Внутренняя структура вычислительной машины кратко

Обновлено: 04.07.2024

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.

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.

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.

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.

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.

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

Любое ЭВМ неймоновской архитектуры содержит следующие основные устройства:

1.Арифметическо-логическое устройство (АЛХ)

2.Устройство управления (УУ).

3.Заполняющее устройство (ЗУ).

4.Устройство ввода/вывода (УВВ).

5.Пульт управления (ПУ).

В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство и называются центральным процессором.

Процессор или микропроцессор является основным устройством ЭВМ он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в Запоминающем устройстве программы и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скорость работы процессора. Для её увеличения процессор использует собственную память небольшого объёма именуемую местной или сверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ. Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы, последовательности инструкций (команд) записанных в порядке выполнения. ЭВМ выбирает определённую команду расшифровывает её, определяет какие действия и над какими операциями следует выполнить. Эту функцию осуществляет устройство управления, оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.

2.2.Обрабатываемае данные и выполняемые программы должны находиться в ЗУ – памяти ЭВМ, куда вводятся ч/3 устройство ввода. Ёмкость памяти измеряется в величинах кратких байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу и включает в себя ЗУ различных типов, функционально она делится на 2 части: внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя или основная память – это ЗУ напрямую связанная с процессором и предназначенная для хранения выполняемых программ и данных непосредственно участвующих вычислению. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объём определяемой системы адресации машин. В свою очередь делится на оперативную ОЗУ и постоянную ПЗУ память. Оперативная память по объёму составляющая большую часть внутренней памяти и служит для приёма хранения и выдачи информации. При включении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации в отличии от содержимого оперативной памяти содержимое постоянной памяти заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы. Пример: некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и другие, при выключении ПК содержимое постоянной памяти сохраняется.

Внешняя память предназначена для размещения больших объёмов информации (диски и ленты), которые к тому же являются переносимыми. Ёмкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем ко внутренней. В ЗУ конструктивно отделены от центральных устройств ЭВМ процессора и внутренней памяти имеют собственное управление и выполняет запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а так же накопители на магнитных лентах. ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройство прямого доступа ( накопители на оптических и магнитных дисках) и устройство последовательно доступа (накопители на магнитных лентах). Устройство прямого доступа обладает большим быстродействием поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Устройство последовательного действия используется для резервирования информации.

4.Устройство ввода/вывода (УВВ) служит для ввода информации ЭВМ и вывода из неё, а так же для обеспечения общения пользователя с машиной. Процессор ввода/вывода протекает с использованием внутренней памяти ЭВМ иногда устройство ввода/вывода называют периферийными к ним в частности относят дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы типа мышь, алфавитно цифровые печатающие устройство (принтер), графонакопители, сканеры и т.д. Для управления внешними устройствами в том числе и ВЗУ и согласование с их системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устройствами, адаптеры или контролёры.

Системный интерфейс – это конструктивная часть ЭВМ предназначенная для взаимодействия её устройств и обмена информации между ними. В больших средних и супер ЭВМ в качестве системного интерфейса используются сложные устройства имеющие встроенные процессоры ввода/вывода именуемые началами такие устройства обеспечивают высокую скорость обмена данными между компонентами ЭВМ является использованием в качестве системного интерфейса системных шин. Различают ЭВМ с многошинной структурой и с общей шиной

I-Во-первых для обмена информации между устройствами используются отдельные группы шин.

II-Во-втором случае все устройства ЭВМ объединяются с помощью одной группы шин в которую входят подмножества шин для передачи данных, адреса и управляющих сигналов, при такой организации системы шин обмен информации между процессором памятью и периферийными устройствами выполняется с по единому правилу, что упрощает взаимодействие устройств машин.

Пульт управления служит для управления оператором ЭВМ или системным программистом системных операций в ходе управления вычислительного процесса, кроме того при техническом обслуживании ЭВМ за пультом управления работает инженерно технический персонал. Пульт управления конструктивно часто выполняется вместе с центральным процессором.

Общие принципы построения функциональной и структурной организации ЭВМ.

