2. Принципы построения и архитектура ЭВМ 2.1. Общие принципы построения современных ЭВМ
Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В его основе лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.
В соответствии с международным стандартом ISO 2382/1-84 г. программа для ЭВМ – упорядоченная последовательность команд, подлежащих выполнению. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков.
Операнды – функционалы, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.
Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения данных. Информация (командная, числовая, текстовая и графическая) кодируется двоичными цифрами «0» и «1». Таким образом, дальнейшая обработка ее заключается в преобразовании последовательности бит.
Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, представлена полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, значащие разряды чисел, старшие и младшие разряды чисел.
Каждый тип информации имеет свои форматы – структурные единицы информации, которые кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов. Последовательность, состоящая из определенного, принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет 4 байта, для персональных ЭВМ – 2 байта. В качестве элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.
В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации, с помощью которых пользователи вводят программы решаемых задач и данные к ним. Сначала введенная информация полностью или частично запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ПЗУ), где преобразуется в специальный объект – файл. Файл – это имеющий имя информационный массив (программа, данные, текст и т.п.), размещаемый во внешней памяти и рассматриваемый как неделимый объект при пересылке и обработке.
Другим важнейшим принципом современных ЭВМ является децентрализация их построения и управления. Данный принцип проявляется в применении общего подхода (стандарта) в построении структур современных ЭВМ. Основными элементами (тенденциями) такого подхода являются:
Модульность построения;
Магистральность;
Иерархия управления.
Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске).
Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. Появляется возможность наращивания вычислительной мощи, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения конфигурации системы в соответствии с требованиями потребителей. Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации оборудования, номенклатуры технических и программных средств, средств сопряжения – интерфейсов, конструктивных решений, унификации типовых элементов, элементной базы и нормативно-технической документации. Все это способствует улучшению технических и эксплуатационных характеристик ЭВМ, росту технологичности их производства.
Магистральность предполагает соединение отдельных устройств в единую машину с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упрощает структуру, делая ее более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.
Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Устройство управления главного или центрального процессора, определяет лишь последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. При этом подчиненные модули (контроллеры, адаптеры, каналы ввода-вывода) могут в свою очередь использовать специальные шины или магистрали для обмена информацией. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правильной координации всех работ.
Стандартизация и унификация способствовали появлению иерархии шин и их специализации. Из-за различий в скоростях работы отдельных устройств в составе персональных компьютеров (ПК) выделяют:
Системную шину – для взаимодействия основных устройств;
Локальную шину – ускорения обмена данными;
Периферийную шину – для подключения «медленных» периферийных устройств.
Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти ЭВМ.
Так с точки зрения пользователя, желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости и высокого быстродействия. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу. При этом верхний уровень образует сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости с быстрым временем доступа, составляющим один такт процессора (наносекунды, нс). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно используемые в обработке.
Следующий уровень образует кэш-память, или память блокнотного типа, представляющая собой буферное запоминающее устройство для хранения активных (наиболее повторяющихся) страниц объемом десятки и сотни Кбайтов. Кэш-память предназначена для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. В зависимости от ее типа L1 (Е=16-32 Кбайта), L2 (128-512 Кбайт) или L3 (2-4 Мбайт) время доступа составляет от 2 до 10 тактов.
Еще ниже уровень образует оперативное запоминающее устройство (емкость – миллионы машинных слов, время выборки – 10-20 тактов) в котором размещается основной объем программ пользователей и данным к ним.
Часть данных-констант, необходимых операционной системе для управления вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитно-оптических дисках и др.
Организация обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней позволяет рассматривать иерархию памяти как абстрактную единую кажущуюся (виртуальную память).
Децентрализация управления структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.
В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка является кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователей. Например, компьютер может производить распечатку каких-либо документов и принимать сообщения, поступающие по каналам связи.
В ЭВМ или вычислительных системах, имеющих несколько процессоров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и блоков, исключающих возможность возникновения взаимных помех и ошибок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти).
2.2. Структурная схема и основные компоненты ПК
Рассмотрим состав и назначение основных блоков персональной ЭВМ с помощью структурной схемы, приведенной на рис.1.
Микропроцессор (МП) – центральный блок ПЭВМ, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.
В состав микропроцессора входят:
Устройство управления (УУ), которое формирует и подает во все блоки машины сигналы управления (управляющие импульсы); формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ;
Рис. 1. Структурная схема персональной ЭВМ
Арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. В некоторых моделях ПЭВМ для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор;
Микропроцессорная память (МПП), которая служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины;
Интерфейсная система микропроцессора, которая обеспечивает сопряжение и связь с другими устройствами ПЭВМ; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (Input/Output port) – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство.
Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту машины. Интервал времени между соседними импульсами равен одному такту работы машины. Частота тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в нем выполняется за конечное число тактов.
Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех устройств между собой. Системная шина включает в себя:
Кодовую шину данных, содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
Кодовую шину адреса, включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
Кодовую шину управления, содержащую провода и схемы сопряжения для передачи управляющих сигналов (импульсов) во все блоки машины;
Шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПЭВМ к системе энергопитания.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
Между микропроцессором и основной памятью;
Между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
Между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств
(в режиме прямого доступа к памяти).
Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующей основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.
Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменять информацию в ПЗУ нельзя).
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных) в текущий период времени. Главным достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность прямого адресного доступа к ней. Недостатком ОЗУ является невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины.
Внешняя память персонального компьютера используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться когда-либо для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Наиболее распространенными устройствами внешней памяти служат накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM – compact Disk Read Memory – компакт-диск с памятью, только читаемой) и др.
Источник питания служит для автономного и сетевого энергопитания персональной ЭВМ.
Внешние устройства (ВУ). ВУ персональной ЭВМ обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:
Внешние запоминающие устройства;
Диалоговые средства пользователя;
Устройства ввода информации;
Устройства вывода информации;
Средства связи и телекоммуникации.
Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи) и устройства речевого ввода-вывода информации.
Видеомонитор (дисплей) – устройство для отображения вводимой и выводимой из персонального компьютера информации.
Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстро развивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода – это различные микрофонные акустические системы. Устройства речевого вывода – это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через динамики или звуковые колонки, подключенные к компьютеру.
К устройствам ввода информации относятся:
Клавиатура – устройство для ввода числовой, текстовой, и управляющей информации в ПК;
Графические планшеты (диджитайзеры) – для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального пера; при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;
Сканеры (читающие автоматы) – для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;
Манипуляторы (устройства указания): джойстик – рычаг, мышь, трекбол – шар в оправе, световое перо и др. – для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;
Сенсорные экраны – для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.
К устройствам вывода информации относятся:
Принтеры – печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;
Графопостроители (плоттеры) – для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.
Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласующие устройства, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, “стыки”, мультиплексоры, модемы).
|
