Реализация фон-неймановской архитектуры вычислительных машин. ААС 02

1. Основы компьютерной техники

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ
ТЕХНИКИ
Дисциплина: «Архитектура аппаратных средств»
Преподаватель: Солодухин Андрей Геннадьевич

2. Основы компьютерной техники

• Компьютер представляет собой устройство, способное
исполнять четко определенную последовательность
операций, предписанную программой.
• Понятие «компьютер» является более широким, чем
«электронно-вычислительная машина» (ЭВМ),
поскольку в последнем явный акцент делается на
вычисления.
• Персональный компьютер (ПК) характерен тем, что им
может пользоваться один человек, не прибегая к
помощи обслуживающего персонала.

3. Реализация фон-неймановской архитектуры вычислительных машин

• Архитектура ВМ была представлена Джорджем фон
Нейманом (George von Neumann)в 1945 году.
Признаки
• состоит из:
• блока управления;
• арифметико-логического
устройства (АЛУ);
• памяти;
• устройств ввода-вывода.

4. Признаки

• Программы и данные хранятся в одной и той же
памяти.
Центральный процессор выбирает и исполняет
команды из памяти последовательно,
адрес очередной команды задается «счетчиком
адреса» в блоке управления.
Этот принцип исполнения называется
последовательной передачей управления.
Данные могут включать переменные - именованные
области памяти, в которых сохраняются значения с
целью дальнейшего использования в программе.

5. Признаки

• Фон-неймановская архитектура - не единственный
вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не
соответствуют указанным принципам (например,
потоковые машины).
• Большинство современных компьютеров основаны на
указанных принципах, которые можно рассматривать
как объединение фон-неймановских машин.

6. Из чего состоит компьютер?

7. Центральный процессор

8. Центральный процессор

• (АЛУ с блоком управления) реализуется микропроцессором
семейства х86 — от 8086/88 до новейших процессоров
Pentium, Athlon и Opteron (и это не конец истории).
• Процессор имеет набор регистров, часть которых доступна
для хранения операндов, выполнения действий над ними и
формирования адреса инструкций и операндов в памяти.
• Другая часть регистров используется процессором для
служебных (системных) целей, доступ к ним может быть
ограничен (есть даже программно-невидимые регистры).
• Все компоненты компьютера представляются для
процессора в виде наборов ячеек памяти или/и портов
ввода-вывода, в которые процессор может записывать
и/или из которых может считывать содержимое.

9. Память

10. Память

• Оперативная память (ОЗУ) - самый большой массив
ячеек памяти со смежными адресами - реализуется,
как правило, на модулях (микросхемах) динамической
памяти.
• Для повышения производительности обмена данными
(включая и считывание команд) оперативная память
кэшируется сверхоперативной памятью.
• Два уровня кэширования территориально
располагаются в микропроцессоре.

11. Память

• Оперативная память вместе с кэшем всех уровней (в
настоящее время — до трех) представляет собой
единый массив памяти,
• непосредственно доступный процессору для записи и
чтения данных,
• а также считывания программного кода.

12. Память

• Помимо оперативной память включает также
постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать
команды и данные, и некоторые виды специальной
памяти (например, видеопамять графического
адаптера).
• Вся эта память (вместе с оперативной) располагается
в едином пространстве с линейной адресацией.
• В любом компьютере обязательно есть
энергонезависимая память, в которой хранится
программа начального запуска компьютера и
минимально необходимый набор сервисов (ROM
BIOS).

13. Память

• Процессор (один или несколько), память и
необходимые элементы, связывающие их между
собой и с другими устройствами, называют
центральной частью, или ядром, компьютера (или
просто центром).
• То, что в фон-неймановском компьютере называлось
устройствами ввода-вывода (УВВ), удобнее называть
периферийными устройствами.

