Архитектура ЭВМ

Федеральная таможенная служба

Государственное казённое образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«Российская таможенная академия»

Владивостокский филиал

 

 

 

Кафедра информатики и информационных таможенных технологий

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Информатика»

студента   Анисимовой Ксении Александровны  

группа     128      

факультета    Таможенного дела    

на  тему: Архитектура ЭВМ 

 

 

 

 

 

 

Преподаватель: Вольнов И.Н.

_{Оценка___________________}

Подпись__________________

«___» ________________2013

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Владивосток

2013

 

Содержание

 

 

Введение……………………………………………………………………………….3

1. Классическая архитектура ЭВМ………………………………………………5
2. Функциональная организация ЭВМ…………………………………………..11
3. Структура и принцип действия ЭВМ…………………………………………12
4. Организация и разрядность интерфейсов ЭВМ……………………………...21
5. Организация и способы организации адресации памяти……………………23
1. Сегментная организация памяти…………………………………………..29

Заключение…………………………………………………………………………….30

Список использованных источников………………………………………………...31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

В современном мире невозможно представить рабочее место без  персонального компьютера. В последние годы широкое распространение получили настольные персональные компьютеры (ПК). Строго говоря, компьютер – это комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Но как устроен ЭВМ? Что такое архитектура ЭВМ?

Под архитектурой ЭВМ понимается общая функциональная и структурная  организация машины, определяющая методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических  средств и программного обеспечения. Проще говоря архитектура ЭВМ это совокупность характеристик, которые необходимы пользователю. В наше время, когда компьютерные технологии развиваются стремительными темпами, появилось множество новых архитектур, «разновидностей» вычислительных машин, и принадлежность устройства к той или иной разновидности определяет его назначение и ставящиеся перед ним задачи.

Для любого компьютера, в  том числе настольного ПК можно  выделить следующие важные компоненты архитектуры:

1. Функциональные и логические возможности процессора (система команд, форматы команд и данных, способы адресации, разрядность обрабатываемых слов и т.д.)
2. Структурная организация и принципы управления аппаратными средствами (центральным процессором, памятью, вводом-выводом, системным интерфейсом и т.д.)
3. Программное обеспечение (операционная система, трансляторы языков программирования, прикладное ПО).

Целью реферата является рассмотреть  функциональную и структурную организацию  ПК.

Исходя из цели сформулированы задачи:

1. Рассмотреть структурную организацию ЭВМ
2. Рассмотреть организацию и разрядность интерфейсов
3. Рассмотреть организацию и способы адресации памяти.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классическая архитектура ЭВМ.

 

 

Архитектура ЭВМ – это  наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействие основных ее функциональных узлов.

В середине 40-х годов имелось  несколько возможных путей для  создания электронных компьютеров. Нельзя сбрасывать со счетов гарвардскую  архитектуру; она сложнее в реализации, чем фон-неймановская, но может обеспечить существенно более высокую производительность, поэтому она сохранилась во встраиваемых процессорах, где скорость обработки  сигналов наиболее критична. Но судьба распорядилась так, что в широком  масштабе была однозначно и безоговорочно  принята архитектура фон Неймана. Из основных принципов этой архитектуры  вытекает  важное следствие: аппаратура является неизменной частью вычислительной машины, а программы — переменной. В большинстве учебников архитектуру  фон Неймана представляется классической, вечной и неизменной, поэтому может  сложиться впечатление, что она  столь же объективна, как и природные  законы. Однако, современное и программное, и аппаратное обеспечение за самым  малым исключением являются производными от этого выбора. Фон-неймановская архитектура, как и все в этом мире, не вечна; незаметно для большинства происходит ее моральное старение. Критику этой архитектуры и неизбежный со временем отказ от нее не следует рассматривать  как критику в адрес самого фон Неймана — скорее, справедливая критика может быть направлена в  адрес тех, кто десятилетиями  догматизировал его взгляды.

В одном из американских институтов фон Нейман с рядом  других знаменитых ученых работал над  бомбой. Эта работа потребовала произвести огромное количество расчетов, поэтому  в поле внимания фон Неймана попали все существовавшие на тот момент счетные машины, он был знаком с  работами и лично с Ванневаром Бушем, Джорджем Стиблицем и Говардом Айкеном. Однако возможности созданных  ими механических устройств, являвших собой в конечном счете развитие машины Бэббиджа, его не удовлетворяли, но самое главное заключалось в том, что он имел основания предполагать существование иных, более производительных машин. Информацию о теоретической возможности альтернативного подхода к автоматизации расчетов он получил благодаря одной случайности. Фон Нейману сказочно повезло, без всяких на то усилий он получил шанс познакомиться и подружиться с самим Аланом Тьюрингом и его гипотетической машиной. Фон Нейман ознакомился с идеями Тьюринга и, когда представилась возможность, смог перенести «в железо» основные элементы его машины, а именно последовательное выполнение команд и программирование в терминах команд. Если быть точным, то надо сказать, что архитектурой фон Неймана называют машину Тьюринга, адаптированную к реальным условиям.

Итак, основной вклад фон  Неймана состоит в переводе абстрактной  схемы Тьюринга в конкретное железо; если предельно упростить то, что  сделал фон Нейман, можно сказать, что он перенес бесконечную ленту  машины Тьюринга в память. Странно, что при всей своей гениальной прозорливости фон Нейман остановился  на сделанном. В области вычислительных машин он — автор одной работы. Выполнив ее, он не стремился к чему-то иному, более того, считал дальнейшее развитие ненужным. К примеру, он активно  возражал против попыток как-то упростить  или автоматизировать программирование. Он умер в феврале 1957 года, успев  дожить до времени, когда уже были созданы языки Ассемблера и вот-вот  должны были появиться Кобол и  Фортран. Тогда проблема языков программирования активно обсуждалась, однако он считал это занятие бессмысленным, будучи уверенным в том, что ни к чему тратить дорогостоящее машинное время на работу с текстами программ.

