«Магистрально-модульный принцип архитектуры ЭВМ.»
план-конспект урока на тему

Дисциплина: ИТвПД

Специальность 34.02.01 «Сестринское дело»

Группы 9-2х

Лекция №2

«Магистрально-модульный принцип архитектуры ЭВМ.»

1. Архитектура ЭВМ

Архитектура ЭВМ — это общее описание структуры и функций компьютера на уровне, достаточном для понимания принципов работы и системы команд ЭВМ. Архитектура не включает в себя описание деталей технического и физического устройства компьютера.

К архитектуре относятся следующие принципы построения ЭВМ:

• структура памяти ЭВМ; 
• способы доступа к памяти и внешним устройствам; 
• возможность изменения конфигурации; 
• система команд; 
• форматы данных; 
• организация интерфейса.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ. 

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рисунке:



Положения фон Неймана: 

• Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода)
• Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти
• Управляющее устройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками)
• Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме
• Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве
• Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода
• Один из важнейших принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом. 

Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств. 

Запоминающие устройства обеспечивают хранение исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они включают: оперативные (ОЗУ), сверхоперативные СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ) запоминающие устройства. 

Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступна процессору. 

Внешние запоминающие устройства (накопители на магнитных дисках, например, жесткий диск или винчестер) с емкостью намного больше, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом, используются для длительного хранения больших объемов информации. Например, операционная система (ОС) хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть ОС загружается в ОЗУ и находится там до завершения сеанса работы ПК. 

ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и ППЗУ (перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства) предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при ее изготовлении, например, ППЗУ для BIOS. 

В качестве устройства ввода информации служит, например, клавиатура. В качестве устройства вывода – дисплей, принтер и т.д.

В построенной по схеме фон Неймана ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в устройстве управления. 

Программа – набор команд, понятных компьютеру, выполнение которых позволяет решить конкретную задачу на конечное число шагов.

Решение задачи на ЭВМ в соответствии с принципами Фон-Неймана происходит без вмешательства человека, что осуществляется программой, хранящейся в памяти ЭВМ. Решение задач выполняется о следующей схеме: в память машины с помощью устройства ввода заносится программа и исходные данные по соответствующим адресам, что соответствует принципам адресности, т.е. все пространство памяти состоит из пронумерованных ячеек, и по команде содержимое любой ячейки может быть направлено в АЛУ.

Каждая команда составляет двоичное число – машинный код, содержащий следующую информацию:

Трехадресная структура

используется в вычислительных машинах, построенных так, что после выполнения команды по адресу K (команда занимает L ячеек памяти) выполняется команда по адресу K+L. Такой порядок выборки команд называется естественным. Он нарушается только специальными командами передачи управления. При естественном порядке выборки адрес следующей команды формируется в устройстве, называемом счетчик адреса команд. В этом случае команда становится трехадресной.

Четырехадресная структура

содержит наиболее полную информацию о выполняемой операции, включает поле кода операции и четыре адреса для указания ячеек памяти двух операндов, ячейки результата операции, и ячейки, содержащей адрес следующей команды. Такой порядок выборки команд называется принудительным. Он использовался в первых моделях вычислительных машин, имеющих небольшое число команд и очень незначительный объем ОП, поскольку длина такой команды зависит от разрядности адресов операндов и результата.

С развитием компьютерной техники, изменения коснулись взаимодействия электронной части ЭВМ., а именно процессора и механических устройств ввода-вывода информации, медленная работа которых снижала быстродействие процессора. Были разработаны специальные электронные схемы управления внешними устройствами – контроллеры , которые имели собственную программу работы с внешними устройствами, что освобождает центральный процессор от управления периферийными устройствами.

Кроме того, изменилась внутренняя структура ЭВМ. Одно из достижений фирмы IBM состоит в использовании магистрального принципа построения ЭВМ.

2. Магистральность

Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через информационную магистраль (другое название — общая шина). Магистраль — это кабель, состоящий из множества проводов.

По одной группе проводов (шина данных) передается обрабатываемая информация, по другой (шина адреса) — адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Есть еще третья часть магистрали — шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др.).

Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины.

Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом, передаваемым по адресной шине (как письмо сопровождается адресом на конверте). Это может быть адрес ячейки в оперативной памяти или адрес (номер) периферийного устройства.

Магистральная структура позволяет через контроллер подключить к компьютеру различные внешние устройства в зависимости от решаемой задачи и скомпоновать конфигурацию машины, необходимую пользователю.

По мере развития ЭВМ улучшались их характеристики:

1. Скорость выполнения операций или быстродействие. Часто в качестве характеристики быстродействия используют понятие производительности – т.е. объем задач, решаемых ЭВМ в единицу времени.
2. Разрядность машины и шин интерфейса (т.е. максимальное количество разрядов, одновременно хранящихся или передающихся по шинам интерфейса. Чем больше разрядов, тем выше скорость обработки данных)
3. Емкость запоминающих устройств (определяет возможности использования различных программных пакетов и объемов обрабатываемой информации)

3. Модульность

Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Т.е. каждое устройство конструктивно оформляется в виде отдельного блока (модуля), который легко подключается к общей схеме через один или несколько разъемов.

Модульный принцип позволяет комплектовать нужную конфигурацию компьютера и производить при необходимости модернизацию компьютера. Т.е. мы без труда или каких-либо усилий можем заменить устаревшее оборудование на более новое. Этому способствуют типовые размеры устройств (все CD и DVD дисководы имеют одинаковые физические параметры), универсальные типовые информационные разъемы и разъемы питания, что обуславливает универсальность этим разъемам (к примеру USB-разъем применяется и в телефонах, планшетах, фотоаппаратах, ПК, телевизорах).

Возможно увеличение внутренней памяти, замена микропроцессора на более совершенный. Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали осуществляется через специальный блок — контроллер (другое название — адаптер). Программное управление работой устройства производится через программу —драйвер, которая является компонентой операционной системы. (Драйверы устройств — это специальные программы, которые дополняют систему ввода-вывода DOS и обеспечивают обслуживание новых или нестандартное использование имеющихся устройств. Драйверы загружаются в память компьютера при загрузке операционной системы, их имена указываются в специальном файле (config.sys). Такая схема облегчает добавление новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы DOS). Следовательно, для подключения нового периферийного устройства к компьютеру необходимо использовать соответствующий контроллер и установить в ОС подходящий драйвер.

 Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеров устройств (видеоадаптер, контроллер жестких дисков и т. д.), а на программном уровне обеспечивается загрузкой в оперативную память драйверов устройств, которые обычно входят в состав операционной системы.

4. Модульные ПК

Компания Razer продемонстрировала концепт модульного персонального компьютера под названием Project Christine.

Данный концепт не содержит кабелей и предлагает инновационный дизайн, который помогает с лёгкостью устанавливать и менять компьютерные комплектующие.

Все комплектующие заключены в специальные модули, которые в свою очередь подключаются к центральной части ПК по типу конструктора.

Все модульные части полностью герметичны, автономны и охлаждаются при помощи активной системы жидкостного охлаждения, установленных в каждом модуле.

Помимо основных комплектующих можно будет установить сенсорную панель управления.

Инновационный модульный ПК от Acer

Настольный мини-ПК Acer Revo Build M1-601, анонсированный на сентябрьской выставке IFA 2015, представляет собой с одной стороны довольно интересное и инновационное решение, а с другой — давно предсказуемый формат развития персональных компьютеров.

Действительно, основная мысль лежит на поверхности: если уж так сложилось, что компьютеры состоят из набора деталей, совместимых друг с другом, то отчего не сделать так, чтобы пользователь мог сам собрать нужную ему конфигурацию, не имея специальных знаний и не испытывая необходимости браться за отвертку? Revo Build M1-601 — это именно такое решение. Компьютер, состоящий из заменяемых блоков, с легкостью соединяющихся друг с другом. Таким образом пользователь может вначале приобрести «базовый» блок, а затем дополнить его дополнительными модулями — в зависимости от собственных потребностей и финансовых возможностей. Стыковка блоков производится с помощью пружинных контактов с магнитным совмещением и не требует никакой специальной квалификации, а сами блоки помимо всего прочего могут работать независимо от «базы» (конечно, при подключении к другому компьютеру). Такая стыковка не требует приобретения дополнительных кабелей и соединителей и напоминает скорее игру в конструктор типа Lego.

Базовый блок

Базовый блок, уже появившийся в продаже в России, представляет собой Revo Build M1-601 представляет собой корпус объемом в 1 литр (габариты основания равны 135x135 мм). Начинка такого модуля — процессор Intel Pentium с интегрированной графикой Intel HD, работающий на частоте 1.6 ГГц , 4 гигабайта оперативной памяти DDR3, а также SSD-накопитель объемом 32 гигабайта.

Дополнительные модули

Что же касается дополнительных модулей-«кирпичиков», то их ассортимент предполагается постоянно расширять. По данным Acer, среди них обязательно будут мобильные хранилища данных объемом по 2 террабайта, При этом пользователь сможет установить до 4 таких модулей, увеличив общий объем памяти до 8 террабайт. А поскольку модули являются отсоединяемыми, то каждый из них может выступать в роли переносного винчестера, подключающегося посредством USB к любому компьютеру.

Также анонсированы дополнительные графические и аудио-модули, улучшающие качество графики и звука соответственно. Обещана поддержка разрешения до 4К и модуль аудиосистемы с идеально настроенными стереодинамиками и двумя цифровыми микрофонами.

Беспроводная зарядка

Для обладателей смартфонов и прочих гаджетов с возможностью беспроводной зарядки также предусмотрен соответствующий модуль, который надлежит устанавливать на верхушку «башни», чтобы телефон, лежащий на компьютере, автоматически заряжался.