Invest-currency.ru

Как обезопасить себя в кризис?
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принципы архитектуры пк

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.

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.

Принцип открытой архитектуры, составные компоненты компьютера

Появление в 1975 г. персонального компьютера вызвало революционный переворот во всех областях человеческой деятельности.

До этого ЭВМ была атрибутом крупной организации или учебно-научного центра. Устанавливать большие ЭВМ на мелких предприятиях было экономически невыгодно. Персональные ЭВМ (ПЭВМ) относятся к машинам индивидуального пользования. Таким образом, они стали универсальным инструментом, многократно превышающим производительность интеллектуального труда.

Выполняя сходные задачи, различные ЭВМ, тем не менее, конкурировали между собой, так же, как и их производители. Различные производители пытались улучшить свой продукт путем применения каких-то конструктивных решений. Естественно, эти решения становились коммерческой тайной, и никто не знал, каким образом работает то или иное устройство. Каждый компьютер являлся монолитным блоком, не подлежащим модернизации и замене деталей. Вся архитектура компьютера была скрыта от пользователя.

Настоящей революцией было решение одной из крупнейших фирм на компьютерном рынке, компании IBM выпустить компьютер, архитектура которого не скрывалась, а прямо указывалась. Этим компьютером стал IBM PC (на базе процессора Intel-8086), выпущенный в 1981 г. Кроме того, фирма подчеркивала, что данную модель компьютера можно модернизировать, добавляя различные детали и периферийные устройства, а также заменяя их. В дальнейшем другие фирмы начали создавать компьютеры, совместимые с IBM PC и, таким образом, этот компьютер стал как бы стандартом.

Читать еще:  Unixtime to datetime

По-видимому, это решение и сгубило фирму. Так или иначе, сейчас ее доля на рынке компьютерной продукции ничтожно мала, но всем знакомо понятие «IBM-PC-совместимые», что навсегда вписало это фирму в историю.

Таким образом, принцип открытой архитектуры заключается в том, что производителем не скрываются узлы и детали, из которых состоит компьютер, эти узлы и детали могут быть легко демонтированы и заменены другими. Это дает возможность говорить о замене конкретной детали в компьютере, не беспокоясь о том, что она может быть несовместима с конкретной моделью. Другими словами, желая модернизировать компьютер, пользователь должен найти только деталь с более высокими параметрами, но любого производителя (если только эта деталь относится к классу IBM-PC-совместимых устройств).

Примерно 85% всего компьютерного рынка составляют компьютеры, сконструированные по принципу «открытой архитектуры». Примером компьютеров, построенному не по этому принципу, являются компьютеры фирмы Apple. Они не очень распространены в России из-за их большой стоимости и абсолютно несовместимым программным обеспечением. Однако благодаря этому достигается большой уровень безопасности, ибо очень трудно взломать «закрытую архитектуру».

Составные части компьютера

Современный компьютер состоит из системного блока, монитора, клавиатуры и манипулятора типа «мышь» [2] Эти 4 составные части составляют т.н. «базовую конфигурацию» ПК. К системному блоку можно также подключить множество дополнительных периферийных устройств с помощью специальных разъемов (принтеров, сканеров, переносных жестких дисков и т.д.).

Внутри системного блока располагается материнская плата (системная плата) – самая большая электронная схема. Она предназначена для синхронизации работы всех остальных частей компьютера, объединения их в одно целое. На системной плате располагаются все остальные составные части компьютера. Для этого в материнской плате существуют специальные слоты расширения [3] .

Оперативная память – устройство, предназначенное для хранения промежуточных данных. Является внутренней энергозависимой памятью. Физически представляет собой одну или несколько планок, вставляемых в специальные слоты параллельно друг другу. Объем оперативной памяти может быть 256 Мб, 512 Мб, 1024 Мб, 2048 Мб, но обязательно степенью числа 2. Это связано с адресацией каждой ячейки. Адрес каждой ячейки является двоичным числом, поэтому количество ячеек должно быть таким, чтобы для каждой из них нашелся одинаковый по длине двоичный код.

Современные «планки» оперативной памяти имеют вид DDR-2, что означает, что их внутренняя тактовая частота в 2 раза выше частоты системной шины. В материнскую плату, имеющую слоты для оперативной памяти другого типа, такие планки просто не войдут.

