Архитектура ЭВМ

В своем реферате я подробно рассмотрю структуру и принцип действия ЭВМ, организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ, а также организацию и способы адресации памяти.

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Структура и принцип действия ЭВМ

 

 

Структура ЭВМ или аппаратное обеспечение ЭВМ – совокупность технических устройств, входящих в  состав ЭВМ. Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Существует понятие базовой конфигурации – т.е. такой набор компонентов, дальнейшее уменьшение которого приведет к нецелесообразности использования компьютера для конкретной работы или даже полной бессмысленности работы с ним. Этот набор можно увидеть практически везде, где используют компьютер, в него входят:

• Системный блок (плюс дисковод или винчестер, вмонтированный в корпус)
• Монитор
• Клавиатура
• Мышь.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними.

Основным устройством  ПК является материнская плата, которая  определяет его конфигурацию. Все  устройства ПК подключаются к этой плате с помощью разъемов расположенных  на этой плате. Соединение всех устройств  в единую систему обеспечивается с помощью системной магистрали (шины), представляющей собой линии  передачи данных, адресов и управления.  
Ядро ПК образуют процессор (центральный микропроцессор) и основная память, состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) или перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства ППЗУ. ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения данных. 
Подключение всех внешних устройств: клавиатуры, монитора, внешних ЗУ, мыши, принтера и т.д. обеспечивается через контроллеры, адаптеры, карты. 
Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой специализированный процессор.

На рисунке 2 отображена архитектура  ЭВМ.

Рис.2. Архитектура  ЭВМ

Микропроцессор - это центральный блок компьютера, предназначенный для управления всеми блоками компьютера и выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Микропроцессор  выполняет следующие основные функции:

• Чтение и дешифрацию команд из основной памяти
• Чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств
• Прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств
• Обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств
• Выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

Микропроцессор  функционально состоит из:

• устройства управления
• арифметико-логического устройства
• микропроцессорной памяти
• интерфейсной системы

Устройство управления (УУ), это специальный электронный  блок, который с помощью электрических  сигналов включает в работу другие устройства компьютера.

УУ выполняет  задачи:

• формирует и подает во все блоки машины определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;
• формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
• получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

 Арифметико-логическое  устройства (АЛУ) выполняет все  арифметические и логические  операции над числовой и символьной  информацией. 

Регистровая память служит для временного хранения данных и результатов операций над ними. Регистры или микропроцессорная  память - это сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с регистрами.

Данные процессор  считывает из ОЗУ, они копируются в ячейки процессора - регистры и  преобразуются затем в соответствии с командами (программой). Регистровая  память используется для обеспечения  высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую  для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

Интерфейсная  система микропроцессора предназначена  для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя:

• внутренний интерфейс микропроцессора;
• буферные запоминающие регистры;
• схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.

Процессор, ОЗУ  и ПЗУ располагаются на системной (материнской) плате. Материнская плата предназначена для размещения на ней или подключения к ней с помощью специальных разъемов других компонентов. Различаются размером (форм фактором), количеством и типом разъемов для подключения различных компонентов, используемым набором микросхем, диапазоном возможных для установки моделей микропроцессоров и др.

Одним из самых  важных элементов компьютера является память. Все персональные компьютеры используют три вида памяти: постоянную, оперативную и внешнюю.

Персональные  компьютеры имеют четыре иерархических  уровня памяти:

• микропроцессорная память;
• основная память;
• кэш-память;
• внешняя память.

Микропроцессорная память служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно  в ближайшие такты работы машины.

Основная память предназначена для хранения и  оперативного обмена информацией с  другими устройствами компьютера. Функции  памяти:

• прием информации от других устройств;
• запоминание информации;
• выдача информации по запросу в другие устройства машины.

 Основная память  содержит два вида запоминающих  устройств: ПЗУ – постоянное  запоминающее устройство; ОЗУ –  оперативное запоминающее устройство.

Постоянная память предназначена для хранения неизменной программной и справочной информации. Данные в ПЗУ заносятся при  изготовлении. Информацию, хранящуюся в ПЗУ, можно только считывать, но не изменять.

В ПЗУ находятся:

1. Программа управления работой процессора
2. Программа запуска и останова компьютера
3. Программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков
4. Программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью
5. Информация о том, где на диске находится операционная система.

ПЗУ является энергонезависимой  памятью, при отключении питания  информация в нем сохраняется. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение  длительного времени. Информация записывается на заводе, не изменяется в процессе работы, не теряется при отключении напряжения (аналог – книга).

ОЗУ предназначено  для записи, временного хранения и  считывания информации, с которой  работает процессор в данный момент времени. Главное достоинство ОЗУ  – высокое быстродействие (доступ к оперативной памяти на современных  ПК осуществляется в сотни тысяч  раз быстрее, чем к дисковой). Недостаток – вся информация после выключения напряжения теряется. В современных  компьютерах объем ОЗУ памяти обычно составляет 1-4 Гбайта. Объем  памяти – важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы и  работоспособность программ. Чем  меньше оперативная память в компьютере, тем чаще происходит обмен данными  с диском и тем меньше каждая порция этого обмена. Операции, которые  могут быть выполнены за секунды, растягиваются на минуты. Поэтому  увеличение объема оперативной памяти всегда дает заметный положительный  эффект.

Кэш-память. Для  достаточно быстрых компьютеров  необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого используется кэш-память, т.е. "сверхоперативная" память относительно небольшого объема, в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. Кэш-память располагается "между" микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш- памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержатся именно в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.

На материнской  плате имеется энергонезависимая CMOS-память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом включении системы. Это полупостоянная память. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера – SETUP.

Для ускорения  доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается  как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью, в ней  хранятся копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. Регистры кэш- памяти недоступны для пользователя. В кэш-памяти хранятся данные, которые  микропроцессор получил и будет  использовать в ближайшие такты  своей работы. Быстрый доступ к  этим данным позволяет сократить  время выполнения очередных команд программы. Микропроцессоры, начиная  от МП 80486, имеют встроенную кэш-память. Многие микропроцессоры имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для  команд. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная кэш-память, размещаемая на материнской  плате вне микропроцессора, емкость  которой может достигать нескольких Мбайт.

Для связи пользователя и компьютера существуют устройства, называемые устройствами ввода/вывода, внешними или периферийными устройствами. Поскольку человек не воспринимает электрические импульсы и плохо  понимает информацию, представленную в форме последовательностей 0 и 1, в состав компьютера должны входить специальные устройства ввода – для кодирования информации и устройства вывода, для преобразования информации с машинного языка в форму, удобную для восприятия чело- веком.

Периферийные  устройства – это любые дополнительные вспомогательные устройства, которые  можно подключить к компьютеру для  расширения функциональных возможностей. В технической литературе под  периферией принято понимать все, что  находится вне системного блока.

Внешние (периферийные) устройства персонального компьютера составляют важнейшую часть любого вычислительного комплекса. Внешние  устройства обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой –  пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

Внешние устройства подключаются к компьютеру через  специальные разъемы-порты ввода-вывода. Порты ввода-вывода бывают следующих  типов:

• Параллельные (обозначаемые LPT1 - LPT4) - обычно используются для подключения принтеров
• Последовательные (обозначаемые СОМl - COM4) обычно к ним подключаются мышь, модем и другие устройства.

К внешним устройствам  относятся:

• Устройства ввода информации
• Устройства вывода информации
• Диалоговые средства пользователя
• Средства связи и телекоммуникации.

К устройствам  ввода информации относятся:

• Клавиатура - устройство для ручного ввода в компьютер числовой, текстовой и управляющей информации;
• Графические планшеты (дигитайзеры) - для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в компьютер;
• Сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в компьютер машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;
• Устройства указания (графические манипуляторы) - для ввода графической информации на экран монитора путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в компьютер (джойстик, мышь, трекбол, световое перо);
• Сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в компьютер).