Технические средства реализации информационных процессов

План

1. Технические средства

2. Архитектура и структура  персонального компьютера

2.1 Центральный процессор

2.2 Память

2.2.1 Внутренняя память

2.2.2 Внешняя память

3. Основные тенденции  развития аппаратного обеспечения  компьютера

4. Магистрально-модульный принцип архитектуры персональных компьютеров

4.1 Магистрально-модульный  принцип построения компьютера

4.2 Частота процессора системной шины и шин периферийных устройств

5. Устройство персонального  компьютера

6. Поколения ЭВМ и  их основные характеристики

Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Технические средства

 

Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называется вычислительной техникой [7].

Конкретный набор, взаимодействующих  между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называется вычислительной системой.

Центральным устройством  большинства вычислительных систем является компьютер.

Компьютер - это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, обработки, хранения и транспортировки данных. Состав вычислительной системы называется конфигурацией.Архитектура ЭВМ - общее описание структуры и функций ЭВМ, ее ресурсов.

В это описание входит:

- общая конфигурация  основных устройств;

- основные возможности и характеристики устройств;

- способы взаимосвязи  основных устройств компьютера.

  Ресурсы ЭВМ - средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. К ресурсам ЭВМ традиционно относят объем доступной памяти, процессорное время и др.    К центральным (системным) устройствам компьютера относят, прежде всего, центральный процессор, оперативную память, системную магистраль.

Периферийными устройствами компьютера являются: дисплей, клавиатура, манипуляторы - мышь, джойстик, световое перо и т.п., винчестер, дисководы для гибких и компакт-дисков, принтер, плоттер, сканер, модем и пр.

Порт - устройство, через которое периферийные устройства подключаются к системной магистрали.

При разработке принципов архитектуры компьютеров широко используется идея о разделении отдельных операций процесса решения задачи (процесса вычислений) между отдельными "специализированными" устройствами.

  Когда Чарльз Бэббидж разрабатывал аналитическую счетную машину в 1830-х гг. он предположил, что для успешной работы необходимы как минимум следующие устройства-

- устройство для обработки  данных, в котором непосредственно  осуществляются вычисления ("мельница");

- устройство для хранения  данных ("склад");

- устройство для управления процессом вычислений ("контора").

Разработке Бэббиджа не суждено было воплотиться в  действующей модели, но идеи о разделении отдельных операций процесса вычислений между отдельными "специализированными" устройствами получили дальнейшее развитие в принципах архитектуры компьютеров, традиционно называемых принципами фон Неймана (1940-е гг.). Эти принципы таковы [3]:

- принцип программного  управления - все устройства работают  под управлением программ. Программы состоят из отдельных шагов - команд. Последовательность команд и является программой;

- принцип условного  перехода - существует возможность  менять последовательность вычислений в зависимости от полученных промежуточных результатов;

- принцип хранимой  программы - программы и данные  к ним хранятся в одной той же памяти. Команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и данные для вычислений. Таким образом, команды можно посылать в арифметическое устройство и преобразовывать как обычные числа. Это позволяет создавать программы, способные в процессе вычислений изменять сами себя;

- принцип иерархичности  запоминающих устройств - память  делится на оперативную (быстрая, небольшого размера) и долговременную (большую, а потому медленную). Наиболее часто используемые данные хранятся в быстром ЗУ сравнительно малой емкости, а более редко используемые в медленном, но гораздо большей емкости;

- принцип двоичного  кодирования - вся информация  в компьютере хранится и обрабатывается в двоичном коде.

- Начиная с первых  ЭВМ (1940-е гг.), реализовывалась схема взаимодействия устройств компьютера, основанная на этих принципах,

В современных компьютерах  блоки УУ и АЛУ объединены в  блок, называемый процессором. В состав процессора, кроме указанных блоков, входят также несколько регистров - специальных небольших областей памяти, куда процессор помещает промежуточные результаты и некоторую другую информацию, необходимую ему в ближайшие такты работы.

Структура компьютера основана на общих логических принципах, позволяющих выделить следующие устройства:

- память, состоящую из  пронумерованных ячеек (ОЗУ и  ПЗУ);

- процессор, включающий  в себя арифметико-логическое  устройство (АЛУ) и устройство  управления (УУ). Та часть процессора, которая выполняет команды, называется АЛУ, другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется УУ. Обычно эти 2 устройства выделяются условно, конструктивно они не разделены;

- устройство ввода;

- устройство вывода.

Основу персональных компьютеров составляет находящаяся  в системном блоке системная ("материнская") плата, на которой размещены системные (центральные) устройства компьютера - процессор и память (оперативная и постоянная), соединенные между собой системной шиной (информационной магистралью), к которой подсоединяются контроллеры всех периферийных устройств, подключаемых к компьютеру.

Периферийными считаются  и клавиатура, и монитор, и винчестер, и дисководы, и модем, и манипуляторы, и сканер, и видеокамера, и т.д. Дополнительные устройства, позволяющие пользователю компьютера слушать музыку, смотреть видеоролики, работать в сети и т.д., подключаются через специальные платы расширения. Невозможна работа компьютера и без таких вспомогательных (с точки зрения процесса обработки информации) устройств, как блок питания, система охлаждения и пр.

Существует несколько разновидностей памяти: оперативная, постоянная, внешняя, кэш, CMOS, регистровая.

Регистровая память представляет собой блок регистров, размещенный  внутри процессора. На рисунке показана только кэш-память первого уровня, которую  обозначают символами L1. Кэш-память второго уровня (обозначается символами L2) располагается на материнской памяти. Кэш-память третьего уровня (обозначается символами L3) выполняется на быстродействующих микросхемах и размещается на материнской памяти вблизи процессора. Для непрерывной работы CMOS-памяти на материнской плате устанавливается малогабаритный аккумулятор или батарея питания [2].

2. Архитектура и структура персонального компьютера

 

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать  их архитектуру и структуру.

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

Наиболее распространены следующие архитектуры:

- 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, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер - 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, чтопараллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рисунке:

Архитектура многопроцессорного компьютера

- Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих 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 достаточно широко.

Однако эффект от применения такой вычислительной системы может  быть получен только при решении задач, имеющих 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 означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе - то есть по одному потоку команд.

Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

В современных машинах  часто присутствуют элементы различных  типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.

 

 

1. Центральный процессор

 

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) - основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор содержит в себе: арифметико-логическое устройство; шины данных и шины адресов; регистры; счетчики команд; кэш - очень быструю память малого объема; математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров, которые физически представляют собой интегральную схему - тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

В вычислительной системе  может быть несколько параллельно  работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

 

 

2. Память

 

 

Память компьютера построена  из двоичных запоминающих элементов - битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. Все байты пронумерованы. Номер байта называется егоадресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова - два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).

В одном машинном слове  может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Допускаются переменные форматы представления информации.