14. Периферийные устройства

• (ПУ) — это все программно-доступные компоненты
компьютера, не попавшие в его центральную часть.
• Их можно разделить по назначению на несколько
классов:

15. Периферийные устройства

16. Периферийные устройства. Классы

• Устройства хранения данных (устройства внешней
памяти) - дисковые (магнитные, оптические,
магнитооптические), ленточные (стримеры),
твердотельные (карты, модули и USB-устройства на
флэш-памяти).
• Эти устройства используются для сохранения
информации, находящейся в памяти, на
энергонезависимых носителях и загрузки этой
информации в оперативную память.

17. Периферийные устройства. Классы

18. Периферийные устройства. Классы

• Устройства ввода-вывода служат для преобразования
информации из внутреннего представления
компьютера (биты и байты) в форму, понятную
окружающим, и обратно.
• Под окружающими подразумеваются человек
(и другие биологические объекты) и различные
технические устройства (компьютер можно
приспособить для управления любым оборудованием,
были бы датчики и исполнительные устройства).
• В какую форму эти устройства преобразуют двоичную
информацию — определяется их назначением.

19. Периферийные устройства. Классы

20. Периферийные устройства. Классы

• Коммуникационные устройства служат для передачи
информации между компьютерами и/или их частями.
• Сюда относят модемы (проводные, радио, оптические,
инфракрасные...), адаптеры локальных и глобальных
сетей.
• В данном случае преобразование формы
представления информации требуется только для
передачи ее на расстояние.

21. Периферийные устройства. Классы

22. Вывод

• Процессор, память и периферийные устройства
взаимодействуют между собой с помощью шин,
аппаратных и программных интерфейсов.
• Стандартизация интерфейсов делает архитектуру
компьютеров открытой.

23. Биты, байты, слова, параграфы

• Компьютер работает в двоичной системе счисления —
минимальным информационным элементом является
бит, который может принимать значение 0 или 1.
• Этим значениям соответствуют различимые
физические состояния ячейки, чаще всего — уровень
напряжения (низкий или высокий).

24. Биты

• организуются в более крупные образования — ячейки
памяти и регистры.
Каждая ячейка памяти (и каждый регистр) имеет свой
адрес, однозначно ее идентифицирующий в определенной
системе координат.
Минимальной адресуемой (пересылаемой между
компонентами компьютера) единицей информации
является байт состоящий из 8 бит.
Два байта со смежными адресами образуют
слово (word) разрядностью 16 бит, два смежных слова —
двойное слово (double word) разрядностью 32 бита, два
смежных двойных слова — учетверенное слово (quad
word) разрядностью 64 бита.
Байт (8 бит) делится на пару тетрад (nibble): старшую
тетраду — биты [7:4] и младшую тетраду —биты [3:0].

25. Биты, байты, слова, параграфы

• В двухбайтном слове принят LH-порядок следования
байтов: адрес слова указывает на младший байт L
(Low), а старший байт Н (High) размещается по
адресу, большему на единицу.
• В двойном слове порядок аналогичен — адрес
указывает на самый младший байт, после которого
размещены следующие по старшинству.

26. Биты, байты, слова, параграфы

• Этот порядок, называемый форматом Little Endian и
естественный для процессоров Intel, применяется не
во всех микропроцессорных семействах.
• В формате Big Endian адрес указывает на самый
старший байт (двойного, учетверенного...) слова,
остальные байты размещаются по нарастающим
адресам.

27. Способы представления чисел

• Двоичные (binary) числа — каждая цифра отражает
значение одного бита (0 или 1), старший бит всегда
пишется слева, после числа ставится буква «b».
• Для удобства восприятия тетрады могут быть
разделены пробелами, например, 1010 0101b.

28. Шестнадцатеричные (hexadecimal) числа

• каждая тетрада представляется одним символом 0...9,
А, В, ..., F.
• Обозначаться такое представление может по-разному,
в данной книге используется только символ «b» после
последней шестнадцатеричной цифры, например,
A5h.
• В текстах программ это же число может обозначаться
и как 0хА5, и как 0A5h, в зависимости от синтаксиса
языка программирования.
• Незначащий ноль (0) добавляется слева от старшей
шестнадцатеричной цифры, изображаемой буквой,
чтобы различать числа и символические имена.

29. Десятичные (decimal) числа

• Десятичные (decimal) числа - каждый байт (слово,
двойное слово) представляется обычным числом, а
признак десятичного представления (букву «d»)
обычно опускают.
• Байт из предыдущих примеров имеет десятичное
значение 165.
• В отличие от двоичной и шестнадцатеричной форм
записи, по десятичной трудно в уме определить
значение каждого бита, что иногда приходится делать

30. Восьмеричные (octal) числа

• Восьмеричные (octal) числа — каждая тройка битов
(разделение начинается с младшего) записывается в
виде цифры из интервала 0-7, в конце ставится
признак «о».
• То же самое число записывается как 245о.
Восьмеричная система неудобна тем, что байт не
разделить поровну, но зато все цифры — привычные.
• В «про-интеловских» системах это представление
непопулярно (у него «DEC’OB-ское» происхождение).

31. Перевод чисел

• Чтобы перевести любое 8-битное число в десятичное,
нужно десятичный эквивалент старшей тетрады
умножить на 16 и сложить с эквивалентом младшей
тетрады.
• Для нашего примера A5h = 10 x 16 + 5 = 165.
Обратный перевод тоже несложен: десятичное число
делится на 16, целая часть даст значение старшей
тетрады, остаток — младшей.

32.

33. Перевод чисел

• В «наследство» от процессоров 8086/88 достался
своеобразный способ задания адреса ячейки памяти в
виде указателя «seg:offset», состоящего из двух слов:
сегмента (seg — segment) и смещения (offset).
• Такая запись предполагает вычисление полного
адреса по формуле addr = 16 • seg + offset.
• Такое представление 20-битного адреса двумя 16битными числами в процессорах 8086/88
поддерживается и в реальном режиме всех
последующих процессоров х86 (подробнее об
адресации памяти см. в 7.3).
• Здесь сегмент указывает адрес параграфа — 16байтной области памяти.

34. Перевод чисел

• Выравнивание адреса по границе параграфа означает,
что он кратен 16 (4 младших бита нулевые).
• Нетрудно увидеть, что один и тот же адрес можно
задавать разными сочетаниями этих двух
компонентов.
• Так, например, адрес начала области данных BIOS
(BIOS Data Area) 00400h представляют и как
0000:0400, и как 0040:0000 (шестнадцатеричное
представление подразумевается).
• Возможны и другие варианты, но их не используют.

35. Перевод чисел

• В 32-разрядном (и 64-разрядном) режиме работы
процессоров в современных ОС и приложениях
сегментация не применяется, а адрес выражается
одним (32- или 64-битным) числом.
• Обозначение и порядок битов и байтов шин адреса и
данных, принятое в аппаратуре РС, пришло от
процессоров Intel 8086/88 (и даже от 8080).
• Самый младший бит (Least Significant Bit, LSB) имеет
номер 0, самый старший (Most Significant Bit, MSB) бит
байта — 7, слова — 15, двойного слова — 31.
• На рисунках принято старший бит изображать слева, а
младший — справа.

36. Ячейки памяти, порты и регистры

• Ячейки памяти служат лишь для хранения
информации — сначала ее записывают в ячейку,
• а потом могут прочитать, а также записать иную
информацию.

37. Порты ввода-вывода

• Служат для преобразования двоичной информации в
какие-либо физические сигналы и обратно.
• Например, порт данных параллельного интерфейса
формирует электрические сигналы на разъеме, к
которому обычно подключают принтер.
• Электрические сигналы, поступающие от принтера,
порт состояния того же интерфейса отображает в виде
набора битов, который может быть считан
процессором.