Немного ранее Герман Гольдштейн, профессор математики из Мичиганского университета, после призыва на воинскую службу получил чин лейтенанта и  руководил расчетом артиллерийских таблиц в баллистической лаборатории  при полигоне. Работу выполняли сотни  женщин, использовавших механические арифмометры, в те времена именно женщин-расчетчиц и называли компьютерами. Объем необходимых вычислений был  чудовищным: только для расчета одной траектории полета снаряда требовалось выполнить 750 операций, а для передачи военным орудие необходимо было снабдить как минимум расчетами 3 тыс. траекторий, общая трудоемкость такой процедуры превышала четыре человеко-года.

Военным требовались новые  пушки, но без таблиц для стрельбы они были бесполезны. Препятствием оказалась низкая скорость расчетов. Гольдштейн, отвечавший за эту работу, активно искал пути решения проблемы ускорения счета. Один из коллег показал  ему статью «Использование высокоскоростных электронных ламп для вычислительных устройств». Никто кроме Гольдштейна на статью не прореагировал. Однако тот, оценив прочитанное, немедленно поехал в Муровскую школу и сделал все возможное, прежде всего обеспечив финансирование проекта, который поначалу назывался Project PX, а затем стал именоваться ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer).  От своей жены Гольдштейн знал, как сложно программировать  ENIAC, а потому программирование стало очередной проблемой, которая его глубоко волновала. 

Случайная встреча с фон  Нейманоом помогла решить эту  проблему, и именно так возникла "классическая теория".  Когда он узнал в попутчике на платформе фон Неймана, чьи лекции о машине Тьюринга ему приходилось слышать, Гольдштейн решился обратиться к нему со своими проблемами. Это был выстрел в десятку, встретились проблема и человек, способный с ней справиться. Фон Нейман, побывав несколько раз в Муровской школе и ознакомившись с положением дел, он сумел понять причины сложности программирования ENIAC и нащупал способы их преодоления. Фон Нейман осознал, что необходимо воспользоваться идеей машины Тьюринга, для чего уравнять в правах программы и данные и перенести гипотетическую тьюринговскую бесконечную ленту с записанными на ней командами в оперативную память компьютера. В таком случае программирование сводится к записи последовательности команд в память. Эта процедура заметно проще ручной коммутации сотен или тысяч проводов; кроме того, в текст программ можно вставлять команды управления, а значит, выполнять переходы и циклы. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием. К созданию архитектуры, которую мы называем фон-неймановской, свои руки и талант приложило множество людей. Так или иначе каждый из них что-то заимствовал у своих предшественников, но в конечном итоге их совместная деятельность, объединенная в цепочку случайных событий, привела к результату, ассоциируемому с одним именем.

Основные принципы фон-неймановской модели:

2. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы — слова.
3. Разнотипные по смыслу слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования.
4. Слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек — адресами слов.
5. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, называемых командами. Команда определяет наименование операции и слова информации, участвующие в ней. Алгоритм, записанный в виде последовательности команд, называется программой.
6. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определенном программой.

Согласно фон  Нейману, ЭВМ должна состоять из следующих основных блоков (рис. 1): устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ) (в современных компьютерах эти устройства объединены в один блок – процессор), запоминающих устройств (внутренней и внешней памяти), устройств ввода и вывода.

 

 

 

 

Рис. 1. Архитектура ЭВМ по фон Нейману

Программа вычислений (обработки информации) составляется в виде последовательности команд и загружается в память машины — запоминающее устройство (ЗУ). Там же хранятся исходные данные и промежуточные результаты обработки. Центральное устройство управления (ЦУУ) последовательно извлекает из памяти команды программы и организует их выполнение. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для реализации операций преобразования информации. Программа и исходные данные вводятся в память машины через устройства ввода (УВв), а результаты обработки предъявляются на устройства вывода (УВыв). Характерной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что память представляет собой единое адресное пространство, предназначенное для хранения как программ, так и данных. Такой подход, с одной стороны, обеспечивает большую гибкость организации вычислений — возможность перераспределения памяти между программой и данными, возможность самомодификации программы в процессе ее выполнения. С другой стороны, без принятия специальных мер защиты снижается надежность выполнения программы, что особенно недопустимо в управляющих системах. Альтернативной фон-неймановской является гарвардская архитектура. ЭВМ, реализованные по этому принципу, имеют два непересекающихся адресных пространства — для программы и для данных, причем программу нельзя разместить в свободной области памяти данных и наоборот. Гарвардская архитектура применяется главным образом в управляющих ЭВМ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Функциональная организация ЭВМ.

 

Термин "функциональная организация ЭВМ" часто используют в качестве синонима более широкого термина — "архитектура ЭВМ", который, в свою очередь, трактуется разными авторами несколько в различных смыслах. Архитектура ЭВМ — это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию. Понятие архитектуры ЭВМ является комплексным и включает в себя:

1. Структурную схему ЭВМ
2. Средства и способы доступа к элементам структурной схемы
3. Организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ
4. Набор и доступность регистров
5. Организацию и способы адресации памяти
6. Способы представления и форматы данных ЭВМ
7. Набор машинных команд ЭВМ
8. Форматы машинных команд
9. Обработку нештатных ситуаций (прерываний).