Архитектура компьютера

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение……………………………………………………………………….2
2. Современные многоуровневые компьютеры………………………………..4
1. Обобщенная структура компьютера …………………………………….5
3. Устройство компьютера………………………………………………………8
1. Память компьютера……………………………………………..……....9
1. Внутренняя память…………………………………………………..9
2. Внешняя память…………………………………………………….10
4. Архитектура фон-Неймана ……………………………………………….…13
5. Заключение …………………………………………………………….…….17
6. Список использованных источников ………………………………………18

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Изыскание средств  и методов механизации и автоматизации  работ — одна из основных задач технических дисциплин. Автоматизация работ с данными имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств, большинство из которых являются электронными приборами. Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой.

Конкретный набор взаимодействующих  между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.

Компьютер — это электронной  прибор, предназначенный для автоматизации  создания, хранения, обработки и  транспортировки данных. В настоящее время компьютером, как правило, называют персональную электронно-вычислительную машину. Основные компоненты компьютера - центральный процессор, материнская плата, оперативная память, устройства ввода/вывода.

Архитектуру компьютера можно  условно разделить на внешнюю  и внутреннюю. Внешняя архитектура современного компьютера представляет собой соединение монитора, клавиатуры, мыши и акустической системы к системному блоку. Внутренняя архитектура имеет несколько основных составляющих организовывающих работу системного блока.

Объектом изучения является компьютер.

Предметом исследования является архитектура  компьютера.

Целью работы является изучение архитектуры  компьютера; принципов архитектуры Фон-Неймана.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

• изучить учебную литературу по теме «Архитектура компьютера»
• изучить развитие внутренней структуры компьютера
• определить понятие архитектуры компьютера.

 

1. Современные многоуровневые компьютеры

Большинство современных  компьютеров состоит из двух и  более уровней. Существуют машины даже с шестью уровнями.

Рис. 1. Шестиуровневый компьютер. Способ поддержки каждого уровня указан под ним, в скобках дано название соответствующего программного обеспечения:

Уровень 5	Уровень языка прикладных программистов
				Трансляция (компилятор)
Уровень 4	Уровень ассемблера
				Трансляция (ассемблер)
Уровень 3	Уровень операционной системы
			Частичная интерпретация (операционная система)
Уровень 2	Уровень архитектуры набора команд
				Интерпретация (микропрограмма) или  непосредственное выполнение
Уровень 1	Уровень микроархитектуры
		Аппаратное обеспечение
Уровень 0	Цифровой логический уровень

 

Таким образом, компьютер  проектируется как иерархическая  структура уровней, которые надстраиваются друг над другом. Каждый уровень  представляет собой определенную абстракцию различных объектов и операций. Рассматривая компьютер подобным образом, мы можем не принимать во внимание ненужные нам детали и, таким образом, сделать сложный предмет более простым для понимания.

Набор типов данных, операций и характеристик каждого отдельно взятого уровня называется архитектурой. Архитектура связана с программными аспектами. Например, сведения о том, сколько памяти можно использовать при написании программы, — часть архитектуры. Аспекты реализации (например, технология, применяемая при реализации памяти) не являются частью архитектуры.

Изучая методы проектирования программных элементов компьютерной системы, мы изучаем компьютерную архитектуру. На практике термины «компьютерная  архитектура» и «компьютерная организация» употребляются как синонимы.

1. Обобщенная структура компьютера

Несмотря на огромный диапазон размеров и мощностей компьютеров, все они имеют сходную функциональную структуру. В одних случаях эта структура может быть упрощена, в других – расширена, но в общем функции вычислительного устройства и необходимые для вычислений функциональные блоки остаются одними и теми же.

Рис. 2. Обобщенная структура компьютера:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для ввода данных в компьютер  предназначается устройство ввода, для вывода – устройство вывода, вместе эти устройства обычно составляют единый блок – устройство ввода-вывода данных.

Независимо от того, будут  данные в компьютере храниться годы или секунды компьютер имеет  место для их хранения, соответствующее  устройство называется памятью.

В компьютере должно быть устройство, которое производит манипуляции  над данными, от простейших арифметических операций до сложных статистических, финансовых или научных расчетов. Функционально это устройство состоит  из двух блоков: один отвечает за производимые вычисления, другой – за правила, по которым данные извлекаются из памяти, над ними производятся операции и  результаты этих операций снова возвращаются в память. Устройство, производящее вычисления, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а устройство, формирующее  правила, по которым происходит обработка  данных – устройством управления (УУ). Вместе эти две функциональные единицы образуют единый блок, который  получил название центральный процессор.

Связать между собой процессор, оперативную память, постоянную память (дисковые устройства), устройства ввода-вывода и другие компоненты компьютера напрямую невозможно конструктивно и технологически. Поэтому между всеми этими  устройствами располагается системная  шина – еще один весьма важный компонент, носителем которого является материнская  плата. Системная шина представляет собой множество электрических  проводников, конструктивно выполненных  в виде тончайших проводящих дорожек, в несколько слоев пронизывающих  материнскую плату и соединяющих  между собой все электронные  компоненты компьютера.

В современном компьютере взаимодействие центрального процессора с устройствами ввода-вывода, а также  с различными устройствами, присоединенными  к общей шине, основано на механизме  прерываний.

Механизм прерываний обеспечивает прерывание выполнения текущей программы  при поступлении сигнала на соответствующий  вход центрального процессора и выполнение процессором операций обслуживания устройства, вызвавшего прерывание.

При поступлении сигнала  прерывания центральный процессор  совершает следующие действия:

1. Запоминает адрес текущей инструкции выполняемой программы.
2. Получает вектор прерывания (вектор прерывания – запись в специальной таблице прерываний, связывающей номер прерывания и адрес продрограммы, выполняющей обработку прерывания. Получить вектор прерывания значит получить доступ к соответствующей записи в этой таблице).
3. Переходит по адресу, хранимому в соответствующей записи вектора прерывания.
4. Выполняет подпрограмму обработки прерывания.
5. После завершения подпрограммы обработки прерывания возвращается к выполнению прерванной программы.

Подпрограмму  обработки прерывания называют обработчиком прерывания.

Прерывания имеют приоритет. Это значит, что прерывание с более  высоким приоритетом может прервать работу программы обработки прерывания с более низким приоритетом. Прерывания управляются контроллером прерываний.

 

2. Устройство компьютера

Персональный компьютер  состоит из отдельных устройств  и модулей: одни находятся внутри системного блока, другие к нему подключаются. Последние служат для ввода или  вывода информации: монитор, принтер, сканер, клавиатура, мышь и др.

Внутри системного блока  находятся устройства для обработки  и хранения информации. В зависимости  от конфигурации компьютера они могут  быть различными, но большинство типичных системных блоков включает следующие устройства:

• Блок питания. Вырабатывает стабилизированные напряжения для питания всех устройств, находящихся в системном блоке. От блока питания выходят многочисленные кабели, которые подключаются к системной плате, дисковым накопителям и другим устройствам.
• Системная, или материнская, плата. Базовое устройство компьютера для установки процессора, оперативной памяти и плат расширения. К ней подключаются устройства ввода/вывода, дисковые накопители и др. Системная плата обеспечивает их взаимодействие, используя специальный набор микросхем системной логики, или чипсет. На системной плате также располагаются другие устройства, например микросхема BIOS, батарейка для питания часов и CMOS (память с автономным питанием), тактовый генератор.
• Процессор. Является «сердцем» компьютера. Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией. Его главные характеристики — это разрядность (чем она выше, тем выше производительность компьютера) и тактовая частота (во многом определяет скорость работы компьютера). Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) процессор выполняет за одну секунду.
• Видеоадаптер. Обычно выполняется в виде платы расширения и служит для формирования изображения, которое потом выводится на монитор. Современные видеоадаптеры содержат мощный видеопроцессор и большие объемы видеопамяти, что позволяет формировать трехмерное изображение с высоким разрешением. Для недорогих компьютеров выпускаются системные платы с интегрированным видеоадаптером, и его не нужно устанавливать дополнительно.
• Жесткий диск. Основное устройство для храпения информации в компьютере.
• Дисковод. Хотя дискеты уже морально устарели, но дисководы для их чтения еще присутствуют в большинстве компьютеров.
• Привод для CD/DVD. CD/DVD широко используются для распространения информации, поэтому приводы есть почти в каждом компьютере.
• Платы расширения. При необходимости в системный блок можно установить дополнительные устройства, выполненные в виде плат или карт расширения. Примерами таких устройств могут быть модемы, сетевые платы, ТВ-тюнеры и многие другие.
1. Память компьютера

Память компьютера построена  из двоичных запоминающих элементов  — битов, объединённых в группы по 8 битов, которые называются байтами.

Широко используются и  более крупные производные единицы объёма памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Теребайт и Петабайт.

Различают два вида памяти: внутреннюю и внешнюю.

1. Внутренняя память

В состав внутренней памяти входит оперативная  память, кэш-память и постоянная память.

Оперативная память — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память представляет собой  множество ячеек, причём, каждая имеет  свой уникальный адрес. Каждая ячейка памяти имеет объём 1 байт.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и  программ, когда машина выключается, всё, что находилось в ОЗУ пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Постоянная память  — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержимое памяти специальным образом "зашивается" в устройство при его изготовлении для постоянного хранения.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой  самого процессора. В ПЗУ находятся  программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы  запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

2. Внешняя память

Внешняя память (ВЗУ) предназначена  для длительного хранения программ и данных и целостность её содержимого  не зависит от того, включён или  выключен компьютер. В отличии от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором.

В состав внешней памяти компьютера входят:

• накопители на жёстких магнитных дисках
• накопители на компакт-дисках
• накопители на магнитооптических компакт-дисках
• накопители на магнитной ленте и др.

Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливают однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных дисков.