38. Регистр

• широкое понятие, которое используется как синоним
порта.
• Регистры могут служить для управления устройствами
(и их контроллерами) и для чтения их состояния.
• Регистры (как и порты) могут образовывать каналы:

39. Каналы ввода-вывода данных

• Пример — регистр данных COM-порта: байты,
записываемые друг за другом в этот регистр, в том же
порядке будут передаваться по последовательному
интерфейсу, то есть поступать в канал вывода.
• Если этот интерфейс подключить к СОМ-порту другого
компьютера и выполнять программные чтения его
регистра данных, мы получим байт за байтом
переданные данные.
• Тогда регистр играет роль канала ввода.

40. Каналы ввода-вывода данных

• Каналы управления. Если запись в регистр
определенных данных (битовых комбинаций)
изменяет состояние некоего устройства (сигнал
светофора, положение какого-то механизма...), то
регистр образует канал управления.
• Каналы состояния. Пример — регистр игрового порта
(game-порт), к которому подключен джойстик.
• Чтение регистра дает информацию о состоянии
кнопок джойстика (нажаты или нет).

41. Отличия

Если в ячейку памяти записывать последовательно
информацию, то последующее считывание возвращает
результат последней записи, а все предшествующие
записи оказываются бесполезными.
Если ячейку памяти считывать раз за разом, не
выполняя запись в нее, то результат считывания
каждый раз будет одним и тем же (при исправной
памяти).
«Лишнее» чтение ячейки памяти не приведет ни к
каким побочным эффектам.
На этих свойствах «настоящей» памяти основаны
методы ускорения работы с ней: кэширование и
спекулятивное чтение.

42. Отличия

• С регистрами, образующими каналы это недопустимо.
• Все обращения приводят к каким-либо изменениям.
Кэширование и спекулятивное чтение недопустимы.
• Например, лишнее (спекулятивное) чтение регистра
данных СОМ- порта «выдернет» байт из
принимаемого потока.
• Операция чтения регистра состояния может быть
неявным подтверждением сброса какого-либо
признака (например, запроса прерывания), и она
изменяет состояние устройства.
• Записи в канал данных (и управления) также нельзя
опускать (для «ускорения»).

43. Физический адрес

• Каждый байт (ячейка памяти, порт, регистр) имеет
собственный уникальный физический адрес.
• Этот адрес устанавливается на системной шине
процессором, когда он инициирует обращение к
данным ячейке или порту.
• По этому же адресу к этой ячейке (порту, регистру)
могут обращаться и другие активные компоненты
системы — так называемые мастера шины.

44. Физический адрес

• Нынешние 32-битные процессоры имеют разрядность
физического адреса памяти 32 и даже 36 бит, что
позволяет адресовать до 4 и 64 Гбайт соответственно.
• Пространство ввода-вывода использует только
младшие 16 бит адреса, что позволяет адресовать до
65 384 однобайтных регистров.

45. Физический адрес

• К портам ввода-вывода обращаются только по
реальным адресам; возможна виртуализация
программными средствами операционной системы.
• Существенное различие пространств памяти и портов
ввода-вывода: процессор может считывать инструкции
для исполнения только из пространства памяти.
• Через порт ввода можно считать фрагмент
программного кода (что и происходит, например, при
считывании данных с диска), но для исполнения, его
необходимо записать в память.

46. Вывод

• Разделение пространств памяти и ввода-вывода было
вынужденной мерой в условиях дефицита
адресуемого пространства 16-битных процессоров и
сохранилось во всех процессорах х86.
• В процессорах ряда других семейств такого
разделения нет, и для нужд ввода-вывода
используется выделенная область единого адресного
пространства.
• Тенденция изживания пространства ввода-вывода
наблюдается в современных спецификациях
устройств и интерфейсов для РС.

47. Подсистемы памяти и хранения данных

• Память компьютера предназначена для
кратковременного и долговременного хранения
информации — кодов команд и данных.
• В памяти информация хранится в массиве ячеек.
• Минимальной адресуемой единицей является байт —
каждый байт памяти имеет свой уникальный адрес.
• Память можно рассматривать как иерархическую
систему, простирающуюся от кэш-памяти процессора
до ленточных архивов.

48. Внутренняя память

• Для процессора доступной является внутренняя память,
доступ по адресу, заданному программой.
• Для внутренней памяти характерен одномерный
(линейный) адрес, который представляет собой одно
двоичное число определенной разрядности.
• Внутренняя память подразделяется на оперативную,
информация в которой может изменяться процессором в
любой момент времени,
• и постоянную, информацию в которой процессор может
только считывать.
Обращение к ячейкам оперативной памяти может
происходить в любом порядке, причем как по чтению, так и
по записи, поэтому оперативную память называют памятью с
произвольным доступом (Random Access Memory, RAM) —
в отличие от постоянной памяти (Read Only Memory, ROM).

49. Внутренняя память

50. Внешняя память

• адресуется более сложным образом — каждая ее
ячейка имеет свой адрес внутри некоторого блока,
который, в свою очередь, имеет многомерный адрес.
• В ходе физических операций обмена данными блок
может быть считан или записан только целиком.
• В случае одиночного дискового накопителя
физический адрес блока является трехмерным — он
состоит из номера поверхности (головки), номера
цилиндра и номера сектора.
• В современных накопителях этот трехмерный адрес
часто заменяют линейным номером — логическим
адресом блока, а его преобразованием в физический
адрес занимается внутренний контроллер накопителя.

51. Подсистемы памяти и хранения данных

52. «Дисковая память»

• Название «дисковая память» широко применяется для
внешней памяти с прямым доступом;
• словосочетание «прямой доступ» подразумевает
возможность обращения к блокам (но не к его ячейкам!) с
чередованием операций чтения и записи в произвольном
порядке.
• Память с последовательным доступом накладывает
ограничения на свободу: в ней невозможны произвольное
чередование операций чтения/записи и произвольность
адресов.
• Устройства последовательного доступа обеспечивают
самое дешевое хранение больших объемов информации, к
которой не требуется оперативного доступа.

53. Параметры подсистемы памяти

• Объем хранимой информации.
• Максимальный (в принципе — неограниченный) объем
информации хранят ленточные и дисковые устройства
со сменными носителями, за ними идут дисковые
накопители, и завершает этот ряд оперативная
память.
• Время доступа — усредненная задержка начала
обмена полезной информацией относительно
появления запроса на данные. Минимальное время
доступа имеет оперативная память, за ней идет
дисковая, после нее — ленточная.

54.

Параметры подсистемы памяти
• Скорость обмена при передаче потока данных (после
задержки на время доступа). Максимальную скорость
обмена имеет оперативная память, за ней идет
дисковая, после нее — ленточная.
• Удельная стоимость хранения единицы данных —
цена накопителя (с носителями), отнесенная к
единице хранения (байту или мегабайту).
Минимальную стоимость хранения имеют ленточные
устройства со сменными носителями, их догоняют
дисковые накопители, а самая дорогая —
оперативная память.

55. Другие характеристики

• Помимо этих имеется и ряд других характеристик —
энергонезависимость (способность сохранения
информации при отключении внешнего питания),
устойчивость к внешним воздействиям, время
хранения, конструктивные особенности (размер, вес)
и т. п. .

56. Внутренняя и внешняя память

• Внутренняя (оперативная и постоянная) память является
хранилищем программного кода, который может быть
исполнен процессором.
В ней хранятся и данные, доступные процессору (а
следовательно, и исполняемой программе).
Внешняя память обычно используется для хранения
файлов, содержимое которых может быть произвольным.
Процессор (программа) имеет доступ к содержимому
файлов только опосредованно, через отображение их
(полное или частичное) на некоторую область оперативной
памяти.
Исполнить программный код или обратиться к данным на
диске процессор не может в принципе.
То же относится, естественно, и к ленточной памяти.