Функциональную организацию ЭВМ образуют коды, система команд, алгоритмы выполнения машинных операций технология выполнения различных процедур и взаимодействия аппаратного и программного обеспечения, способы использования устройств при организации их совместной работы. Функционирование ЭВМ может быть реализовано по-разному: аппаратно-программно, аппаратными или или программными средствами.

1.При аппаратно-программном и программными реализациями могут применены: регистры, дешифраторы, сумматоры, блоки жёсткого и аппаратурного управления или блоки микропрограммного с управлением программами(комплексами микроопераций). Устройства или комплексы устройств, реализованными в виде автоположных систем (программируемых или с жёстким управлением).

Регистр – это устройство в составе ЭВМ для приёма и запоминания одного числа, так же для выполнения определённых операций над ними. Регистр, представляет собой совокупность взаимосвязанных триггеров общей системой управления входными и выходными сигналами. Разрядность регистра определяется числом используемых в нём триггеров. По виду выполняемых операций над числами различают регистры для приёма, передачи и сдвига.

2.При программной реализации могут быть применены различные виды программ: обработчики прерывания, резидентные или загрузочные драйвера.

-com,

Будем считать, что способы реализации функций ЭВМ составляет структурную организацию ЭВМ. Тогда элементная база, функциональные узлы и устройство ЭВМ программные модули различных видов (обработчики прерываний, драйверы, com, exe, tsr, bat, программы и подфайлы и другие, являются структурными компонентами ЭВМ). При серьёзных конструктивных различиях, ЭВМ могут быть совместными, т.е. приспособленными к работе с одними и теми же программами (программная совместимость) и получению одних и тех же результатов при одной и той же однотипно представленной информации (информационная совместимость).

Если аппаратурная часть электронных вычислительных машин ЭВМ допускает их электрическое соединение для совместной работы и предусматривает обмен одинаковыми последовательности сигналов, то имеет место и техническая совместимость ЭВМ. Совместимые ЭВМ должны иметь одинаковую функциональную организацию: информационные элементы (символы)должны одинаково представляться при вводе и выводе из ЭВМ, системе команд должна обеспечивать в этих ЭВМ получение одинаковых результатов при одинаковых преобразованиях информации. Работой таких машин должны управлять функционально-совместимые операционные системы (а для этого должны быть совместимы методы и алгоритмы планирования и управления работой аппаратурно-программного вычислительного комплекса). Аппаратурные средства должны иметь согласование питающие напряжения, частотные параметры сигналов, а главное состав, структуру, и последовательность выработки управляющих сигналов. При неполной совместимости ЭВМ (при наличии различий в их функциональной реализации) применяют эмулятор т.е. программные преобразователи функциональных элементов.

1.Основные устройства ЭВМ.

2.Процессор или микропроцессор.

Любое ЭВМ неймоновской архитектуры содержит следующие основные устройства:

1.Арифметическо-логическое устройство (АЛХ)

2.Устройство управления (УУ).

3.Заполняющее устройство (ЗУ).

4.Устройство ввода/вывода (УВВ).

5.Пульт управления (ПУ).

В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство и называются центральным процессором.

I-Во-первых для обмена информации между устройствами используются отдельные группы шин.

Общие принципы построения функциональной и структурной организации ЭВМ.

-com,

Структура типовой ЭВМ.

В общем случае структуру вычислительной машины можно представить в следующем виде:

АЛУ – предназначено для выполнения арифметических и логических преобразований над данными определенной длины.

Память - предназначена для хранения информации (данных и программ). Часто состоит из оперативной памяти и внешнего запоминающего устройства.

Как правило, данные, к которым может обращаться АЛУ находятся в ОП

ВЗУ – используется для долговременного хранения данных

Управляющее устройство - автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посылая сигналы всем устройствам для реализации определенных действий (например, для выполнения определенной операции АЛУ).

УУ в своей работе руководствуется программой. Программа состоит из команд, каждая из которых, определяет какое либо действие и операнд. Программа в свою очередь основывается на алгоритме решения поставленной задачи.

Такой способ управления процессом решения задачи называется принципом программного управления.

Как правило, программы хранятся также в ОП наравне с данными. При этом перед выполнением программы собственно программа и данные должны быть помещены в ОП. Чаще всего это происходит через устройство ввода информации (клавиатура, диск). Команды выполняются в порядке следования в программе кроме команд перехода.

Устройства вывода служат для выдачи информации, результатов (например, на дисплей, принтер).

Пульт управления используется оператором для контроля хода выполнения программ и возможно для его прерывания (в ПЭВМ - отсутствует).

Решение задач с помощью ЭВМ представлено на рисунке:

Блок схема типовой ЭВМ.

Взаимосвязь аппаратных и программных средств ЭВМ.

Поскольку в основу принципа работы ЭВМ положен принцип программного управления, то это означает, что для решения задачи в ЭВМ используются средства двух видов: аппаратные и программные.

Структура системного программного обеспечения ЭВМ.

Операционная система - вычислительная и центральная часть ПО: управление вычислительным процессом, планирование работы, распределения ресурсов ЭВМ, автоматизация процессов подготовки программ и организация их выполнения, облегчение общения оператора с ЭВМ.

Пользователь не может напрямую общаться с аппаратными ресурсами. Эту задачу берет на себя ОС.

Программа технического обслуживания - для проверки оборудования, диагностики, тестирования.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

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.

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

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.

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?

Вычислительная машина должна выполнять конечное число физически реализуемых базовых операций над содержимым слов памяти. Современные однопроцессорные ЭВМ имеют архитектуру, предложенную фон Нейманом, и называются фоннеймановскими машинами. Принцип организации их работы заключается в следующем.

1. Память машины представляет собой линейную последовательность пронумерованных слов или ячеек. Номер ячейки называется её адресом.

2. Одни и те же ячейки памяти могут содержать исходные данные, полученные результаты или команды машины.

3. Команды выполняются последовательно в соответствии с порядком, определяемым программой.

Самым массовым типом ЭВМ в наше время является персональный компьютер. Персональный компьютер – это малогабаритная ЭВМ, предназначенная для индивидуальной работы, оснащенная удобным для пользователя (дружественным) программным обеспечением. Практически все модели современных персональных компьютеров имеют магистральную архитектуру (рис. 9).

Рис. 9. Магистральная архитектура ЭВМ.

Архитектура ЭВМ – это общее описание структуры и функций компьютера на уровне, достаточном для понимания принципов работы и системы команд ЭВМ. Архитектура не включает в себя описание деталей технического и физического устройства компьютера.

Связь между устройствами компьютера осуществляется через общую шину, или магистраль. Общая шина – это кабель, состоящий из множества проводов. По одной группе проводов (шина данных ) передаются данные, по другой (шина адреса) – адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть общей шины – шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др.).

Количество одновременно передаваемых по шине битов называется разрядностью шины. Каждому биту соответствует отдельный провод. Данные, передаваемые от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождаются адресом, передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки в оперативной памяти или адрес (номер) периферийного устройства.

К общей шине могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие. Возможно увеличение оперативной памяти, замена процессора на более совершенный.<>

Аппаратное подключение периферийного устройства к общей шине осуществляется через специальный блок – контроллер, или адаптер. Программное управление работой устройства осуществляет специальная программа, называемая драйвер, которая входит в состав операционной системы. Следовательно, для подключения нового периферийного устройства к компьютеру необходимо использовать соответствующий контроллер и установить в операционной системе соответствующий драйвер.

В современных персональных компьютерах в качестве процессоров используются микропроцессоры. Микропроцессор – это сверхбольшая интегральная схема, которая реализует функции процессора. Микропроцессор создается на полупроводниковом кристалле путем применения сложной микроэлектронной технологии.

Возможности компьютера как универсального устройства преобразования данных определяются системой машинных команд процессора. Отдельная команда определяет отдельную операцию компьютера. Из команд составляются программы управления работой компьютера. Типичный набор операций, выполняемых вычислительной машиной, состоит из следующих операций:

арифметические операции;
операции для проверки различных свойств элементов данных;
операции для доступа к различным частям элементов данных и их изменения;
операции управления устройствами ввода-вывода;
операции для управления последовательностью выполнения операций.

Процессор состоит из двух частей: управляющего устройства и арифметическо-логического устройства. Управляюще устройствое определяет последовательность выполнения команд и занимается поиском их в памяти. Арифметически-логическое устройство выполняет команды, передаваемые управляющим устройством. Процессор имеет несколько специальных ячеек памяти, называемых регистрами.

У каждого регистра есть определенное назначение. В регистр, называемый счетчиком команд, помещается адрес той ячейки памяти ЭВМ, в которой хранится очередная исполняемая команда программы. Во время ее исполнения эта команда помещается в регистр команд. Есть группа регистров общего назначения, в которые помещаются исходные данные и результаты выполнения команды. Полученный результат может быть переписан из регистра в оперативную память.

Каждый процессор имеет следующие характеристики.

1. Тактовая частота. Работа всех устройств процессора синхронизируется генератором тактовой частоты, который вырабатывает периодические импульсы. Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт – это промежуток времени между началом подачи текущего импульса и началом подачи следующего. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает процессор. Тактовая частота измеряется в мегагерцах.

2. Разрядность процессора. Разрядностью называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет размер 4 байта, то разрядность процессора равна 8 x 4 = 32, если 8 байтов, то 64.

3. Адресное пространство. По адресной шине процессор передает адресный код – двоичное число, обозначающее адрес ячейки памяти или внешнего устройства, куда направляется информация по шине данных. Адресное пространство – это диапазон адресов, к которым может обратиться процессор, используя адресный код. Если адресный код содержит n битов, то размер адресного пространства равен 2 n байтов. Обычно размер адресного кода равен количеству линий в адресной шине. Например, если компьютер имеет 32-разрядную адресную шину, то адресное пространство его процессора равно 2 32 = 4 Гбайтов.

Каждая команда процессора занимает в памяти один или несколько байтов и состоит из кода операции и набора операндов, над которыми выполняется операция. Например, в операции сложения операндами будут слагаемые.В зависимости от числа используемых адресов команды бывают трехадресными, двухадресными, одноадресными и безадресными. Примером безадресной команды может служить команда останова. На рис. 10 избражен формат трехадресной команды.

Рис. 10. Формат трехадресной команды.

Здесь Коп – код выполняемой операции, Адрес 1 и Адрес 2 – адреса ячеек памяти, содержащих операнды команды. Адрес 3 – адрес ячейки памяти, в которую будет помещен результат операции.

При выполнении программы вычислительная машина выполняет простой циклический алгоритм, изображенный на рис. 11.

Рис. 11. Цикл выполнения программы.

Работа компьютера заключается в выборе данных из памяти в процессор, модификации их содержимого и записи обратно в память.

Связь компьютера с внешним миром осуществляется с помощью периферийных устройств. Различаются устройства ввода, или чтения, и устройства вывода, или записи. Устройства ввода (клавиатура, мышь и др.) передают данные в память машины, устройства вывода передают данные из памяти машины на внешние устройства (монитор, принтер и др.).

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

У этого термина существуют и другие значения, см. Сигнал (значения).

Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей.

Сигна́л — код (символ, знак), созданный и переданный в пространство (по каналу связи) одной системой, либо возникший в процессе взаимодействия нескольких систем. Смысл и значение сигнала проявляются в процессе его регистрации второй (принимающей) системой.

Сигнал, детерминированный или случайный, описывают математической моделью, функцией, характеризующей изменение параметров сигнала. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несёт полезную информацию, является шум — обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путём сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учётом шума.

Понятие сигнал позволяет абстрагироваться от конкретной физической величины, например тока, напряжения, акустической волны и рассматривать вне физического контекста явления связанные кодированием информации и извлечением её из сигналов, которые обычно искажены шумами. В исследованиях сигнал часто представляется функцией времени, параметры которой могут нести нужную информацию. Способ записи этой функции, а также способ записи мешающих шумов называют математической моделью сигнала.

В связи с понятием сигнала формулируются такие базовые принципы кибернетики, как понятие о пропускной способности канала связи, разработанное Клодом Шенноном и об оптимальном приёме, разработанная В. А. Котельниковым.

Читайте также: