Введение

Современные ЭВМ бывают самыми разными: большие, занимающие целые залы, маленькие, помещающиеся на столе, в портфеле и даже в кармане. Сегодня самым массовым видом ЭВМ являются персональные компьютеры.

Создание персонального компьютера (ПК) можно отнести к одному из самых значительных изобретений 20 века. ПК существенно изменил роль и значение вычислительной техники в жизни человека.

Определение «персональный» возникло потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ самостоятельно (персонально) без посредничества профессионала- программиста.

Персональные компьютеры используются сейчас повсеместно. Их основное назначение- выполнение рутинной работы: поиск информации, составление типовых форм документации, фиксация результатов исследования, подготовка текстов разного рода от простейших документов до издательской верстки и так далее.

Общедоступность и универсальность персонального компьютера обеспечивается за счет наличия следующих характеристик:

· «дружественность» интерфейса взаимодействия человека с компьютером, что позволяет работать на нем без специальной подготовки в компьютерной области

· малая стоимость

· небольшие габариты и отсутствие специальных требований к условиям окружающей среды

· открытость архитектуры

· большое количество программных средств для различных областей применения

· совместимость на программном и физическом уровне новых версий и моделей

· высокая надежность работы

Основы архитектуры ЭВМ

Составные части, из которых состоит компьютер, называют модулями. Среди всех модулей выделяют основные модули, без которых работа компьютера невозможна, и остальные модули, которые используются для решения различных задач: ввода и вывода графической информации, подключения к компьютерной сети и т.д.

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в заданной последовательности).

2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).

3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана).

Архитектура ЭВМ - это её логическая организация, структура и ресурсы. Архитектура определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ЭВМ:

· процессора;

· оперативного ЗУ (запоминающего устройства);

· внешних ЗУ;

· периферийных устройств.

Функции памяти:

· приём информации от других устройств;

· запоминание информации;

· передача информации по запросу в другие устройства машины.

Память делят на:

· основную:

· ОЗУ (оперативно запоминающее устройство);

· ПЗУ (постоянное запоминающее устройство);

· внешнюю (устройства внешней памяти позволяют длительно хранить информацию).

Носители внешней памяти:

· жесткие и гибкие магнитные диски

· лазерные диски (CD)

Прежде, чем использовать, диски форматируют на дорожки и секторы.

К функциям периферийных устройств относятся ввод и вывод информации.

Каждое устройство имеет набор характеристик, которые позволяют подобрать такую конфигурацию устройств, которая наилучшим образом подходит для решения определенного круга задач с помощью компьютера.

Функции процессора:

· обработка данных по заданной программе (выполнение над ними арифметических и логических операций)- функция АЛУ (арифметико-логического устройства);

· программное управление работой устройств ЭВМ - функция УУ (устройства управления).

В состав процессора входят также регистры (процессорная память) - ряд специальных запоминающих ячеек.

Регистры выполняют две функции:

· кратковременное хранение числа или команды;

· выполнение над ними некоторых операций.

Важнейшие регистры:

· счетчик команд (служит для автоматической выборки команд программы из последовательных ячеек памяти, в нем хранится адрес выполняемой команды);

· регистр команд и состояний (служит для хранения кода команды).

· Команда - это элементарная операция, которую должна выполнить ЭВМ.

Команда содержит:

· код выполняемой операции

· адреса операндов

· адрес размещения результата

Выполнение команды разбивается на следующие этапы:

· из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается команда (при этом содержимое счётчика команд увеличивается)

· команда передаётся в устройство управления (в регистр команд)

· устройство управления расшифровывает адресное поле команды

· по сигналам устройства управления операнды выбираются из памяти в АЛУ (в регистры операндов)

· УУ расшифровывает код операции и выдаёт сигнал АЛУ выполнить операцию

· результат операции остаётся в процессоре, либо возвращается в ОЗУ

Структура ПК

Рассмотрим классическую архитектуру персонального компьютера:

Персональные компьютеры обычно состоят из следующих основных модулей

· монитор

В системном блоке находятся все основные узлы компьютера:

· материнская плата;

· электронные схемы (процессор, контроллеры устройств и т.д.);

· блок питания;

· дисководы (накопители).

С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие - архитектура ЭВМ.

Подархитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Только через 100 лет на базе появившихся электронных приборов эта идея была развита американским математиком Джоном фон Нейманом. В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные им в 1945 году.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;

Устройство управления , которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее устройство , илипамять для хранения программ и данных;

Внешние устройства для ввода-вывода информации.

В основе работы компьютера лежат следующие принципы:

Принцип двоичного кодирования . Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

Принцип программного управления . Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Машины, построенные на этих принципах, называются Фон-Неймановскими.

Виды архитектуры ЭВМ (открытая, закрытая, Гарвардская).

Архитектура вычислительной машины - концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения

Архитектуры закрытого типа

Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Вычислительные системы с открытой архитектурой

Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой.

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера.

Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток - высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Часто требуется выбрать три составляющие - два операнда и инструкцию(в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее встречаемая задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция - обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») - расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут послужить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx - модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) - расширенная Гарвардская Архитектура.

АРХИТЕКТУРА ЭВМ

Классификация ЭВМ

Основные блоки ПК и их назначение

Внутримашинный системный интерфейс

Функциональные характеристики ПК

ЭВМ (компьютер) – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Признаки классификации:

по принципу действия (но отличаются друг от друга типом представления информации);

по этапам создания;

по назначению;

по размерам и функциональным возможностям.

Архитектура ЭВМ – совокупность ее свойств, существенных для пользователя.

Структура и функциональные возможности ЭВМ:

основные (обеспечивают обработку и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами);

дополнительные (обеспечивают эффективные режимы работы, диалог с пользователем, высокую надежность).

Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Персональный компьютер – настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Достоинства ПК:

малая стоимость (в пределах доступности для индивидуального пользователя);

автономность эксплуатации;

гибкость архитектуры (адаптивность к различным применениям в управлении, науке, образовании, быту);

«дружественность» ОС и программного обеспечения (возможность работы без специальной профессиональной подготовки);

высокая надежность работы.

Виды ПК:

настольное исполнение (desktop);

наколенный вариант (laptop).

блокнотный вариант (notebook).

карманные (Palm Top – наладонные);

электронные секретари (PDA – Personal Digital Assistent), имеют более широкие функциональные возможности как у обычного ПК и встроенное программное обеспечение для управления персональной информацией (адреса, телефоны, расписание встреч и т.д.);

электронные записные книжки (organizer).

Базовая (типовая) конфигурация ПК:

системный блок (это центральное звено компьютерной системы);

монитор (предназначен для отображения текстовой и графической информации);

клавиатура (используется для ввода текста, чисел и команд в компьютер);

Классификация системных блоков:

горизонтальные (desktop, плоские и особо плоские (slim));

вертикальные (tower, полноразмерные, среднеразмерные, малоразмерные).

Системный блок содержит наиболее важные компоненты:

материнская (системная) плата (содержит центральный процессор, микропроцессорный чипсет, математический сопроцессор, генератор тактовых импульсов, блоки ОЗУ и ПЗУ, шины, адаптеры клавиатуры, НЖМД, НГМД, контроллер прерываний, таймер и т.д.)

блок питания;

накопители на дисках;

дисководы;

разъемы для дополнительных устройств;

платы расширения с контроллерами (адаптерами) различных устройств.

Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, называются периферийными.

Структура ПК:

микропроцессор (центральный блок, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией);

генератор тактовых импульсов (генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту машины);

системная шина (основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой, в техническом плане шина состоит из пучка проводов, по которым передаются сигналы. Стык шины с устройством называется портом, которому для определенности присваивается номер, называемый адресом);

основная память (предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины);

внешняя память (используется для долговременного хранения информации, в ней хранится все программное обеспечение компьютера);

источник питания (блок, содержаний системы автономного и сетевого энергопитания);

таймер (внутримашинные электронные часы, подключаются к автономному источнику питания, работают при отключении от сети);

внешние устройства.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств – аппаратных интерфейсов.

Стандарты на аппаратные интерфейсы называются протоколами.

Протокол – это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Состав микропроцессора:

устройство управления (формирует и подает определенные сигналы управления, формирует адреса ячеек памяти и передает эти адреса в соответствующие блоки, последовательность импульсов получает от генератора тактовых импульсов);

арифметико-логическое устройство (выполняет арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией);

микропроцессорная память (служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины; регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины);

интерфейсная система микропроцессора (реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК, включает внутренний интерфейс, буферные запоминающие регистры, схемы управления портами ввода-вывода (позволяют подключить другое устройство ПК) и системной шиной.

Частота генератора тактовых импульсов – одна из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, т.к. каждая операция выполняется за определенное количество тактов.

Такт работы машины – промежуток времени между соседними импульсами.

Внутримашинный системный интерфейс (система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой) – совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Варианты организации внутримашинного интерфейса:

многосвязный интерфейс (каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами, применяется в простейших бытовых ПК);

односвязный интерфейс (все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину).

В качестве системного интерфейса используется системная шина .

В качестве системной шины могут использоваться:

шины расширений (шины общего назначения, позволяющие подключать большое число различных устройств);

локальные шины (специализируются на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса).

Системная шина включает:

кодовую шину данных (содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода, по ней происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно);

кодовую шину адреса (включает провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства);

кодовую шину инструкций (содержит провода и схемы сопряжения для передачи инструкций во все блоки машины);

шину питания (имеет провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания).

Системная шина обеспечивает передачу информации:

Порты ввода-вывода всех блоков машины подключаются через соответствующие унифицированные разъемы непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с помощью ASCII-кодов.

Шины расширений:

шина РС/ХТ bus – 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, тактовая частота 4,77 МГц, имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память;

шина РС/АТ bus – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, тактовая частота до 8 МГц, может использоваться и МП с тактовой частотой до 16 МГц, имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память;

шина ISA (Industry Standard Architecture) – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, тактовая частота 8 МГц, может использоваться и МП с тактовой частотой до 50 МГц, имеет до 15 линий для аппаратных прерываний и до 11 каналов для прямого доступа в память, адресное пространство увеличено до 16 Мбайт, пропускная способность теоретически 16 Мбайт/с, практически – 4-5 Мбайт/с;

шина ЕISA (Extended ISA) – 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота 8-33 МГц, адресное пространство 4 Гбайта, пропускная способность до 33 Мбайта/с, улучшена система прерываний и обеспечено автоматическое конфигурирование системы и управление каналами для прямого доступа в память, увеличено число разъемов расширений (может подключаться теоретически до 15 устройств, практически – до 10), совместима с шиной ISA, применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях;

шина МSA – 32-разрядная шина данных и 32,64-разрядная шина адреса, тактовая частота 10-20 МГц, пропускная способность до 76 Мбайт/с, может подключаться до 15 устройств, близка к шине ЕISA, но не совместима ни с ISA, ни с ЕISA, применяется не очень широко.

Локальные шины:

шина VLB (VESA Local Bus) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 33 МГц, пропускная способность теоретически 132 Мбайт/с, практически – 80 Мбайт/с, малое количество подключаемых устройств – 4, могут быть конфликты между подключаемыми устройствами, жестко зависима от тактовой частоты МП;

шина PCI (Peripheral Component Interconnect) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 33 МГц, пропускная способность теоретически 132,264 Мбайт/с, практически – 50,100 Мбайт/с, количество подключаемых устройств – 10, может выполнять многие функции шины расширения, в настоящее время используется как шина для подключения внешних устройств;

шина FSB (Front Side Bus) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 133 МГц, пропускная способность до 800 Мбайт/с, используется для связи процессора и памяти, частота этой шины является одним из потребительских параметров;

шина AGP (Advanced Graphic Port) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота 33 или 66 МГц, пропускная способность до 1066 Мбайт/с, используется для связи с видеоадаптером;

шина USB (Universal Serial Bus) – пропускная способность до 1,5 Мбит/с, позволяет подключать до 256 устройств, имеющих последовательный интерфейс, практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» и позволяет объединять несколько компьютеров и простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Использование в ПК шин VLB и PCI возможно при наличии соответствующей материнской платы.

Выпускаются материнские платы с мультишинной структурой VIP (по начальным буквам VLB, ISA, PCI).

Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.

С точки зрения физического принципа действия различают:

динамическую память (DRAM) – ячейки можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Микросхемы используются в качестве основной ОП компьютера. Это наиболее распространенный и экономически доступный вид памяти. Недостаток – постоянно требуется регенерация (подзарядка) ячеек оперативной памяти, что вызывает непроизводительный расход вычислительной системы.

статистическую память (SRAM) – ячейки можно представить в виде микроэлементов (триггеров), состоящих из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает высокое быстродействие. Микросхемы этой памяти используют в качестве вспомогательной памяти (кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы компьютера.

Основная память содержит:

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию);

оперативное запоминающее устройство (ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации, участвующей в процессе в текущий момент времени, достоинство – быстродействие и возможность обращение к каждой ячейке памяти отдельно, недостаток – энергозависимость).

В момент включения компьютера в его оперативной памяти ничего нет (программ, команд). Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ. Процессор обращается по указанному адресу за своей первой командой и начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на ОП, поскольку в ней пока ничего нет. Он указывает на ПЗУ. Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию даже при выключенном компьютере.

Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» – их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ в ПЗУ образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System).

Основное назначение программ этого пакета:

проверить состав и работоспособность компьютерной системы;

обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков;

обеспечить возможность наблюдения на экране диагностических сообщений, сопровождающих запуск компьютера,

обеспечить при необходимости возможность вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, в частности, накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Их назначение – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в ОЗУ.

Различаются конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

Магнитные диски – машинные носители информации.

Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей – дорожек (треков).

Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества магнитных головок и магнитного покрытия.

Каждая дорожка МД разбита на сектора по 128, 256, 512 или 1024 байт.

Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно целым числом секторов.

Кластер – минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.

При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации.

Файл – именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных.

Файл – последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем.

Имя файла может содержать адресные данные, сведения о типе данных, заключенных в нем. Хранение фалов организуется в иерархической структуре, называемой файловой.

Полное имя файла – собственное имя файла вместе с путем доступа к нему.

<имя носителя \ <имя каталога-1 \...\ <имя каталога-N \ <собственное имя файла

Данные на дисках хранятся в файлах. Файлу выделяется поле памяти, кратное некоторому количеству кластеров. Кластеры одного файла могут находиться в любом свободном месте и необязательно являются смежными.

Файлы, находящиеся в разбросанных по диску файлах, называются фрагментированными .

Форматирование дискеты – создание структуры записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, записи маркеров и другой служебной информации.

Монитор – устройство, предназначенное для отображения информации, которую компьютер передает пользователю.

Размер экрана монитора измеряется по диагонали в дюймах.

Условно можно выделить группы:

мониторы с электронно-лучевой трубкой (изображение формируется лучом электронов, которые «поджигают» точки цветного люминофора, которым изнутри покрыта поверхность экрана. Каждый пиксель изображения состоит из трех цветных точек люминофора: красного, зеленого и синего. Поток электронов, используемый для формирования изображения на экране электронно-лучевого монитора, довольно силен, и не весь гасится люминофором и защитным покрытием экрана. Кроме того, для управления лучам, используются сильные магнитные поля. Все это приводит к тому, что электронно-лучевые мониторы хоть и в небольшой степени, но являются источниками вредных излучений);

жидкокристаллические мониторы (рабочий слой жидкокристаллических мониторов состоит из множества мелких жидких кристаллов, которые могут менять свой цвет и прозрачность под воздействием подаваемых на них небольших напряжений. Такие мониторы не излучают);

мультимедийные мониторы (электронные и жидкокристаллические мониторы, которые могут выполнять еще дополнительные функции: воспроизводить и воспринимать звук с помощью встроенных акустических систем и микрофона, и даже воспринимать изображение с помощью встроенной видеокамеры).

Дисплей может работать:

в текстовом режиме (экран дисплея разбивается на 25 строк по 80 символов в каждой строке. Этот режим служит для вывода заранее заданных символов: больших и малых латинских букв, букв русского алфавита, цифр и других различных символов);

в графическом режиме (на экран дисплея изображение выводится по точкам, (пикселям). В таком режиме, как правило, создаются рисунки и строятся графики, при выводе в таком режиме текстовой информаций быстродействие будет ниже, т.к. каждый символ необходимо прорисовывать по точкам).

Разрешающая способность – основной параметр, характеризующий качество графического изображения на экране дисплея, определяется количеством точек по вертикали и горизонтали.

Точка (пиксель) – некоторая минимальная область экрана, в которой происходит смешивание красного, синего и зеленого лучей, интенсивность которых и определяет цвет в данной точке.

Дисплей VGA 640x480 означает, что дисплей типа VGA с количеством точек по горизонтали 640, а по вертикали 480. Разрешающая способность хороших мониторов достигает 1280х1024 и выше.

Кроме того, каждый дисплей характеризуется количеством воспроизводимых цветов, которое может колебаться от 2 (черно-белое изображение) до 256 и выше (16 млн. цветов – дисплеи Super VGA). Чем лучше дисплей, тем больше цветов он может воспроизвести.

Клавиатура компьютера – устройство для ввода команд и текста.

Группы клавиш по назначению:

блок алфавита (содержат клавиши для ввода текстовых символов. Первый сверху ряд состоит из клавиш с цифрами, над которыми изображены специальные символы. В зависимости от нажатия специальных клавиш можно печатать цифры или символы. Для ввода заглавных и других символов, располагающихся на верхнем регистре клавиатуры, служит клавиша «Shift»);

функциональные клавиши F1, …, F12 (находятся вверху клавиатуры и предназначены для быстрого ввода повторяющихся команд одной клавишей в различных программах. Напр., клавиша F10 часто используется для выхода из программ, а клавиша F1 – для вызова справки или подсказки);

клавиши управления курсором (предназначены для передвижения по тексту или командам меню, находятся в нижней части клавиатуры, справа от алфавитного блока. Текстовый курсор – специальный символ, который указывает место в строке, куда будет вводиться следующий символ);

цифровой блок (при нажатой клавише «NumLock» включается соответствующая лампочка, и можно использовать этот блок для ввода цифр. Если лампочка не горит, то с помощью клавиш цифрового блока можно управлять передвижением текстового курсора);

служебные клавиши

Ctrl» и «Alt» обычно действуют только при одновременном нажатии с другими клавишами и увеличивают количество выполняемых с помощью функциональных клавиш команд.

«Esc» помогает отменить любую команду.

«Caps Lock» служит для фиксации режима заглавных букв. При ее нажатии загорается индикатор в правой верхней части клавиатуры. Переключение клавиатуры с режима ввода русских букв на режим ввода латинских символов осуществляется с помощью специально назначенных клавиш.

«Enter» (ввод) (предназначена для перевода курсора на начало следующей строки, также используется для ввода команд в операционной системе).

«Back Space» (изображена стрелкой влево) позволяет передвинуть курсор на одну позицию влево и стирает символ, находящийся в этой позиции.

«Delete» (удаление) используется для удаления символа, на котором находится курсор. При этом сам курсор остается на прежнем месте, а все символы справа от курсора сдвигаются на одну позицию влево.

«Insert» (вставка) предназначена для перехода из режима вставки в режим замены и обратно. В режиме вставки вводимые символы появляются на том месте, где расположен курсор, а часть строки, расположенная справа от курсора, сдвигается при каждом нажатии клавиши на одну позицию вправо. В режиме замены сдвига текста, расположенного справа от курсора, не происходит, а вводимые символы появляются на месте старых, затирая их.

«PgUp», «PgDown » служат для постраничного перемещения по экрану вверх и вниз соответственно.

«Home» и «End» предназначены для перемещения курсора в начало и конец строк соответственно.

«Tab» служит для сдвига курсора на несколько () позиций вправо, обычно 4 или 8.

«Print Screen» служит для сохранения текущего состояния экрана в специальной области ОП, называемой буфером обмена.

«Scroll Lock» переключает режим работы в некоторых программах (как правило, устаревших).

«Pause/Break» осуществляет приостановку/ прерывание процесса.

Мышь – устройство управления манипуляторного типа, предназначенное для управления программами компьютера.

Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) по экрану монитора.

На корпусе мыши расположены две или три кнопки управления. В трехкнопочных манипуляторах обычно используются только крайние кнопки, а средняя кнопка используется для работы лишь с некоторыми видами программ. Иногда средняя кнопка выполняется в виде колесика.

Функциональные характеристики ПК:

быстродействие, производительность, тактовая частота;

разрядность машины и кодовых шин интерфейса;

типы системного и локального интерфейсов;

ёмкость оперативной памяти;

ёмкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера);

тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках;

виды и емкость КЭШ-памяти;

тип видеомонитора и видеоадаптера;

наличие математического сопроцессора;

имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;

аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ;

возможность работы в вычислительной сети;

возможность работы в многозадачном режиме;

надежность;

стоимость;

габариты и масса.

С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие - архитектура ЭВМ.

Подархитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Только через 100 лет на базе появившихся электронных приборов эта идея была развита американским математиком Джоном фон Нейманом. В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные им в 1945 году.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;

Устройство управления , которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее устройство , илипамять для хранения программ и данных;

Внешние устройства для ввода-вывода информации.

В основе работы компьютера лежат следующие принципы:

Принцип двоичного кодирования . Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

Принцип программного управления . Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Машины, построенные на этих принципах, называются Фон-Неймановскими.

Виды архитектуры ЭВМ (открытая, закрытая, Гарвардская).

Архитектура вычислительной машины - концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения

Архитектуры закрытого типа

Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Вычислительные системы с открытой архитектурой

Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой.

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера.

Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток - высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Часто требуется выбрать три составляющие - два операнда и инструкцию(в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее встречаемая задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция - обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») - расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут послужить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx - модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) - расширенная Гарвардская Архитектура.

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Открытая архитектура - предполагает наличие единого стандарта при разработке устройств, располагающихся на материнской плате и плате расширения.

Структура компьютера — это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов

Рисунок 3 - архитектура ЭВМ.

В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: Принстонская (фон Неймана) и Гарвардская . Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

Согласно Джону фон Нейману, любая ЭВМ должна включать четыре основных блока - процессор, оперативную память, внешнюю память и комплекс устройств ввода-вывода

Рисунок 4 - Структурная схема ЭВМ

Эта схема, широко использовавшаяся в первых вычислительных машинах, имела один существенный недостаток: управление вводом-выводом и выполнение команд осуществлялось одним устройством управления. При такой структуре ЭВМ все виды программной обработки на время выполнения операций ввода-вывода прекращались из-за занятости процессора, что существенно снижало быстродействие машины.

Для устранения этого недостатка в схему был включен дополнительный компонент - канал ввода-вывода (устройство, обеспечивающее прямое взаимодействие процессора и периферийных устройств).

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата.

Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

1. По разрядности интерфейсов и машинных слов : 8-, 16-, 32-, 64-, 128- разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

2. По особенностям набора регистров, формата команд и данных : CISC, RISC, VLIW;

3. По количеству центральных процессоров : однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные; многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.

Большинство многопроцессорных систем сегодня используют архитектуру SMP .

SMP системы позволяют любому процессору работать над любой задачей независимо от того, где в памяти хранятся данные для этой задачи; с должной поддержкой операционной системы, SMP системы могут легко перемещать задачи между процессорами эффективно распределяя нагрузку. С другой стороны, память гораздо медленнее процессоров, которые к ней обращаются, даже однопроцессорным машинам приходится тратить значительное время на получение данных из памяти. В SMP только один процессор может обращаться к памяти в данный момент времени.

Массивно-параллельная архитектура (англ. Massive Parallel Processing, MPP) — класс архитектур параллельных вычислительных систем Особенность архитектуры состоит в том, что память физически разделена. Система строится из отдельных модулей, содержащих процессор, локальный банк операционной памяти, коммуникационные процессоры или сетевые адаптеры, иногда — жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода. Доступ к банку операционной памяти из данного модуля имеют только процессоры из этого же модуля. Модули соединяются специальными коммуникационными каналами. в отличие от SMP-систем , в машинах с раздельной памятью каждый процессор имеет доступ только к своей локальной памяти, в связи с чем не возникает необходимости в потактовой синхронизации процессоров.

Распределённые вычисления , метакомпьютинг (англ. grid — сеть) - способ решения трудоёмких вычислительных задач с использованием нескольких компьютеров, объединённых в параллельную вычислительную систему (одновременное решения различных частей одной вычислительной задачи несколькими процессорами (или ядрами одного процессора) одного или нескольких компьютеров)

В суперскалярных процессорах также есть несколько вычислительных модулей, но задача распределения между ними работы решается аппаратно. Это сильно усложняет дизайн процессора, и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство должно выполнять какую команду.

Суперскалярность — архитектура вычислительного ядра, использующая несколько декодеров команд, которые могут нагружать работой множество исполнительных блоков. Планирование исполнения потока команд является динамическим и осуществляется самим вычислительным ядром. Если в процессе работы команды, обрабатываемые конвейером, не противоречат друг другу, и одна не зависит от результата другой, то такое устройство может осуществить параллельное выполнение команд. В суперскалярных системах решение о запуске инструкции на исполнение принимает сам вычислительный модуль, что требует много ресурсов