57. Внутренняя и внешняя память

• Главные недостатки дисковой памяти — большое время доступа и
низкая скорость обмена. Устраняются с помощью виртуального диска область оперативной памяти. Объем ограничен, и этот объем
вычитается из объема физически установленной памяти, доступной
процессору в качестве обычной оперативной.
Виртуальный диск в отличие от реального не является
энергонезависимым.
Информация на нем не переживет даже перезагрузки операционной
системы.
Виртуальный диск во многих случаях может повысить эффективность
работы компьютера при интенсивном дисковом обмене.
В операционной системе виртуальный диск реализуется загрузкой
программного драйвера, как правило, с именем RAMDRIVE.SYS (в
некоторых версиях — VDISK.SYS).
Кэширование дисков — хранение образов последних из использованных
блоков дисковой памяти в оперативной в надежде на то, что вскоре
будет следующий запрос к ним, который удастся удовлетворить из
памяти.

58. Кширование

• В Windows 9x/NT кэширование возложено на операционную
систему, в MS-DOS кэшированием дисков занимается
загружаемый драйвер SMARTDRV.EXE
• Этим процессом можно управлять с помощью строки
BUFFERS=xxx файла CONFIG.SYS.
• Если затребованный с диска блок уже находится в одном
из буферов, ОС не будет «беспокоить» диск, а
удовлетворит запрос из буфера.
• Чем больше значение ххх, тем больше блоков может
держать ОС в оперативной памяти, но область памяти для
буферов, естественно, уменьшает объем памяти,
доступной программам.

59. Основной недостаток оперативной памяти

• Конструктивно достижимый объем ее во много раз
меньше, чем дисковой (пока что это было
справедливо на всех ступенях технического
прогресса).
• Решить проблему увеличения объема оперативной
памяти за счет дисковой позволяет виртуальная
память, которую можно считать кэшированием
оперативной памяти на диске.
• Суть ее заключается в том, что программам
предоставляется виртуальное пространство
оперативной памяти, по размерам превышающее
объем физически установленной оперативной памяти.

60.

Список литературы:
1. Аппаратные средства IBMРС. Гук М.Ю.
Энциклопедия. З-е изд. — СПб.: Питер, 2006.
2. Архитектура аппаратных средств. Конспект лекций.
Барсукова Т. И.
3. Архитектура аппаратных средств. Конспект лекций.
Забавина А. А.

61.

Список ссылок:
https://i2.wp.com/laptopmedia.com/wp-content/uploads/2017/06/900269711f3c.jpg
http://cart.softline.ru/pictures/products/16/35/05/99/af/f7/e1/63/ad/origin.jpeg
https://i.ebayimg.com/00/s/Njc1WDkwMA==/z/tkwAAOSweW5VAd64/$_57.JPG?set_id=880000500F
https://d.allegroimg.com/s1440/034db7/5bf73aa54f0ebb9f118bdae5d3ed
http://900igr.net/up/datas/55384/033.jpg
https://slide-share.ru/slide/4015074.jpeg
http://www.venuscomputers.pk/wp-content/uploads/2014/10/TG-3468.jpg
https://c-s.ru/uploads/29143/154716.jpg
https://go3.imgsmail.ru/imgpreview?key=65253deb8ce2d91f&mb=storage
https://images.esellerpro.com/2131/I/199/64/lrgscaleDCP_5423.JPG
http://i.imgur.com/45Qca7A.jpg
https://b.allegroimg.com/original/019757/aad3411c46beb8e5254e2ac2c76b
http://aliexpresshlp.ru/images/aliexpresshlp/2017/09/41123-1_perehodnik_pci-e_16_90_grad-1024x685.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/PCIExpress.jpg
https://spectralogic.com/wp-content/uploads/LTO8-Drive-LFOneTape-3MB.png
https://service.pcconnection.com/images/inhouse/808F2CA3-23D0-45CF-92B6-F34813F65C85.jpg
https://magazun.com/images/companies/1/images/verbatim.jpg?1557353100931
https://cf.ppt-online.org/files/slide/q/qHzej1Bk5rTUwyX27WundacDbQ39SFKtOxoRlG/slide-0.jpg

62.

Благодарю за внимание!
Преподаватель: Солодухин Андрей Геннадьевич
Электронная почта: [email protected]