Видеокарта – устройство, предназначенное для вывода изображения на экран монитора. Это наиболее дорогое и сложное устройство компьютера. Она имеет свой собственный процессор, чипсет, собственную тактовую частоту и оперативную память, которую называют видеопамятью. Подключается в материнской плате с помощью контроллеров AGP (устарел) и PCI-E.

Основные параметры видеокарты:

— Чипсет – набор микросхем. Обычно характеризует фирму-изготовитель. Выделяют двух лидеров: NVIDIA с их видеокартой (Ge Force) и ATI с видеокартой (Radeon). Отмечают, что первая славится своей производительностью, а у второй больше дополнительных мультимедиа возможностей.

— Объем оперативной памяти. Оперативная память необходима для хранения текстур. На сегодняшний момент вполне достаточных является показатель в 512 Мб.

— Разрядность шины. Нормальный показатель 256 бит.

— Интерфейс подключения к системной плате. Все современные платы имеют возможность подключения только к PCI-Express.

Сетевая карта– устройство, позволяющее осуществлять взаимодействие компьютеров посредством соединения их кабелем.

Процессор –основная деталь компьютера, производящая все вычисления и обеспечивающая выполнение команд. Представляет собой кремниевый кристалл квадратной формы. Соединяется с системной платой с помощью разъема типа «сокет». В ходе работы непременно нагревается, поэтому требует постоянного охлаждения. Для охлаждения используется радиатор, кулер, а в последнее время появилось и гидроохлаждение.

Жесткий диск –устройство долговременного хранения информации. Является энергонезависимой внешней памятью. Стоит отметить, что это единственное логическое устройство, имеющее движущиеся детали.

Параметры жесткого диска:

— емкость. Может достигать размера одного Тб.

— Объем кэш-памяти (до 8 Мб).

— Количество оборотов в минуту (до 10000).

Тип интерфейса. Здесь может быть только 2 стандарта: ATA (использует шлейф – специальный кабель – IDE) и SATA (использует специальный кабель SATA). В настоящее время стандарт ATA устарел. Имеется возможность подключения жесткого диска с интерфейсом IDE к SATA-шлейфу, используя специальный переходник

Архитектура персонального компьютера

Архитектурой ПК (персонального компьютера) принято называть совокупность структуры, отражающей состав и обслуживающее ПО. Структурой называется комплекс функциональных систем ПК и их связующих элементов.

Особенности архитектуры являются определяющими факторами при рассмотрении принципов действия ПК, программно-информационных связей и последовательности соединения всех узлов логики компьютера. К узлам логики относят: ОЗУ (оперативная память), ЦП (центральный процессор), внешнее устройство памяти (жесткий диск), графический модуль (видеокарта), периферийные модули. Основным, принципиальным элементом архитектуры любого ПК, являются блоки программного управления.

Классическая архитектура фон Неймана

Группа ученых, в составе которой были американцы Г.Голдштейн, Дж. фон Нейман и А. Беркс, в 1946 году провели колоссальную работу по разработке новых принципов и архитектуры ЭВМ. Работа математиков легла в основу при создании компьютеров первого и второго поколений. Принципы фон Неймана были сохранены, хоть и существенно видоизменились, во время работ по созданию машин следующих поколений.

Основные принципы фон Неймана:

Интеграция методов двоичного счисления позволила упростить работу устройств и сделать ее выполнение гораздо быстрее, чем это было при использовании десятичной системы.

Программное управление ПК

Функционал ПК зависит от исправной работы программного обеспечения. Программа, управляющая компьютерной системой представляет собой набор последовательно исполняющихся команд. Проблема низких показателей быстродействия, актуальная для ранних ПК, была решена интеграцией модуля памяти, применяемого для записи программных данных. Кодированные в двоичной системе данные и командные коды, расположены в пронумерованных адресных блоках. Возможность быстрого доступа к адресной ячейки сделало возможной работу в переменных программных средах.

Условный переход при исполнении программы

По умолчанию программные компоненты имеют последовательную модель исполнения, но существует возможность реализации перехода к любому месту кода. Главным преимуществом подобного механизма стало превращение программного продукта из постоянной величины в изменяемую, аппаратная же часть осталась статичной и достаточно простой.

Фон Нейман предложил собственную структура персонального компьютера (рис. 1).

В состав ПК предложенного математиком входили:

  • Устройство памяти или ЗУ;
  • Устройство исполнения арифметико-логических задач или АЛУ;
  • Управляющее устройство (УУ) задействованное в работе по координации работы узловых элементов ПК;
  • Периферийные устройства ввода/вывода.

В данной модели ПК любой тип данных вводится в устройство запоминания опосредованно через АЛУ посредствам устройств ввода/вывода. Программные команды фиксируются последовательно в блоках памяти, тогда как обрабатываемые данные записываются в блоках произвольно.

Простейшая команда содержала в себе информацию об операции требующей выполнения и адресов памяти, хранящей данные требуемые для выполнения данной операции. Кроме этого в команде прописывались адреса блоков памяти доступных для сохранения результата выполнения команды. Арифметико-логическое устройство выводило обработанные данные в устройство запоминания или в выводное устройство. Существенным отличием систем подобного рода является форма данных удобная для сохранения и обработки, а также для восприятия человека при передачи на устройство вывода (печатающее устройство или монитор).

Устройство управление одного компьютера способно взаимодействовать с аналогичным компонентом другого ПК, получая и передавая информацию. Адрес первой команды ПК записывается в регистре УУ, регистрируясь счетчиком. После записи устройство управления осуществляет считывание памяти и перемещает содержимое заданной ячейки в командный регистр. Следующей операцией является определение командной операции и «выставление отметки» о ней в ячейке памяти, также регистрируются адреса и командные данные. В ходе текущих операций происходит контроль выполняемой команды.

Читать еще:  Convert unixtime to date

Выполнение операции осуществляется аппаратная оснастка компьютера или АЛУ. По завершению выполнения команд значение счетчика увеличивается на единицу, что является сигналом для запуска следующей команды. При необходимости запуска команд без стандартной очередности, запускается команда переадресации, содержащая целевой адрес ячейки запуска управляющей команды.

Архитектура современных ПК

Современные компьютеры имеют магистрально-модульный тип архитектуры, то есть состоят из относительно самостоятельных компонентов, связанных между собой через ЦП.

Принцип модульности позволяет осуществлять произвольную комплектацию ПК устанавливая совместимые компоненты. Кроме этого современные ПК имеют возможность модернизации и улучшения. В данной системе функционирует магистральный тип обмена информацией. Для обеспечения взаимосвязи компонентов ПК используется магистральная шина, располагаемая на материнской плате в виде печатной платы. Преимуществом подобного вида ПК является возможность добавления или замены комплектующих.

Благодаря принципиальным переменам в архитектуре ПК произошло значительное повышение скорости обработки и обмена информации. Считываемая информация хранится в системной памяти, что позволяет работать напрямую с ЦП и значительно ускоряет работу ПК в целом. Максимум быстродействия ограничен скоростью обработки данных самой магистрали, чем выше данный показатель, тем выше скорость работы ПК в целом.

Для решения вопроса предпринято следующее:

    Системная память напрямую (без буферов) подключается к шине, вместо магистрали, что избавляет ПК от проблем со скоростью обмена данных. Данное решение актуализировалось максимально с выходом высокопроизводительных ПК. Новшества привели к существенным изменением архитектуры и замене одношинных ПК трехшинными.

  • Логическое и управленческое устройство ПК нового поколения, являются компонентами центрального процессора, формируя его как единицу. В сущности, микропроцессор — это совокупность интегральных схем.
  • Многопроцессорная архитектура ПК

    Существуют компьютеры с несколькими процессорами, работающими параллельно. Такие ПК называются многопроцессорными и используются при необходимости обработать очень большой объем информации за максимально короткое время.

    Многомашинная вычислительная система

    В отличие от многопроцессорных ПК, имеющих единый канал оперативной памяти, в многомашинных ПК, каждому процессору доступен свой блок ОЗУ. Эффективность подобных систем проявляется при выполнении сложных задач, требующих работы специальной структуры с тем количеством ПК, сколько подзадач необходимо выполнить. Комплексы с несколькими процессорами или многомашинные системы значительно отличаются от «обычных» ПК по показателю быстродействия.

    Архитектура с параллельными процессорами

    Подобная система работает под управлением одного УУ, взаимодействующего с несколькими АЛУ. Подобный принцип позволяет обрабатывать большой объем информации в одном потоке. Актуален данный принцип только при выполнении однотипных задач с различным набором данных.

    В настоящее время встречаются более сложные архитектурные решения, а также вариации ПК, в которых применяется несколько классических архитектурных принципов.

    Урок по информатике «Архитектура компьютера»

    Как организовать дистанционное обучение во время карантина?

    Помогает проект «Инфоурок»

    Архитектура персонального компьютера

    Образовательная: познакомить с классической схемой построения персонального компьютера, изучить магистрально-модульный принцип построения ПК, ознакомить с принципом открытой архитектуры.

    Развивающая: развивать логическое мышление, внимание, память, расширить кругозор.

    Воспитательная: воспитывать познавательный интерес к предмету информатика.

    Актуализация знаний студентов;

    Изучение нового материала:

    Понятия компьютер, архитектура компьютера

    Принципы устройства ПК по Дж. Фон Нейману

    Открытая архитектура ПК

    Магистрально-модульный принцип построения компьютера

    Шины, контроллер, видеокарта

    1. Организационный момент

    2. Актуализация знаний студентов

    Фронтальный опрос студентов:

    Что называют информационным процессом?

    Перечислите основные информационные процессы

    Приведите примеры устройств хранения и передачи информации

    Назовите этапы развития вычислительной техники, их характерные черты.

    3. Изучение нового материала

    Компьютер – это программируемое электронное устройство для реализации информационных процессов (хранения, обработки и передачи информации).

    По своему назначению компьютер – универсальное техническое устройство для работы с информацией. По принципам устройства компьютер – модель человека, работающего с информацией.

    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.

    Архитектура компьютера включает в себя структуру, отражающую состав ПК, и программно-математическое обеспечение.

    Структура ЭВМ — совокупность элементов и связей между ними.

    Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

    В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня. По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

    Принципы фон Неймана

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

    Программное управление ЭВМ . Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

    Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ . При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

    Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы . В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

    Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

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

    Архитектура компьютеров первых поколений:

    В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в устройстве управления (УУ).

    История персональных компьютеров

    С 1975 г. в США было начато серийное производство персональных компьютеров (ПК). Это событие часто называют второй информационной революцией (первой информационной революцией считается появление печатного станка и книгопечатания – 1445 г.). ПК появился на базе мини- и микро ЭВМ для обеспечения персональных вычислений, т.е. для работы специалиста в той или иной предметной области на своем рабочем месте. За дисплей ПК смог сесть пользователь – непрофессионал в программировании. С 1981 г. стали выпускаться персональные ЭВМ, имеющие блочно-модульную конструкцию. Эти простые в эксплуатации и сравнительно дешевые машины предназначались для потребителей, не обладающих знаниями в области вычислительной техники и программирования. Широкое распространение мини-ЭВМ в начале 1970-х гг. определялось необходимостью приблизить компьютер к пользователю. Мини-ЭВМ устанавливались на предприятиях и в организациях, где использование больших ЭВМ было экономически невыгодным.

    Основные критерии отнесения компьютера к классу ПК – малые размеры, отсутствие необходимости в обслуживании, низкая цена, функциональная универсальность и простота модернизации.

    Читать еще:  Bash c linux

    Важную роль в развитии ПК сыграло появление компьютера IBM PC, произведенного корпорацией IBM (США) на базе микропроцессора Intel-8086 в 1981 г. Этот персональный компьютер занял ведущее место на рынке себе подобных. Его основное преимущество – так называемая открытая архитектура, благодаря которой пользователи могут расширять возможности приобретенной ЭВМ, добавляя различные периферийные устройства и модернизируя компьютер. В дальнейшем другие фирмы начали создавать свои ПК, но компьютер IBM PC стал неким стандартом в классе персональных компьютеров. В наши дни более 85% всех продаваемых ПЭВМ базируется на архитектуре IBM PC.

    Разрабатывая персональный компьютер, сотрудники IBM создали, так называемую, «открытую архитектуру», которая оказалось настолько эффективной, что лежит в основе современных ПК и по сей день.

