Общее представление архитектуры компьютера принципы 3м

Обновлено: 07.07.2024

4. Функции некоторых узлов компьютера

5. Магистрально-модульный принцип

Рекомендованная литература:

1.Е.В. Михеева// Информационные технологии в профессиональной деятельности: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования /Е.В. Михеева, О.И. Титова. М.: Издательский центр «Академия», 2019.-416с.

1. Принципы фон Неймана

Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются процессор, внутренняя память (основная и оперативная), внешняя память и устройства ввода-вывода информации (периферийные) (Рис. 1).

Рис. 1. Условная модель структуры архитектуры ЭВМ

Принципы, лежащие в основе архитектуры ЭВМ, были сформулированы в 1945 году Джоном фон Нейманом, который развил идеи Чарльза Беббиджа, представлявшего работу компьютера как работу совокупности устройств: обработки, управления, памяти, ввода-вывода.

Принципы фон Неймана.

1. Принцип однородности памяти. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

2. Принцип адресуемости памяти. Основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

3. Принцип последовательного программного управления. Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

4. Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

2. Гарвардская архитектура

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана, имеют классическую архитектуру, но, кроме нее, существуют другие типы архитектуры. Например, Гарвардская. Ее отличительными признаками являются:

· хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства;

· канал инструкций и канал данных также физически разделены.

3. Этапы развития ЭВМ

В истории развития вычислительной техники качественный скачок происходил примерно каждые 10 лет. Такой скачок связывает с появлением нового поколения ЭВМ. Идея делить машины появилась по причине того, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения ее структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования. Более подробно все этапы развития ЭВМ показаны на Рис. 2. Для того чтобы понять, как и почему одно поколение сменялось другим, необходимо знать смысл таких понятий, как память, быстродействие, степень интеграции и т. д.

Рис. 2. Поколения ЭВМ

Среди компьютеров не классической, не фон Неймановской архитектуры, можно выделить так называемые нейрокомпьютеры. В них моделируется работа клеток головного мозга человека, нейронов, а также некоторых отделов нервной системы, способных к обмену сигналами.

4. Функции некоторых узлов компьютера

Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции. Функции процессора (Рис. 3):

- обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);

- управление всеми остальными устройствами компьютера.

Рис. 3. Центральный процессор компьютера

Программа состоит из отдельных команд. Команда включает в себя код операции, адреса операндов (величин, которые участвуют в операции) и адрес результата.

Выполнение команды делится на следующие этапы:

формирование адреса следующей команды;

вычисление адресов операндов;

формирование признака результата;

Не все из этапов присутствуют при выполнении любой команды (зависит от типа команды), однако этапы выборки, декодирования, формирования адреса следующей команды и исполнения операции имеют место всегда. В определенных ситуациях возможны еще два этапа:

· реакция на прерывание.

Оперативная память (Рис. 4) устроена следующим образом:

· прием информации от других устройств;

· передача информации по запросу в другие устройства компьютера

Рис. 4. ОЗУ (Оперативное запоминающее устройство) компьютера

5. Магистрально-модульный принцип

В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип (Рис. 5). Модульный принцип позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. Он опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями. Системная шина или магистраль компьютера включает в себя несколько шин различного назначения. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины:

Рис. 5. Магистрально-модульный принцип построения ПК

Шина данных используется для передачи различных данных между устройствами компьютера; шина адреса применяется для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода; шина управления включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т. д.

Такой принцип справедлив для различных компьютеров, которые можно условно разделить на три группы:

· компактные (ноутбуки, нетбуки и т. д.);

· карманные (смартфоны и пр.).

Контрольное задание: составить опорный конспект лекции.

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

В основу строения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы, которые были сформулированы в 1945 году. Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей общей статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В следствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальные и сегодня.

В сущности, Нейману прибегло обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на них основе принципиально новое:

Рисунок 3.1 – Джон фон Нейман, 1945 г.

Использование двоичной системы исчисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой исчисления заключается в том, что устройства можно делать довольно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе исчисления также выполняются довольно просто.

Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, которая составляется из набора команд. Команды выполняются последовательно одна за одной. Созданием машины с программой, которая хранится в памяти, дало начало тому, что мы сегодня называем программированием.

Выборка программы по памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает адрес очередной команды, которая хранится в нем, на длину команды. А поскольку команды программы расположены в памяти одна за одной, то тем самым организовывается выборка цепочки команд из последовательно расположенных элементов памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер элемента памяти, содержащего следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”. Таким образом, процессор выполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе исчисления, то есть их образ записи одинаковый. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, которые и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, которая позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организовывается выполнения циклов и подпрограмм). Больше того, команды одной программы могут быть получены как результаты выполнения другой программы.

На этом принципе основанные методы трансляции ‒ перевода текста программы по языки программирования высокого уровня на язык конкретной машины

Принцип адресности: элементы памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любому элементу памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку коды.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, которые принципиально отличаются от последних. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, то есть они могут работать без “счетчика команд”, который указывает текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-нибудь переменной, что хранится в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, в калькуляторе). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно ж, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было программы, которая хранилась в памяти) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) нужно было потратить далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться года, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

3.2 Принцип работы машины фон Неймана

Машина фон Неймана - устройство, которое состоит из запоминающего устройства (памяти) ‒ ЗУ, арифметико-логического устройства ‒ АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода (рис. 3.2).

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние элементы памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных каморках. В любой программе последняя команда должна быть командой завершения работы.

Рисунок 3.2 – Схема машины фон Неймана

Команда состоит из указания, какую операцию нужно выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов элементов памяти, где хранятся данные, над которыми нужно выполнить указанную операцию, а также адреса ячеек, куда нужно записать результат (если его нужно сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное отличие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройстве вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ руководит всеми частями компьютера. От устройства, которое управляет, на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Устройство, которое управляет, содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ прочитывает из памяти содержимое элемента памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство – «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, таким образом, указывает на следующую команду программы. Когда нужно выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отдаленную от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда нужно передать управление.

3.3 Архитектура и структура ПК

При рассмотрении компьютерных устройств приняты различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, который включает описание предназначенных для пользователя возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и так далее. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, 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 разные устройства – от основных логических узлов компьютера до простых схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространенными есть такие архитектурные решения (рис. 3.3):

Рисунок 3.3 – Существующие типы архитектур компьютеров

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер.

К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, которая называется системной магистралью.

Физически магистраль есть многопроводной линией с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры – устройства управления периферийными устройствами.

Контролер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Многопроцессорная архитектура . Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, которая имеет общую оперативную память и несколько процессоров, представленная на рис.1.3.

Многомашинная вычислительная система -несколько процессоров, которые входят в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется довольно широко. Однако эффект от употребления такой вычислительной системы может быть получен лишь при решении задач, которые имеют очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе. Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это значит, что множество данных может обрабатываться одной программой – то есть по одним потоком команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить лишь на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на разных однотипных наборах данных.

3.4 Строение компьютера

Рассмотрим устройство компьютера на примере наиболее распространенной компьютерной системы – персонального компьютера. Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры по обыкновению проецируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры состоит в следующем:

регламентируются и стандартизируются лишь описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собрать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;
компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширяющих гнезд, в которые пользователь может вставлять всяческие устройства, которые удовлетворяют заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины согласно своим личным преимуществам.

Упрощенная блок-схема, которая отображает основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Общая структура персонального компьютера

Для того, чтобы соединить друг с другом разные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter – между, и face – лицо).

Интерфейс – это средство согласования двух приборов, в которых все физические и логические параметры соглашаются между собой.

Если интерфейс есть общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным. Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связанный с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не непосредственно, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты приблизительно по такой схеме (рис. 3.5):

Рисунок 3.5 – Схема подключения прибора к шины

Контролерами и адаптерами являются наборы электронных цепей, которыми обеспечиваются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контролеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Портами устройств есть какие-то электронные схемы, которые содержат один или несколько регистров ввода-вывода, и что позволяют подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы). Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами – побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют те устройства, которые медленно действуют или довольно отдаленные устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют "более быстрые" устройства – принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяют джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые являются просто разъемами.

Основные электронные компоненты, которые определяют архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (Motherboard). А контролеры и адаптеры дополнительных устройств, или сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (Dаughterboard – дочерняя плата) и подключаются к шины с помощью разъемов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot – щель, паз).

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.

Конспект урока "Архитектура персонального компьютера"

На этом уроке мы с вами познакомимся с магистрально-модульным принципом построения компьютера, узнаем, что относится к основным логическим узлам компьютера, рассмотрим, какие устройства находятся на материнской плате, и многое другое.

Компьютер – это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.

К основным логическим узлам компьютера относятся центральный процессор, основная память, внешняя память, периферийные устройства.

Персональные компьютеры начали появляться благодаря развитию микропроцессоров в 1980-х годах.

Архитектура персонального компьютера – это логическая организация, структура и ресурсы, то есть средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определённый интервал времени.

В основе архитектуры современных персональных компьютеров лежит магистрально-модульный принцип. Давайте рассмотрим рисунок.

Итак, перед вами изображена архитектура персонального компьютера. На ней изображены функциональные блоки персонального компьютера, к которым относятся устройства ввода/вывода, внешние запоминающие устройства, центральный процессор, память и видеопамять. Все эти блоки соединены между собой информационной магистралью, которая называется системной шиной. Она состоит из трёх частей: шина данных, шина адреса, шина управления. Шина данных используется для передачи данных к функциональным блокам. Шина адреса предназначена для передачи адресов устройств, которым передаются данные. И последняя, шина управления используется для передачи управляющих сигналов, которые синхронизируют работу разных устройств. То есть через шину передаются все данные от одного устройства к другому.

Также на рисунке у нас есть такие элементы, как контроллеры. Контроллеры – это периферийные устройства, которые управляют внешними устройствами. Передача всех данных осуществляется через шину.

Также мы можем видеть на рисунке сплошные и пунктирные стрелки. Сплошными стрелками изображены направления потоков информации, а пунктирными – направление управляющих сигналов.

В этой архитектуре существует такое значительное достоинство, как принцип открытой архитектуры. То есть мы можем подключать к компьютеру новые устройства или заменять старые на более современные. Для каждого типа и модели устройства используется свой контроллер.

Например, если мы подключим компьютерную мышь через USB-порт, то она определится у нас на компьютере только после установки в операционную систему специальной программы для управления этим устройством. Такие программы называются драйверами устройств.

Таким образом, можно сформулировать следующее определение: открытая архитектура персонального компьютера – это архитектура, предусматривающая модульное построение компьютера с возможностью добавления и замены отдельных устройств.

Это то, что касается принципов обмена информацией между устройствами.

Материнская плата – это сложная многослойная печатная плата, являющаяся основой построения вычислительной системы.

Изначально дополнительные устройства (например, внутренний модем, сетевой адаптер беспроводной связи Wi-fi, звуковая плата и так далее) подключались к материнской плате с помощью слотов расширения и разъёмов.

В наше время такая необходимость отпала, так как большинство дополнительных устройств уже встроены в современные материнские (системные) платы.

Основными (несъёмными) частями материнской платы являются разъём процессора, разъёмы оперативной памяти, микросхемы чипсета, загрузочное ПЗУ, контроллеры шин и их слоты расширения, контроллеры и интерфейсы периферийных устройств.

Важнейшей частью материнской платы является чипсет. Чипсет – это набор микросхем, который связывает память, процессор, видеоадаптер, устройства ввода/вывода и другие элементы персонального компьютера, для выполнения совместных функций.

В современных компьютерах находятся две основные большие микросхемы чипсета: контроллер-концентратор памяти (северный мост) и контроллер-концентратор ввода/вывода (южный мост).

Давайте рассмотрим схему архитектуры персонального компьютера.

Северный мост отвечает за работу процессора с оперативной памятью и видеосистемой. От его параметров (тип, частота, пропускная способность) зависят параметры подключённых к нему устройств: системной шины, оперативной памяти, видеоадаптера. Северный мост подключается напрямую к центральному процессору через системную шину.

Южный мост обеспечивает работу с внешними устройствами и обычно подключается к центральному процессору через северный мост при помощи внутренней шины.

Все устройства компьютера соединены между собой шинами различных видов.

Быстродействие процессора, оперативной памяти и периферийных устройств существенно различаются. Быстродействие устройства, в свою очередь, зависит от тактовой частоты обработки данных, которая обычно измеряется в мегагерцах, и разрядности. Разрядность – это количество битов данных, обрабатываемых за один такт. Такт – это промежуток времени между подачами электрических импульсов, которые синхронизируют работу устройств компьютера.

Пропускная способность шины – это скорость передачи данных между устройствами, которые она соединяет. А исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что скорость передачи данных различных шин будет также отличаться. Рассмотрим формулу для вычисления пропускной способности шины (измеряется в битах в секунду). Она равна произведению разрядности шины и частоты шины. Разрядность измеряется в битах, частота – в герцах, в свою очередь, 1 герц равен 1 такту в секунду.

Например, для быстрой работы компьютера пропускная способность шины оперативной памяти должна совпадать с пропускной способностью шины процессора.

Как говорилось ранее, Северный мост связан с процессором системной шиной. Например, если разрядность системной шины составляет 64 бита, а частота – 1066 МГц, то пропускная способность будет равна:

Перейдём к частоте процессора. Тактовая частота процессора показывает, сколько процессор может произвести вычислений в единицу времени. Из этого следует вывод, что чем больше частота, тем больше операций в единицу времени может выполнить процессор. Тактовая частота современных процессоров составляет от 1 до 4 ГГц. Рассмотрим формулу. Тактовая частота равна произведению внешней или базовой частоты на определённый коэффициент. Коэффициент зависит от характеристик процессора. Например, процессор Intel Core i7 920 использует частоту шины 133 МГц и множитель 20. Значит, тактовая частота будет равна:

133 · 20 = 2660 МГц.

Шина памяти соединяет оперативную память и северный мост, и, соответственно, служит для передачи данных между этими устройствами.

Частота шины памяти может быть больше частоты системной шины.

Следующая шина, которую мы рассмотрим, – PCI Express. Она соединяет видеоплату с северным мостом.

Так как в наше время очень быстро развивается компьютерная графика, то потребность в скорости передачи данных от видеоплаты к оперативной памяти и процессору возрастает. Наибольшее распространение получила шина PCI Express – это ускоренная шина взаимодействия периферийных устройств. Её пропускная способность может достигать до 32 гигабайт в секунду.

К самой же видеоплате с помощью аналогового разъёма VGA (графический адаптер) или цифрового разъёма DVI (цифровой видеоинтерфейс) подключается монитор или проектор.

Жёсткие диски, CD-дисководы, DVD-дисководы подключаются к южному мосту при помощи шины SATA – это последовательная шина подключения накопителей.

Скорость передачи данных по ней может достигать 300 Мбайт в секунду.

Для подключения периферийный устройств (принтера, клавиатуры, сканера и других), которые имеют USB-выход, к южному мосту используется шина USB – это универсальная последовательная шина.

Её пропускная способность достигает 60 Мегабайт в секунду. При помощи шины USB к компьютеру можно одновременно подключить до 127 периферийных устройств.

При увеличении производительности процессора происходит увеличение производительности самого компьютера.

Увеличение производительности процессора происходит за счёт увеличения частоты. Но, как говорится, всему есть свой предел. При увеличении частоты процессора происходит также увеличение тепловыделения, которое не может быть не ограниченным. Выделение процессором теплоты Q пропорционально потребляемой мощности P, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату частоты.

Поэтому для того, чтобы увеличить производительность процессора, начали увеличивать количество ядер процессора (арифметических логических устройств).

В 2005 году был создан первый двухъядерный микропроцессор. Это сделали практически одновременно две фирмы – Intel и AMD. Такая архитектура позволяет производить на персональном компьютере параллельную обработку данных, что существенно увеличивает его производительность. Можно сказать, что в архитектуре находятся 2 центральных процессора, работа которых согласована между собой, и они объединены между собой, например, контроллером. За счёт этого поток данных идёт не к одному центральному процессору, а разделяется на два. И увеличивается быстродействие компьютера.

В настоящее время количество ядер в микропроцессорах достигает 8.

А сейчас пришло время подвести итоги урока.

Сегодня мы с вами познакомились с магистрально-модульным принципом построения компьютера. Рассмотрели, какие устройства находятся на материнской плате. А также подробно ознакомились с архитектурой персонального компьютера.

Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.

§ 7. Основополагающие принципы устройства ЭВМ

Информатика. 10 класса. Босова Л.Л. Оглавление

7.1. Принципы Неймана-Лебедева

В каждой области науки и техники существуют фундаментальные идеи или принципы, определяющие на многие годы вперёд её содержание и направление развития. В компьютерных науках роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя крупнейшими учёными XX века — Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.

Принцип — основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.

Принципы Неймана-Лебедева — базовые принципы построения ЭВМ, сформулированные в середине прошлого века, не утратили свою актуальность и в наши дни.

Джон фон Нейман (1903-1957) — американский учёный, сделавший важный вклад в развитие целого ряда областей математики и физики. В 1946 г., анализируя сильные и слабые стороны ЭНИАКа, совместно с коллегами пришёл к идее нового типа организации ЭВМ.

Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) — академик, основоположник вычислительной техники в СССР, главный конструктор первой отечественной электронной вычислительной машины МЭСМ, автор проектов компьютеров серии БЭСМ (Большая Электронная Счётная Машина), разработчик принципиальных положений суперкомпьютера «Эльбрус». В 1996 году посмертно награждён медалью «Пионер компьютерной техники» — самой престижной наградой международного компьютерного сообщества.

Рассмотрим сущность основных принципов Неймана-Лебедева:

1) состав основных компонентов вычислительной машины;
2) принцип двоичного кодирования;
3) принцип однородности памяти;
4) принцип адресности памяти;
5) принцип иерархической организации памяти;
6) принцип программного управления.

Первый принцип определяет состав основных компонентов вычислительной машины.

Любое устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь определённый набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.

Функциональная схема такого компьютера, отражающая программное управление работой и взаимодействием его основных узлов, представлена на рисунке 2.5.

Рис. 2.5. Функциональная схема компьютеров первых поколений

Его информационным центром является процессор:

• все информационные потоки (тонкие стрелки на рисунке) проходят через процессор;
• управление всеми процессами (толстые стрелки на рисунке) также осуществляется процессором.

Такие блоки есть и у современных компьютеров. Это:

• процессор, состоящий из арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего обработку данных, и устройства управления (УУ), обеспечивающего выполнение программы и организующего согласованное взаимодействие всех узлов компьютера;
• память, предназначенная для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также самой программы обработки информации. Различают память внутреннюю и внешнюю. Основная часть внутренней памяти используется для временного хранения программ и данных в процессе обработки. Такой вид памяти принято называть оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Ещё одним видом внутренней памяти является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее программу начальной загрузки компьютера. Внешняя или долговременная память предназначена для длительного хранения программ и данных в периоды между сеансами обработки;
• устройства ввода, преобразующие входную информацию в форму, доступную компьютеру;
• устройства вывода, преобразующие результаты работы компьютера в форму, доступную для восприятия человеком.

Вместе с тем в архитектуре современных компьютеров и компьютеров первых поколений есть существенные отличия. О них будет сказано чуть ниже.

Рассмотрим суть принципа двоичного кодирования информации.

Вся информация, предназначенная для обработки на компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а также программы её обработки представляются в виде двоичного кода — последовательностей 0 и 1.

Все современные компьютеры хранят и обрабатывают информацию в двоичном коде. Выбор двоичной системы счисления обусловлен рядом важных обстоятельств: простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления, её «согласованностью» с булевой логикой, простотой технической реализации двоичного элемента памяти (триггера).

Несмотря на всеобщее признание, использование в компьютерной технике классической двоичной системы счисления не лишено недостатков. В первую очередь это проблема представления отрицательных чисел, а также нулевая избыточность (т. е. отсутствие избыточности) двоичного представления. Пути преодоления указанных проблем были найдены уже на этапе зарождения компьютерной техники.

В 1958 г. в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова под руководством И. П. Брусенцова был создан троичный компьютер «Сетунь» (рис. 2.6). В нём применялась уравновешенная троичная система счисления, использование которой впервые в истории позволило представлять одинаково просто как положительные, так и отрицательные числа.

Итак, благодаря двоичному кодированию, данные и программы по форме представления становятся одинаковыми, а следовательно, их можно хранить в единой памяти.

Рис. 2.6. ЭВМ «Сетунь»

Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти, и внешне в памяти они неразличимы. Распознать команды и данные можно только по способу использования. Это утверждение называют принципом однородности памяти.

Так как представленные в памяти команды и данные внешне неразличимы, то одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда в зависимости лишь от способа обращения к нему. Так, если к двоичной последовательности обращаются как к числу, то в ней выделяют поле (область) знака и поле значащих разрядов. Если к двоичной последовательности обращаются как к команде, то в ней выделяют поле кода операции и поле адресов операндов.

Однородность памяти позволяет производить операции не только над данными, но и над командами. Взяв в качестве данных для некоторой программы команды другой программы, в результате её исполнения можно получить команды третьей программы. Данная возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.

Структурно оперативная память компьютера состоит из отдельных битов — однородных элементов, обладающих двумя устойчивыми состояниями, одно из которых соответствует нулю, а другое — единице. Для записи или считывания группы соседних битов объединяются в ячейки памяти, каждая из которых имеет свой номер (адрес).

Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса). Это принцип адресности памяти.

Очень важно, что информация может считываться из ячеек и записываться в них в произвольном порядке, т. е. процессору в произвольный момент доступна любая ячейка памяти. Организованную таким образом память принято называть памятью с произвольным доступом.

Разрядность ячеек памяти (количество битов в ячейке) у компьютеров разных поколений была различной. Основой оперативной памяти современных компьютеров является восьмибитная ячейка. Ячейка такой разрядности может быть использована для работы с одним символом. Для хранения чисел используется несколько последовательных ячеек (четыре — в случае 32-битного числа).

На современных компьютерах может одновременно извлекаться из памяти и одновременно обрабатываться до 64 разрядов (т. е. до восьми байтовых (восьмибитных) ячеек). Это возможно благодаря реализации на них принципа параллельной обработки данных — одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий.

Можно выделить два основных требования, предъявляемых к памяти компьютера:
1) объём памяти должен быть как можно больше;
2) время доступа к памяти должно быть как можно меньше.

Создать запоминающее устройство, одновременно удовлетворяющее двум этим требованиям, затруднительно. Действительно, в памяти большого объёма требуемые данные искать сложнее, в результате чего их чтение замедляется. Для ускорения чтения нужно использовать более сложные технические решения, что неизбежно приводит к повышению стоимости всего компьютера. Решение проблемы — использование нескольких различных видов памяти, связанных друг с другом. В этом и состоит суть принципа иерархической организации памяти.

Трудности физической реализации запоминающего устройства высокого быстродействия и большого объёма требуют иерархической организации памяти.

В современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по своим основным характеристикам: времени доступа, сложности, объёму и стоимости. При этом более высокий уровень памяти меньше по объёму, быстрее и имеет большую стоимость в пересчёте на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне.

Большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещён в более быструю, но дорогостоящую и поэтому небольшую память. Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительного комплекса.

Главное отличие компьютеров от всех других технических устройств — это программное управление их работой.

Принцип программного управления определяет общий механизм автоматического выполнения программы.

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности команд. Команды представляют собой закодированные управляющие слова, в которых указывается:

• какое выполнить действие;
• из каких ячеек считать операнды (данные, участвующие в операции);
• в какую ячейку записать результат операции.

Команды, входящие в программу, выполняются процессором автоматически в определённой последовательности. При этом выполняется следующий цикл действий:

1) чтение команды из памяти и её расшифровка;
2) формирование адреса очередной команды;
3) выполнение команды.

Этот цикл повторяется до достижения команды, означающей окончание выполнения программы, решающей некоторую конкретную задачу. В современных компьютерах по завершении работы программы управление передаётся операционной системе.

7.2. Архитектура персонального компьютера

Современные персональные компьютеры различаются по своим размерам, конструкции, разновидностям используемых микросхем и модулей памяти, другим характеристикам. В то же время все они имеют единое функциональное устройство, единую архитектуру — основные узлы и способы взаимодействия между ними (рис. 2.7).

Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.

На рисунке 2.7 изображены хорошо известные вам узлы современного компьютера:
процессор,
внутренняя память,
устройства ввода,
устройства вывода и внешняя память.

Рис. 2.7. Функциональная схема компьютера (К — контроллер)

Обмен данными между устройствами компьютера осуществляется с помощью магистрали.

Магистраль (шина) — устройство для обмена данными между устройствами компьютера.Магистраль состоит из трёх линий связи:

• шины адреса, используемой для указания физического адреса, к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи;
• шины данных, предназначенной для передачи данных между узлами компьютера;
• шины управления, по которой передаются сигналы, управляющие обменом информацией между устройствами и синхронизирующие этот обмен.

В компьютерах, имевших классическую фон-неймановскую архитектуру, процессор контролировал все процессы ввода/вывода. При этом быстродействующий процессор затрачивал много времени на ожидание результатов работы от значительно более медленных внешних устройств. Для повышения эффективности работы процессора были созданы специальные электронные схемы, предназначенные для обслуживания устройств ввода/вывода или внешней памяти.

Контроллер — это специальный микропроцессор, предназначенный для управления внешними устройствами: накопителями, мониторами, принтерами и т. д.

Благодаря контроллерам данные по магистрали могут передаваться между внешними устройствами и внутренней памятью напрямую, минуя процессор. Это приводит к существенному снижению нагрузки на центральный процессор и повышает эффективность работы всей вычислительной системы.

Современные компьютеры обладают магистрально-модульной архитектурой, главное достоинство которой заключается в возможности легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.

Если спецификация на шину (детальное описание всех её параметров) является открытой (опубликованной), то производители могут разработать и предложить пользователям разнообразные дополнительные устройства для компьютеров с такой шиной. Подобный подход называют принципом открытой архитектуры. Благодаря ему пользователь может собрать именно такую компьютерную систему, которая ему нужна.

7.3. Перспективные направления развития компьютеров

Мир современных компьютеров необычайно разнообразен. Кроме микропроцессоров, встраиваемых во всевозможные устройства, и разных типов персональных компьютеров существуют значительно более мощные вычислительные системы.

Это серверы в глобальной компьютерной сети, управляющие её работой и хранящие огромные объёмы информации.

Это многопроцессорные системы параллельной обработки данных, обеспечивающие:

• сокращение времени решения вычислительно сложных задач;
• сокращение времени обработки больших объёмов данных;
• решение задач реального времени;
• создание систем высокой надёжности.

Время однопроцессорных вычислительных систем прошло. Не только суперкомпьютеры, но и современные персональные компьютеры, ноутбуки, игровые приставки основаны на многопроцессорных, многоядерных и других технологиях, предполагающих одновременное выполнение множества инструкций.

В наши дни электронная техника уже подошла к предельным значениям своих технических характеристик, которые определяются физическими законами. Поэтому идёт поиск неэлектронных средств хранения и обработки данных, ведутся работы по созданию квантовых и биологических компьютеров, проводятся исследования в области нанотехнологий.

САМОЕ ГЛАВНОЕ

К основополагающим принципам построения компьютеров (принципам Неймана-Лебедева) можно отнести следующие:

Классическая архитектура компьютеров первых поколений предполагала осуществление взаимодействия всех устройств через процессор и наличие неизменного набора внешних устройств.

Современные персональные компьютеры обладают открытой магистрально-модульной архитектурой — устройства взаимодействуют через шину, что способствует оптимизации процессов обмена информацией внутри компьютера. Второе преимущество современной архитектуры — возможность легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.

Вопросы и задания

1. Перечислите основные фундаментальные идеи, лежащие в основе построения компьютеров.

2. Какие устройства принято выделять в компьютерах классической архитектуры? Сравните их с устройством машины Беббиджа.

3. Чем обусловлен выбор двоичного кодирования для представления информации в компьютере?

4. Как вы понимаете утверждение «Одно и то же значение ячейки памяти в зависимости от способа обращения к нему может использоваться и как данные, и как команда»?

5. В чём состоит суть принципа адресности памяти?

6. Почему в современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по времени доступа, сложности, объёму и стоимости?

7. В чём состоит суть принципа программного управления?

9. Для чего предназначена магистраль (шина)? Из каких частей она состоит?

10. Что такое магистрально-модульная архитектура? В чём её главное достоинство?

Читайте также: