Архитектура ЭВМ

1. Архитектура ЭВМ

Информатика

2. Персональный компьютер

Компьютер
(англ. computer — вычислитель) универсальное электронное
автоматическое устройство для
работы с информацией.

3.

Основу компьютеров образует аппаратура
(HardWare), построенная, в основном,
с использованием электронных и
электромеханических элементов и
устройств.
Принцип действия компьютеров состоит в
выполнении программ (SoftWare) —
заранее заданных, четко определённых
последовательностей арифметических,
логических и других операций.
Компьютеры работают с очень высокой
скоростью, составляющей миллионы и
миллиарды операций в секунду.

4.

Архитектура – это компоненты
компьютера, их устройство,
выполняемые ими функции, а
также взаимосвязи между
этими компонентами.

5. Машина Фон Неймана

В 1946 Джон фон Нейман описал архитектуру
некоторого абстрактного вычислителя,
который сейчас принято называть машиной
фон Неймана. Эта машина является
абстрактной моделью ЭВМ, так как многие
детали в архитектуре этой машины не
конкретизированы. Это было сделано
специально, чтобы не сковывать
творческого подхода к делу у инженеровразработчиков новых ЭВМ.

6.

В машине фон Неймана зафиксированы те особенности
архитектуры, которые в той или иной степени присущи
всем компьютерам.
Машина фон Неймана
состоит из :
памяти,
устройств ввода/вывода
центрального процессора
(ЦП).
Центральный процессор, в
свою очередь, состоит из:
устройства управления
(УУ)
арифметико-логического
устройства (АЛУ).
Толстыми стрелками показаны потоки команд и данных,
тонкими – передача между устройствами управляющих сигналов

7. Принципы фон Неймана

В основу построения большинства ЭВМ
положены принципы, сформулированные в
1946 г. Джоном фон Нейманом:
7

8.

1. Принцип программного управления
– компьютер работает под управлением
программ (программа состоит из набора
команд, которые выполняются процессором
автоматически друг за другом в определённой
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
нумерованных ячеек.

9. Современный ПК

10.

Структурная схема ПК

11.

Для большинства персональных
компьютеров используется
модульно-магистральный
принцип построения,
который заключается в том, что
оперативная память и процессор
взаимодействуют с устройствами
компьютера (модулями) через
системную магистраль (шину).

12. Назначение контроллеров

Контроллер — это специализированный
процессор, управляющий работой вверенного ему
внешнего устройства. Например, контроллер
накопителя на магнитных дисках (дисковода)
«умеет» позиционировать головку на нужную
дорожку диска, читать или записывать сектор,
форматировать дорожку и т. п.
Наличие контроллеров существенно изменяет
процессы обмена информацией внутри
компьютера. Центральный процессор при
необходимости произвести обмен выдает задание
на его осуществление контроллеру. Дальнейший
обмен информацией может протекать под
руководством контроллера без участия
центрального процессора, который получает
возможность выполнять программу дальше.

13.  Архитектура ПК определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера:

Архитектура ПК определяет
принцип действия, информационные
связи и взаимное соединение
основных логических узлов
компьютера:
-
центрального процессора;
основной памяти;
внешней памяти;
периферийных устройств.

14. Основные блоки ПК и их значение

15. Системная плата

16. Системная плата

Основные электронные компоненты,
определяющие архитектуру компьютера,
размещаются на основной плате, которая
называется системной или материнской
(MotherBoard).
Контроллеры и адаптеры дополнительных
устройств, либо сами эти устройства,
выполняются в виде плат расширения
(DаughterBoard — дочерняя плата) и
подключаются к шине с помощью
разъёмов расширения, называемых также
слотами расширения (англ. slot — щель,
паз).

17. Системная шина.

Это основная интерфейсная система компьютера,
обеспечивающая сопряжение и связь всех его
устройств между собой.
Шина состоит из трех частей:
шины данных (для передачи данных);
шины адреса (для передачи адресов);
шины управления (для передачи управляющих
сигналов).
Одно из достоинств описанной схемы заключается в
возможности легко подключать к компьютеру новые
устройства. Это называется принципом открытой
архитектуры. Для пользователя открытая
архитектура означает возможность свободно
выбирать состав внешних устройств для своего
компьютера.

18. Микропроцессор

Это центральный блок ПК, предназначенный для управления
работой всех блоков машины и для выполнения
арифметических и логических операций над информацией.
В состав микропроцессора входят:
устройство управления (УУ)
арифметико - логическое устройство (АЛУ)
микропроцессорная память (МПП)- Регистры
(быстродействующие ячейки памяти)
интерфейсная система микропроцессора - реализует
сопряжение и связь с другими устройствами ПК
Генератор тактовых импульсов. Он генерирует
последовательность электрических импульсов; частота
генерируемых импульсов определяет тактовую частоту
машины.
Промежуток времени между соседними импульсами
определяет время одного такта работы машины или просто
такт работы машины.
Частота генератора тактовых импульсов является одной из
основных характеристик персонального компьютера и во
многом определяет скорость его работы, ибо каждая
операция в машине выполняется за определенное
количество тактов.

19. Память

Память компьютера делится
на внутреннюю и внешнюю. Основные различия
внутренней и внешней памяти состоят в следующем:
внутренняя память «быстрая », внешняя память
сравнительно «медленная».
Чем определяется быстродействие памяти? Временем
доступа процессора к данным, хранящимся в устройстве
памяти. Иначе говоря, тем, за какое время процессор
считывает или записывает в память фиксированную
порцию данных, например 1 байт. Время доступа
современного жесткого диска (винчестера) составляет
примерно 10 миллисекунд (10-3 секунды). А современная
оперативная память обладает временем доступа порядка 5
наносекунд (5*10-9 секунды), т. е. работает примерно в
миллион раз быстрее.

20. Внутренняя память

Она предназначена для хранения и оперативного обмена
информацией с прочими блоками машины, содержит
два вида запоминающих устройств:
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) ,
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной)
программной и справочной информации, позволяет
оперативно только считывать хранящуюся в нем
информацию (ROM).
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и
считывания информации (программ и данных) ,
непосредственно участвующей в информационно вычислительном -процессе , выполняемом ПК в
текущий период времени . Главными достоинствами
оперативной памяти являются ее высокое
быстродействие и возможность обращения к каждой
ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к
ячейке) . В качестве недостатка ОЗУ следует отметить
невозможность сохранения информации в ней после
выключения питания машины ( энергозависимость).

21. Оперативная память

Существуют два основных типа устройств оперативной памяти:
динамическая и статическая память.
Динамическая память чаще всего является основной памятью,
статическая — дополнительной. Динамическая память стоит
много меньше статической (в расчете на единицу хранимой
информации), но по быстродействию значительно уступает
современным микропроцессорам. Это означает, что
внутрипроцессорные операции совершаются значительно
быстрее (в несколько раз), чем обмен информацией между
процессором и памятью. Поскольку при исполнении программы
постоянно идет обмен данными между процессором и
оперативной памятью, то низкое быстодействие динамической
памяти тормозит весь процесс.
Значит, дополнительно необходима пусть менее емкая, но более
«быстрая» память. Это статическая память, которую еще
называют кэш-памятью. В ней хранятся данные, к которым
исполняемая программа обращается наиболее часто. Кэш-память
работает практически с той же скоростью, что и процессор.
Использование кэш-памяти позволяет значительно увеличить
производительность системы.

22. Постоянная память

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)—
энергонезависимое устройство, т. е. данные, находящиеся в
нем, не зависят от того, включен ли компьютер. В
динамической и статической памяти при исчезновении
энергопитания данные практически мгновенно исчезают. В
ПЗУ хранится программа запуска компьютера, которая
называется BIOS (базовая система ввода/вывода). BIOS
начинает работать после включения питания компьютера.
Эта программа загружает с диска операционную систему и
далее в работе компьютера не участвует.
Еще один вид памяти — видеопамять, обслуживающая
устройство визуального отображения выводимой
информации — монитор. Сначала формируется содержимое
видеопамяти, а затем контроллер монитора выводит
изображение на экран.

23. Внешняя память.

Она относится к внешним устройствам ПК и
используется для долговременного хранения
любой информации, которая может когда-либо
потребоваться для решения задач. В частности,
во внешней памяти хранится все программное
обеспечение компьютера. Внешняя память
содержит разнообразные виды запоминающих
устройств, но наиболее распространенными,
имеющимися практически на любом
компьютере, являются накопители на жестких
магнитных дисках(HDD), оптических дисках(CDR, CD-RW, DVD), flash и др.
Назначение этих накопителей - хранение больших
объемов информации, запись и выдача
хранимой информации по запросу в
оперативное запоминающее устройство.

24. Периферийные устройства

Устройства ввода-вывода
Печатающие устройства
Телекоммуникационные устройства

25. Устройства ввода-вывода

Современные внешние устройства компьютера
обеспечивают ввод и вывод разнообразной
информации: текстовой, графической, звуковой.
Для ввода текстовой информации используется,
прежде всего, клавиатура; для графической
информации — сканер; для звуковой — микрофон
и звуковая плата.
Задача ввода управляющей информации,
регулирующей работу компьютера, решается в
основном манипуляторами типа мышь. Экран
монитора и принтер позволяют с равным успехом
выводить текстовую и графическую информацию,
а акустические системы (колонки, наушники) —
звуковую.

26.

Современный компьютер, являясь универсальный
инструментом обработки информации, способен работать со
звуком. При этом звуковая информация — равно как и
текстовая, графическая — должна быть представлена в
дискретной форме, иначе говоря, оцифрована. Техническое
устройство, позволяющее обрабатывать звуковую
информацию, называется звуковой платой. Звуковая
плата имеет гнезда для подсоединения микрофона и
акустической системы.
Возможность одновременной работы разных устройств
вывода дала возможность развивать системы
мультимедиа. В этих системах интерактивное
взаимодействие компьютера с пользователем
сопровождается одновременным отображением нескольких
видов информации (текстовой, графической и звуковой).
Эффективность таких систем при решении ряда задач
(например, обучения) весьма высока, что объясняется
особенностями человеческого восприятия информации
одновременно несколькими органами чувств.

27. Сетевое оборудование

Дополнительную и весьма важную группу
технических средств ПК составляют
устройства, которые обеспечивают сетевое
подключение и работу компьютеров в сети.
Часть этих устройств может располагаться на
столе рядом с компьютером (например,
модем, соединяющий компьютер с
телефонной сетью); часть — в отдалении,
рядом с сервером (например,
маршрутизаторы, выполняющие пересылку
данных между двумя сетями с возможно
разными технологиями связи)

28. Перспективные направления развития компьютеров

Тенденции развития:
Во-первых, постоянно расширяется и
совершенствуется набор внешних устройств.
Во-вторых, компьютеры перестали быть
однопроцессорными — и не только
благодаря наличию контроллеров внешних
устройств. В компьютере могут
использоваться дополнительные
специализированные процессоры для
быстрых математических вычислений, видеопроцессоры для ускорения вывода
информации на экран монитора и др.

29. Вычислительные системы

Кроме персональных компьютеров на практике существуют и
другие, многократно более мощные вычислительные системы.
Без них было бы невозможно решение ряда сложных научнотехнических и оборонных задач, обработка огромных баз
данных, поддержка крупных коммуникационно-вычислительных
сетей (включая Интернет).
К компьютерам более высокого уровня, чем ПК, относятся:
мощные микрокомпьютеры, выполняющие
специализированные работы высокого
профессионального уровня (например, проектноконструкторские (графические));
серверы в глобальной компьютерной сети,
управляющие ее работой и хранящие огромные объемы
информации;
многопроцессорные системы параллельной
обработки данных.

30. Вопросы для повторения

Чем принципиально отличается архитектура
персонального компьютера от классической
архитектуры компьютеров первых поколений?
Какие функции выполняют контроллеры внешних
устройств?
В чем состоит принцип открытости архитектуры
персонального компьютера?
Назовите основные устройства ПК.