    Основополагающие принципы открытой архитектуры следующие:

    конструкция предусматривает возможность расширения системы;

    использование технических решений и технологий не требует лицензионных затрат;

    в процессе эксплуатации возможно изменение базового состава системы самим пользователем.

    Архитектура современных персональных компьютеров (открытая архитектура) основана на магистрально-модульном принципе .

    Магистрально-модульный принцип (принцип открытой архитектуры) построения современных компьютеров заключается в том, что

    все устройства взаимодействуют между собой единым способом через посредство специальной информационной магистрали (шины).

    каждое устройство конструктивно оформляется в виде отдельного блока (модуля), который легко подключается к общей схеме через один или несколько разъемов.

    Модульный принцип позволяет комплектовать нужную конфигурацию компьютера и производить при необходимости модернизацию компьютера.

    Для этой схемы характерны следующие принципиальные отличия от архитектуры компьютеров первых поколений:

    — наличие центрального процессора;

    — неопределенное количество устройств ввод-вывода;

    — появление новых элементов архитектуры: шина, контроллер, видеопамять.

    Шина — устройство, которое осуществляет взаимосвязь и обмен информацией между всеми устройствами компьютера; состоит из трех частей:

    шина данных, по которой передается информация;

    шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

    шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

    Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора.

    Разрядность шины адреса (величина адресного пространства) определяет максимальный объем адресуемой памяти, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

    Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.

    Контроллер — это электронное устройство, предназначенное для подключения к магистрали компьютера разных по принципу действия, интерфейсу и конструктивному исполнению периферийных устройств.

    К термину «контроллер» очень близок по смыслу другой термин — «адаптер». Назначение обоих одинаково, но контроллер несколько сложнее: подразумевается его некоторая активность — способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой внешнего устройства. Такой процессор имеет собственную систему команд. Еще одним похожим устройством является сопроцессор. Сопроцессоры «помогают» основному (центральному) процессору, который исполняет программу, реализовывать сложные специфические функции. Примером может служить графический сопроцессор, выполняющий геометрические построения и обработку графических изображений, — его вполне можно считать графическим контроллером. Несколько особняком стоит математический сопроцессор, который выполняет свои функции «в одиночку», не управляя никакими внешними устройствами. Все перечисленные выше устройства служат для уменьшения нагрузки на центральный процессор и повышают общую производительность системы. Значение контроллеров состоит в том, что они освобождают процессор от наиболее медленных функций ввода/вывода информации. Идеи применения специализированных интеллектуальных схем для разгрузки центрального процессора были наложены еще в третьем поколении ЭВМ в больших машинах коллективного пользования IBM-36O (в СССР данное семейство машин известно в качестве «аналога» под именем ЕС ЭВМ). В четвертом поколении возникла технологическая возможность собирать схемы управления в едином кристалле, и появились микроконтроллеры.

    В состав контроллера, как правило, входят: собственный микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ, регистры внешних устройств (через них контроллер взаимодействует с центральным процессором), буферные (согласующие) схемы. В определенном смысле сложный контроллер является упрощенной специализированной ЭВМ.

    Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. ЦП получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).

    Видеопамять — это внутренняя оперативная память, отведённая для хранения данных, которые используются для формирования изображения на экране монитора.

    Видеопамять играет роль некого кадрового буфера, в который направляются видеоданные, для дальнейшего считывания и обработки их графическим процессором.

    Таким образом, принцип открытой архитектуры заключается в следующем: регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определённая совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями. Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, и, тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

    4. Итоги урока, д/з.

    Вопросы для контроля усвоенного материала:

    Что включает в себя понятие архитектуры компьютера?

    Обозначьте принципы работы компьютера, сформулированные Джоном фон Нейманом.

    Что включает в себя архитектура компьютеров первых поколений?

    Каковы основные принципы магистрально-модульного устройства компьютера?

    Какие новые элементы архитектуры характерны для современного ПК?

    Принципы архитектуры пк

    При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

    Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

    · 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 (рис. 2.1). Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной, подробно рассмотренная в разделе 2.18 (рис. 2.26). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

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

    · Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 2.3.

    Рис. 2.3. 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. Структура таких компьютеров представлена на рис. 2.4.

    Рис. 2.4. Архитектура с параллельным процессором

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

    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты 220 Вольт
    Adblock
    detector