Тема: Общий состав и структура персональных электронно-вычислительных машин (ЭВМ) и вычислительных систем.

Цель занятия: познакомить студентов с общими понятиями построения ЭВМ и изучить особенности архитектуры персональных компьютеров.

О понятии «архитектура ЭВМ»

Под архитектурой ЭВМ надо понимать ту совокупность характеристик, которая необходима пользователю. Это,прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними.

Общие принципы построения ЭВМ , которые относятся к архитектуре:

структура памяти ЭВМ;

способы доступа к памяти и внешним устройствам;

возможность изменения конфигурации;

Дадим определение архитектуры: "Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов".

Принципы Фон-Неймана

Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в работе Дж. фон Неймана, Г.Голдстейга и А. Беркса в 1946 году и известны как " принципы фон Неймана".

Использование двоичной системы представления данных

Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации,удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Принцип хранимой программы

Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде 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 (см рис.1), которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.

Устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) в современных компьютерах объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров "многоярусно" и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства(ВЗУ).

ОЗУ- это устройство, хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы).

ВЗУ -устройства гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но существенно более медленны.

Принцип последовательного выполнения операций

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Принцип произвольного доступа к ячейкам оперативной памяти

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Структура ЭВМ

Для начала рассмотрим как устройства присоединяются к друг другу.

Системный блок - центральное устройство компьютера. Остальные устройства (их называют внешние или периферийные) присоединяются к нему через разъемы и порты.

Разъемы для присоединения внешних устройств к системному блоку находятся на заднем торце системного блока. Каждый из разъемов индивидуален по своей конфигурации - перепутать кабели от периферийных устройств при подключении невозможно.

Внутри системного блока объединяющим центром является материнская плата - к ней присоединяются все устройства, в том числе процессор.

Для правильной работы с внешним устройством процессору необходим посредник - контроллер (обозначим его К) - который знает, как работать с данным устройствам.

Ряд контроллеров смонтирован сразу на материнской плате, например, контроллеры клавиатуры и дисков. Другие располагаются на специальных платах, называемых адаптерами . Адаптеры устанавливаются на материнскую плату.

Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой "вверенного ему" внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность "заниматься своим делом", т.е. выполнять программу дальше.

Разъемы - физическое устройство, соединяющее два устройства.

Порт - логическое устройство. Выполняет две функции:

служит "посредником" при передаче данных между компьютером и устройствами ввода/вывода.

выдает процессору сигнал прерывания, по которому начинается процесс прерывания.

Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры.

Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина ( часто ее называют магистралью ).

Шина состоит из трех частей:

шина данных, по которой передается информация;

шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Описаннаю схему легко пополнять новыми устройствами - это свойство называют открытостью архитектуры . Для пользователя это означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера.

При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМ единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу компьютера. Поэтому в состав ЭВМ могут вводиться одна или несколько дополнительных шин.

Основной цикл ЭВМ

Каждая команда состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных составных частей, которые принято называть тактами . В зависимости от сложности команд она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия:

счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды;

Затем во всех случаях, за исключением команды останова или наступления прерывания, все описанные действия циклически повторяются.

После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.

Особенности архитектуры персональных компьютеров

По мере развития компьютеры существенно уменьшились в размерах, разработчики создали дополнительное оборудование, необходимое для их эффективного использования. ПК характеризуются открытой и совместимой с существующими стандартами архитектурой, возможностью подключения дополнительных функциональных устройств или их замену на более производительные.

Процессор (центральный процессор) — основной вычислительный блок персонального компьютера, содержит важнейшие функциональные устройства:

* Устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины).

Процессор - программируемое устройство обработки данных и управления работой ПК. Процессор, по существу, является устройством, выполняющим все функции элементарной вычислительной машины.

Микропроцессор - центральный процессор, выполненный на основе одной или нескольких больших (сверхбольших) интегральных схем обеспечивающих повышенную надежность и устойчивость характеристик системы. Микропроцессор характеризуется: тактовой частотой; разрядностью; архитектурой. Чем выше тактовая частота, тем выше быстродействие микропроцессора. Разрядностью микропроцессора называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. Разрядность внутренних регистров микропроцессора (внутренняя длина слова) играет определяющую роль в принадлежности микропроцессора к тому или иному классу.

Оперативная память — запоминающее устройство, используемое для оперативного хранения и обмена информацией с другими узлами машины. Устройства памяти характеризуются следующими основными показателями: быстродействием (временем доступа); емкостью. Увеличение емкости основной памяти в два раза, помимо всего прочего, увеличивает эффективную производительность ПК при решении сложных задач (когда ощущается дефицит памяти) примерно в 1,7 раза.

Каналы связи ( внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения центральных узлов ПК с ее внешними устройствами. Техническую связь и взаимодействие всех устройств между собой осуществляет интерфейс-системная шина, которая представляет собой совокупность каналов передачи электрических сигналов. Каждая линия шины имеет определенное назначение: одна группа служит для передачи данных, другая - для передачи управляющих сигналов.

Внешние устройства обеспечивают эффективное взаимодействие ПК с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими машинами. В состав внешних устройств обязательно входят внешняя память и устройства ввода-вывода. Внешние запоминающие устройства являются важной составной частью ПК, обеспечивая долговременное хранение программ и данных на различных носителях информации. Внешняя память ПК может быть представлена в виде накопителей на: магнитных и оптических дисках, на магнитной ленте. Существенным недостатком описанных видов внешней памяти является использование механических устройств. Порты ввода-вывода предназначены для временного размещения данных, передаваемых в центральную часть компьютера из внешних устройств или выводимых из центральной части в эти устройства. Имеются также порты общего назначения, к которым могут подсоединяться различные дополнительные внешние устройства.

Контрольные вопросы.

Что такое архитектура ЭВМ?

Какие Вам известны общие принципы построения ЭВМ?

Перечислите принципы Фон-Неймана

Перечислите состав системного блока

Что такое контроллер?

Перечислите контроллеры, смонтированные на материнской плате

Что такое разъем и его назначение?

Что такое порт, и какие функции он выполняет?

Что такое микропроцессор?

Какими показателями характеризуется оперативная память?

Что относится к внешним устройствам и их назначение?

Б.М. Каган «Электронно вычислительные машины и системы.» Москва «Радио и связь» 1991г

А.Д. Смирнов «Архитектура вычислительных систем» Москва «Радио и связь» 1990г.

Такая классическая схема соответствовала компьютерам 1 и 2-го поколений; 3-е поколение ЭВМ характеризуется переходом от транзисторов к большим интегральным микросхемам (БИС). Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов компьютера, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия компьютера.

Быстродействие процессора значительно выросло, что привело к противоречию между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода\вывода. Устройства ввода\вывода содержат механически движущиеся части и работают значительно более медленно. Процессор большей частью простаивал в ожидании информации из внешнего мира. Со временем процессор освободили от управления работой внешних устройств. Работой внешних устройств стали управлять «периферийные процессоры» – контроллеры (рис. 2.3). Контроллер – устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным программам обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора.

Один из самых важных контроллеров – ПДП-контроллер (ПДП – прямой допуск к памяти) обеспечивает прямой доступ к оперативной памяти. При считывании информации с диска в память и наоборот процессор должен запустить системную шину, выбрать несколько байт информации, поместить в свою внутреннюю память, снова запустить шину и эту информацию поместить в устройство, обслуживающее диск. Процесс выполнения программ замедляется за счет потери времени на эти операции. ПДП-контроллер выполняет эти операции, не загружая процессор и системную шину. Выполнение программы и пересылка информации идут одновременно.

Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин 3-го и 4-го поколения.

Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина — это линия для передачи сигналов, к которой могут параллельно подключаться несколько устройств компьютера. Шина состоит из трех частей (рис. 2.3):

ü шина данных, по которой передается информация;

ü шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

ü шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Рис. 2.3. Структура современного персонального компьютера

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами. На практике такая структура применяется только для компьютеров с небольшим числом внешних устройств. При увеличении потоков информации между устройствами компьютера единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу. В состав компьютера могут вводиться одна или несколько дополнительных шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая – для связи с «быстрыми», а третья – с «медленными» внешними устройствами.

В центральный процессор кроме регистров общего назначения (РОН) добавлена кэш-память. Промежуточные результаты при выполнении арифметических и логических операций над данными сохраняются в РОН. Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память и обратно. Кэш-память имеет большее быстродействие, чем оперативная память.

Принципиально новым в структуре современного компьютера и принципе его действия является понятие прерываний. Прерывание – это остановка работы ПК при возникновении определенного события. Прерывания появились в связи с переходом от математических вычислений, которые не зависят от внешних условий, к обработке информации в реальном масштабе времени. Компьютер должен реагировать на изменение внешних условий иногда немедленно, запоминая эти события или даже меняя алгоритм его обработки. Если в процессор извне поступает сигнал запроса на прерывание, которое обрабатывается всегда, выполнение текущей программы приостанавливается. В заранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес останова в программе. Микропроцессор выполняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. После ее завершения восстанавливаются все промежуточные результаты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.

В современных компьютерах возможна также параллельная работа нескольких процессоров. За счет распараллеливания выполнения одной задачи или параллельного выполнения многих задач достигается увеличение общей производительности компьютера. Для этого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные процессоры.

Персональный компьютер типа IBM PC, названный по имени американской компании, которая в 1981 г. впервые выпустила такие ПК (International Business Machines Personal Computer), стал стандартом персональных компьютеров.

В IBM PC была заложена возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей. Методы совместимости устройств с компьютером IBM PC не держались в секрете, а были доступны всем желающим. Этот принцип, называемый принципом открытой архитектуры, предусматривает возможность дополнения имеющихся аппаратных средств новыми устройствами без замены старых. Например, можно наращивать оперативную память, подключать новые периферийные устройства, заменять старые устройства новыми без замены компьютера. Такие операции называются «upgrade» (расширить, обновить).

Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д.

Архитектура компьютера, характеризующая его логическую организацию, может быть представлена как множество взаимосвязанных компонент, включающих элементы различной природы: программное обеспечение ( software ), аппаратное обеспечение ( hardware ), алгоритмическое обеспечение ( brainware ), специальное фирменное обеспечение ( firmware ) – и поддерживающих его слаженное функционирование в форме единого архитектурного ансамбля, позволяющего вести эффективную обработку различных объектов и данных.

Архитектура вычислительной системы определяет основные функциональные возможности системы, сферу применения (научно-техническая, экономическая, управление, и т.д.), режим работы (пакетный, мультипрограммный, диалоговый и т.д.), характеризует параметры ВС (быстродействие, набор и объем памяти, набор периферийных устройств и т.д.), особенности структуры (одно-, многопроцессорная) и т.д.

Понятие «архитектура» можно представить следующей схемой:

Архитектура ВС

Вычислительные
и логические
возможности

Алгоритмы выполнения операций

Базовая структура системы

Организация взаимодействия с внешними устройствами

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Основные блоки ЭВМ

Идея создания вычислительной машины, работающей без вмешательства человека, принадлежит Ч. Бэббиджу. Его аналитическая машина должна была содержать:

· Устройство, в котором производятся все операции по обработке всех видов информации; по современной терминологии оно называется арифметико-логическим устройством (АЛУ).

· Устройство, обеспечивающее организацию выполнения программы обработки информации и согласованное взаимодействие всех узлов машины в ходе этого процесса – устройство управления (УУ); АЛУ и УУ являются составными частями микропроцессора.

· Устройство, предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также самой программы обработки информации; это устройство называют запоминающим устройством (ЗУ) или памятью . Существуют различные виды памяти, в том числе оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и внешняя память на магнитных или оптических дисках.

· Разнообразные устройства, способные преобразовывать информацию в форму, доступную компьютеру – устройства ввода .

· Устройства, преобразующие результаты компьютерной обработки информации в доступную человеку форму – устройства вывода .

Указанные блоки входят в состав и современных компьютеров.

Классическая структура ЭВМ. Принципы фон Неймана.

Классические принципы построения ЭВМ были изложены в 1945 г. группой американских ученых, среди которых был очень известный математик и физик Джон фон Нейман. Впоследствии всем базовым принципам построения вычислительной техники стали приписывать его авторство, а архитектура с последовательным выполнением команд получила название «фон-неймановской».

Кратко сформулируем классические принципы устройства ЭВМ.

Использование двоичной системы счисления для представления чисел. В докладе Неймана были продемонстрированы преимущества двоичной системы для технической реализации узлов компьютера, удобство и простота выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать текстовую, графическую, звуковую и другие виды информации, но по-прежнему двоичное кодирование данных составляет информационную основу любого современного компьютера.

Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой команде, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Принцип однородности памяти. Программа также должна храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ей числа. С точки зрения хранения и способов обработки принципиальная разница между программой и данными отсутствует.

Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Адресом ячейки фактически является её номер; таким образом, местонахождение информации в ОЗУ также кодируется в виде чисел.

Фон Нейман с соавторами предложил структуру ЭВМ, которая полностью воспроизводилась в машинах первого и второго поколений.

Рис. Структура ЭВМ первого и второго поколений

Тонкими стрелками показаны направления движения информации, а толстыми – управляющие воздействия УУ центрального процессора.

Центральное положение процессора в схеме (рис.) является наиболее существенной особенностью устройства машин «фон-неймановской» архитектуры.

Структура современных ЭВМ.

Появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к микросхемам. Резко увеличилось быстродействие процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода/вывода. Если бы процессор руководил работой внешних устройств по классической схеме, то значительную часть он был бы вынужден простаивать в ожидании информации, что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена информацией и передаче этих функций специализированным электронным схемам. Эти схемы назывались процессорами ввода-вывода или периферийными процессорами. В настоящее время используется термин контроллер внешнего устройства.

Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой вверенного ему внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.д. Сведения об успешности выполнения такой операции заносятся во внутренние регистры контроллера и могут быть прочитаны центральным процессором.

В компьютерах четвертого поколения (рис.) для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ стали использовать принципиально новое устройство – системную шину (общую шину, магистраль).

Системная шина состоит из трех частей:

1. шина данных, по которой передается информация;

2. шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

3. шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем.

Для согласования с шиной многочисленных внешних устройств используются контроллеры (К).

Компьютеры, имеющие описанную структуру, легко пополнять новыми устройствами – это свойство называют открытостью архитектуры.

Для пользователя открытая архитектура означает возможность выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

Рис. Структура ЭВМ четвертого поколения

Центральный процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.

На приведенной на рис. схеме в составе процессора выделены четыре устройства: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), регистры общего назначения (РОН) и кэш-память.

АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными.

Промежуточные результаты сохраняются в РОН. Регистровая память наиболее быстрая из всех видов памяти. Она представляет собой несколько регистров общего назначения, которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций.

Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора, путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие, используется для хранения полученных данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память и обратно.

УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т.е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

Программа – это набор команд, под действием которых работает ЭВМ. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции. Таким образом, программы состоят из команд, а при выполнении команд процессор разбивает команды на элементарные операции. Элементарными операциями для процессора являются арифметические и логические действия, перемещение данных между регистрами процессора, счет и т.д. Каждая команда выполняется в компьютере за один или несколько тактов.

Такт работы процессора – промежуток времени между соседними импульсами генератора тактовых импульсов, частота которых есть тактовая частота процессора. Эта частота является одной из основных характеристик компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в ЭВМ выполняется за определенное число тактов. Выполнение короткой команды (арифметика с фиксированной точкой, логические операции) обычно занимает пять тактов:

1. выборка команды;

2. расшифровка кода операции (декодирование);

3. генерация адреса и выборка данных из памяти;

4. выполнение операции;

5. запись результата в память.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. ОЗУ используется для хранения программ, а также конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора. ОЗУ – это энергозависимая память, при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют тестово-мониторные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ) и др. ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется и при выключении электропитания.

ВидеоОЗУ – оперативное запоминающее устройство, предназначенное для хранения информации, отображаемой на мониторе. Содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Объем видеопамяти зависит от характера информации (текст или графика) и от количества цветов изображения.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ, внешняя память) предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры), накопители на жестких дисках (НЖД, винчестеры), накопители на гибких дисках (НГМД), накопители на оптических дисках ( CD , DVD ), накопители с использованием перепрограммируемых запоминающих устройств ( FLASH -память).

К устройствам ввода информации относятся: клавиатура, ручные манипуляторы мышь, трекбол, джойстик, трекпойнт, трекпад, сканер, сенсорные экраны, световое перо, информационные перчатки, шлем, джойстринг, диджитайзер, цифровая видеокамера, микрофон и др.

К устройствам вывода информации относятся: дисплей (монитор), принтер, плоттер, акустическая система (колонки) и др.

В составе современного компьютера с магистральной структурой имеется не одна, а несколько шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая – для связи с «быстрыми», а третья – с «медленными» внешними устройствами.

Существуют и другие структуры, в частности многопроцессорные, позволяющие вести параллельную обработку данных с помощью нескольких процессоров.

Читайте также: