Fruitsekta.ru

Мир ПК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Архитектура пк это внутренняя организация

Архитектура компьютера. Принципы фон Неймана. Логические узлы компьютера. Выполнение программы

На бытовом уровне термин «архитектура» у большинства людей прочно ассоциируется с различными зданиями и другими инженерными сооружениями. Так, можно говорить об архитектуре готического собора, Эйфелевой башни или оперного театра. В других областях этот термин применяется достаточно редко, однако для компьютеров понятие «архитектура ЭВМ» (электронно-вычислительная машина) уже прочно устоялось и широко используется, начиная с 70-х годов прошлого века. Для того чтобы разобраться в том, каким образом происходит выполнение программ, сценариев на компьютере, необходимо в первую очередь знать, как устроена работа каждой из его составляющих. Основы учения об архитектуре вычислительных машин, которые рассматриваются на уроке, были заложены Джоном фон Нейманом. Более подробно о логических узлах, а также о магистрально-модульном принципе архитектуры современных персональных компьютеров можно будет узнать на этом уроке.

Введение

Современную обработку информации невозможно представить без такого устройства, как компьютер. Его следует рассматривать, как совокупность двух составляющих:

Также аппаратную часть иногда называют «железо».

Архитектура компьютера

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 (Источник)

Принципы фон Неймана

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.

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.

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 (Источник)

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.

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 (Источник)

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;
  • декодирование команды;
  • вычисление адресов операндов;
  • выборку операндов;
  • исполнение операции;
  • формирование признака результата;
  • запись 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:

Оперативная память (Рис. 4) устроена следующим образом:

  • прием информации от других устройств;
  • запоминание информации;
  • передача информации по запросу в другие устройства компьютера.

Рис. 4. ОЗУ (Оперативное запоминающее устройство) компьютера (Источник)

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.

Читать еще:  Величина полного ускорения

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

  • стационарные;
  • компактные (ноутбуки, нетбуки и т. д.);
  • карманные (смартфоны и пр.).

В системном блоке стационарного компьютера или в корпусе компактного находятся основные логические узлы – это материнская плата с процессором, блок питания, накопители внешней памяти и т. д.

Список литературы

1. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.

2. Босова Л.Л. Информатика: Рабочая тетрадь для 8 класса. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

3. Астафьева Н.Е., Ракитина Е.А., Информатика в схемах. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

4. Танненбаум Э. Архитектура компьютера. – 5-е изд. – СПб.: Питер, 2007. – 844 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет портал «Все советы» (Источник)

2. Интернет портал «Электронная энциклопедия “Компьютер”» (Источник)

3. Интернет портал «apparatnoe.narod.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. Глава 2, §2.1, 2.2. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.

2. Как расшифровывается аббревиатура ЭВМ?

3. Что подразумевает термин «Архитектура компьютера»?

4. Кем были сформулированы основные принципы, лежащие в основе архитектуры ЭВМ?

5. На чем основывается архитектура современных ЭВМ?

6. Назовите основные функции центрального процессора и оперативной памяти ПК.

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

Внутренняя архитектура компьютера

Внутренняя архитектура компьютера — это структура составляющих его компонентов, их взаимосвязи и устройство.

Общие сведения

Под архитектурой понимается концепция, которая определяет модельную структуру, набор выполняемых функций и взаимные связи составляющих элементов компьютера.

Базовая система для ввода и вывода информации является комплектом основных программ, предназначенных для контроля аппаратуры в период запуска, для запуска операционной системы, а также для обеспечения информационного обмена между блоками компьютерной системы. Базовая система ввода-вывода записана в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и поэтому все, входящие в её состав программы, выполняются при включении питания компьютера.

Программы базовой системы для ввода и вывода информации влияют на основную производительность компьютера, практически всегда они скрыты от пользователя, и он не имеет к ним доступа.

Внутренняя архитектура компьютера: сущность и структура

Под асинхронной формой связи понимается передача информационных данных через неопределённые заранее временные промежутки и за один сеанс передаётся один символ. Поскольку информация передаётся через неопределённые промежутки времени, то для определения начала передачи кода и его окончания служат специальные команды, стартовый и стоповый биты.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Беспроводная связь — это обмен данными между компьютерами или устройствами на их основе без применения проводного соединения. Одним из вариантов такой связи, который поддерживается операционной системой Windows, является передача информации посредством инфракрасных лучей. Наиболее распространена связь с применением радиосигналов.

Внутренняя архитектура компьютера зависит от используемого в его основе набора интегральных микросхем (чипсета), которые спроектированы для совместного решения комплекса поставленных задач или операций. То есть в компьютерных системах чипсет является связующим элементом, который обеспечивает согласованную работу блоков памяти, центрального процессора, ввода и вывода информации и остальных блоков. Условия выбора набора микросхем определяются центральным процессором и далее они определяют уже характеристики внешних устройств.

В информационных данных всех процессоров содержатся сведения о том, с каким набором микросхем (чипсетом) способен функционировать данный процессор. К примеру, процессор Core 2 Duo рассчитан на работу с чипсетом Intel® P965 Express и, соответственно, с материнскими платами, использующими данный чипсет.

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

Под материнской платой понимается конструкция, состоящая из печатной платы с многослойным печатным монтажом, на которой располагаются все главные составляющие элементы персональных компьютеров, а именно микросхемы:

  • центрального процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ),
  • постоянного запоминающего устройства (ПЗУ),
  • микроконтроллеров основных интерфейсных блоков ввода и вывода данных.

На материнской плате расположен также комплект разъёмов, что даёт возможность подключить другие дополнительные микроконтроллеры посредством специальных шин обмена данными (USB, PCI, PCI-Express).

Оперативное запоминающее устройство предназначается для оперативного (временного) сохранения информации и команд, которые нужны центральному процессору для осуществления необходимых операционных действий. Обмен данными с центральным процессором оперативная память выполняет через специальную память кеш или напрямую без посредничества. Всем ячейкам оперативной памяти присваивается личный адресный код. Блок оперативной памяти может быть выполнен в виде отдельной платы, или находиться в составе структуры однокристальной электронной вычислительной машины, или в микроконтроллере.

В постоянное запоминающее устройство записано программное обеспечение, которое запускается на выполнение непосредственно после включения питания. Чаще всего, ПЗУ загрузки имеет в своём составе базовую систему ввода-вывода (BIOS), но возможны и другие варианты программного обеспечения.

Читать еще:  Скачать ускорение игр бесплатно

В состав архитектуры компьютера входит также центральное вычислительное устройство или просто центральный процессор, который является исполнительным механизмом всех операций и процедур, задаваемых программным обеспечением.

Сегодня центральные процессоры, как правило, реализованы на одной микросхеме, выполняющей все необходимые функции и называемой микропроцессором. Начиная примерно с середины восьмидесятых годов двадцатого века микропроцессоры стали повсеместно использоваться как центральные процессоры и эти термины практически сегодня стали синонимами. Но на самом деле и на сегодняшний день существуют такие суперкомпьютеры, центральные процессоры которых состоят из набора больших и сверхбольших интегральных микросхем. В прошлом центральные процессоры проектировались как комплектующие конкретных компьютерных комплексов, систем и были по-своему уникальны. Затем промышленные компании, выпускающие компьютеры, начали серийно изготавливать типовые классы процессорных блоков многоцелевого назначения, что экономически было существенно выгоднее. Направление на выработку стандартов для компьютерной комплектации появилось во время стремительного прогресса полупроводников, а с ростом выпуска интегральных микросхем набрало ещё большую популярность. Технология микросхем дала возможность в разы нарастить сложность центральных процессоров и при этом существенно уменьшить их геометрические размеры.

Под видеокартой понимается блок (чаще всего в виде отдельной платы), который преобразует файлы изображений, хранящихся в устройствах памяти, в сигнал в формате видео, поступающий далее на дисплей. Как правило, платы видеокарт вставляются в специальный разъём на материнской плате, но есть исполнения, где видеокарта входит в состав материнской (системной) платы. Сегодня видеокарта — это не только вывод изображений на экран монитора, но и дополнительная обработка файлов с помощью графических микропроцессоров, снимая с центрального процессора выполнение этой задачи.

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь

Архитектура компьютера

Основной принцип построения ЭВМ носит название архитектуры фон Неймана — американского ученого венгерского происхождения Джона фон Неймана, который ее предложил.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).

Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер — техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

Персональный компьютер типа IBM PC имеет довольно традиционную архитектуру микропроцессорной системы и содержит все обычные функциональные узлы: процессор, постоянную и оперативную память, устройства ввода/вывода, системную шину, источник питания.

Архитектура персонального компьютера типа
IBM PC.

Основные особенности архитектуры персональных компьютеров сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.

Основные узлы компьютера следующие:

Центральный процессор — это микропроцессор со всеми необходимыми вспомогательными микросхемами, включая внешнюю кэш-память и контроллер системной шины. (О кэш-памяти подробнее будет рассказано в следующих разделах). В большинстве случаев именно центральный процессор осуществляет обмен по системной шине.

Оперативная память может занимать почти все адресуемое пространство памяти процессора. Однако чаще всего ее объем гораздо меньше. В современных персональных компьютерах стандартный объем системной памяти составляет, как правило, от 64 до 512 Мбайт. Оперативная память компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти и поэтому требует регенерации.

Постоянная память (ROM BIOS — Base Input/Output System) имеет небольшой объем (до 64 Кбайт), содержит программу начального запуска, описание конфигурации системы, а также драйверы (программы нижнего уровня) для взаимодействия с системными устройствами.

Контроллер прерываний преобразует аппаратные прерывания системной магистрали в аппаратные прерывания процессора и задает адреса векторов прерывания. Все режимы функционирования контроллера прерываний задаются программно процессором перед началом работы.

Контроллер прямого доступа к памяти принимает запрос на ПДП из системной магистрали, передает его процессору, а после предоставления процессором магистрали производит пересылку данных между памятью и устройством ввода/вывода. Все режимы функционирования контроллера ПДП задаются программно процессором перед началом работы. Использование встроенных в компьютер контроллеров прерываний и ПДП позволяет существенно упростить аппаратуру применяемых плат расширения.

Контроллер регенерации осуществляет периодическое обновление информации в динамической оперативной памяти путем проведения по шине специальных циклов регенерации. На время циклов регенерации он становится хозяином (задатчиком) шины.

Перестановщик байтов данных помогает производить обмен данными между 16-разрядным и 8-разрядным устройствами, пересылать целые слова или отдельные байты.

Читать еще:  Что характеризует тангенциальное ускорение

Часы реального времени и таймер-счетчик — это устройства для внутреннего контроля времени и даты, а также для программной выдержки временных интервалов, программного задания частоты и т.д.

Системные устройства ввода/вывода — это те устройства, которые необходимы для работы компьютера и взаимодействия со стандартными внешними устройствами по параллельному и последовательному интерфейсам. Они могут быть выполнены на материнской плате, а могут располагаться на платах расширения.

Платы расширения устанавливаются в слоты (разъемы) системной магистрали и могут содержать оперативную память и устройства ввода/вывода. Они могут обмениваться данными с другими устройствами на шине в режиме программного обмена, в режиме прерываний и в режиме ПДП. Предусмотрена также возможность захвата шины, то есть полного отключения от шины всех системных устройств на некоторое время.

Важная особенность подобной архитектуры — ее открытость , то есть возможность включения в компьютер дополнительных устройств, причем как системных устройств, так и разнообразных плат расширения. Открытость предполагает также возможность простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения компьютера.

Первый компьютер семейства, получивший широкое распространение, IBM PC XT, был выполнен на базе оригинальной системной магистрали PC XT-Bus. В дальнейшем (начиная с IBM PC AT) она была доработана до магистрали, ставшей стандартной и получившей название ISA (Industry Standard Architecture). До недавнего времени ISA оставалась основой компьютера.

Однако, начиная с появления процессоров i486 (в 1989 году), она перестала удовлетворять требованиям производительности, и ее стали дублировать более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) или заменять совместимой с ISA магистралью EISA (Enhanced ISA). Постепенно шина PCI вытеснила конкурентов и стала фактическим стандартом, а начиная с 1999 года в новых компьютерах рекомендуется полностью отказываться от магистрали ISA, оставляя только PCI. Правда, при этом приходится отказываться от применения плат расширения, разработанных за долгие годы для подключения к магистрали ISA.

Другое направление совершенствования архитектуры персонального компьютера связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью . Именно из системной памяти компьютер читает все исполняемые команды, и в системной же памяти он хранит данные. То есть больше всего обращений процессор совершает именно к памяти. Ускорение обмена с памятью приводит к существенному ускорению работы всей системы в целом.

Но при использовании для обмена с памятью системной магистрали приходится учитывать скоростные ограничения магистрали. Системная магистраль должна обеспечивать сопряжение с большим числом устройств, поэтому она должна иметь довольно большую протяженность; она требует применения входных и выходных буферов для согласования с линиями магистрали. Циклы обмена по системной магистрали сложны, и ускорять их нельзя. В результате существенного ускорения обмена процессора с памятью по магистрали добиться невозможно.

Разработчиками был предложен следующий подход. Системная память подключается не к системной магистрали, а к специальной высокоскоростной шине, находящейся «ближе» к процессору, не требующей сложных буферов и больших расстояний. В таком случае обмен с памятью идет с максимально возможной для данного процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это становится с ростом быстродействия процессора (сейчас тактовые частоты процессоров персональных компьютеров достигают 1 — 3 ГГц).

Таким образом, структура персонального компьютера из одношинной, применявшейся только в первых компьютерах, становится трехшинной.

Организация связей в случае трехшинной структуры

Назначение шин следующее:

к локальной шине подключаются центральный процессор и кэш-память (быстрая буферная память);

к шине памяти подключается оперативная и постоянная память компьютера, а также контроллер системной шины;

к системной шине (магистрали) подключаются все остальные устройства компьютера.

Все три шины имеют адресные линии, линии данных и управляющие сигналы . Но состав и назначение линий этих шин не совпадают между собой, хотя они и выполняют одинаковые функции. С точки зрения процессора, системная шина (магистраль) в системе всего одна, по ней он получает данные и команды и передает данные как в память, так и в устройства ввода/вывода.

Временные задержки между системной памятью и процессором в данном случае минимальны, так как локальная шина и шина памяти соединены только простейшими быстродействующими буферами. Еще меньше задержки между процессором и кэш-памятью, подключаемой непосредственно к локальной шине процессора и служащей для ускорения обмена процессора с системной памятью.

Если в компьютере применяются две системные шины, например, ISA и PCI, то каждая из них имеет свой собственный контроллер шины, и работают они параллельно, не влияя друг на друга. Тогда получается уже четырехшинная, а иногда и пятишинная структура.

Пример многошинной структуры

В наиболее распространенных настольных компьютерах класса Desktop в качестве конструктивной основы используется системная или материнская плата (motherboard), на которой располагаются все основные системные узлы компьютера, а также несколько разъемов (слотов) системной шины для подключения дочерних плат — плат расширения (интерфейсных модулей, контроллеров, адаптеров). Как правило, современные системные платы допускают замену процессора, выбор его тактовой частоты, замену и наращивание оперативной памяти, выбор режимов работы других узлов.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector
×
×