Структура персонального компьютера, его функцио-нальные характеристики Принцип программного управления

Этапы развития вычислительной техники

С древнейших времен человек конструирует себе в помощь раз-личные приспособления для облегчения вычислений. В истории развития ВТ можно выделить 4 основных периода: Домеханический (до середины 17 в) – В 5 веке греки и егип-тяне использовали абак - устройство, похожее на русские счеты, а китайцы – китайские счеты суан-пан. Механический (17-19 в) – В 1642 г. известный математик, фи-зик, философ Блез Паскаль изобрел и изготовил механическое уст-ройство-вычислитель, позволяющее складывать числа; в 1673 г. не-мецкий математик Лейбниц изобрел арифметическую машину, вы-полняющую все 4 действия; в 1821 г. конструктор Чарльз Томас усовершенствовал и наладил серийный выпуск устройства, изобре-тенного Лейбницем, и назвал его арифмометром (он перемножал 2 восьмизначных числа за 8 секунд); в 1823 г. английский математик Чарльз Бэббидж изобрел первую программируемую вычислитель-ную машину, содержащую все основные компоненты современных машин. Эту машину назвали аналитической машиной. Но проект опережал технические возможности своего времени и не был реали-зован. Однако первые программы для этой машины были созданы. Их составила первая женщина-программист дочь Джона Байрона герцогиня Ада Лавлейс (в ее честь назван язык АДА). Лишь в 40-х годах 20 века удалось создать такую машину на основе электроме-ханических реле. Электромеханический (19-середина 20 в) – В конце 30-х го-дов 20 века американцы Джон Атанасов и К.Берри построили ЭВМ, включавшую в себя электронную память и электронное устройство сложения и вычитания, а также ряд механических компонент. Электронный (середина 20 в – наши дни) – В 1946 г. в США была создана первая полностью электронная вычислительная ма-шина «ЭНИАК», разработанная Джоном фон Нейманом; в 1949 г. подобная машина появилась в Англии под руководством Уилкса (Кембридж) и называлась EDSAC; в 1950 г. была создана в Киеве

МЭСМ (малая электронная счетная машина), а в 1952 г. в Москве – БЭСМ (быстродействующая электронная счетная машина).

Рассмотрим техническое устройство ПК. Под архитектурой ЭВМ понимают описание устройства и принципов работы компью-тера, достаточное для пользователя и программиста. Архитектура не включает в себя конструктивные подробности устройства маши-ны, электронные схемы.

Рассмотрим схему устройства компьютера.

УСТРОЙСТВО ВВОДА

ВНУТРЕННЯЯ ПАМЯТЬ

ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ

УСТРОЙСТВО ВЫВОДА

Средства связи компьютера с внешним миром

Средства долговременного хранения информации

ПРОЦЕССОР

Средства хранения оперативной информации и ее обработки

Компьютер – это программно-управляемое автоматическое уст-ройство для выполнения любых видов работы с информацией. В состав компьютера входят: процессор, память, устройства ввода, устройства вывода. Все устройства компьютера делятся на основ-ные, внешние и периферийные. К основным устройствам относятся внутренняя память и процессор.

У компьютера имеется внутренняя и внешняя память. Внутрен-няя – оперативная память. Внешняя – долговременная память – используется для длительного хранения информации.

Работа компьютера управляется программой, которая во время своего выполнения находится во внутренней памяти.

Основной деталью персонального компьютера является микро-процессор. Это миниатюрная электронная схема, созданная путем сложной технологии, выполняющая функцию процессора ЭВМ. Под архитектурой процессора понимается его программная модель, то есть программно-видимые свойства. Программная модель процессора - это функциональная модель, используемая программистом при разработке программ в кодах ЭВМ или на языке ассемблера. В такой модели игнорируются многие аппаратные особенности в работе процессора. Под микро архитектурой понимается аппаратная реализация этой программной модели. Для одной и той же архитектуры разными фирмами и в разных поколениях применяются существенно различающиеся микро архитектурные реализации, при этом, естественно, стремятся к максимальному повышению производительности. В состав микропроцессора (МП) входят арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и группа регистров. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - часть микропроцессора, которая осуществляет арифметические и логические операции. АЛУ обеспечивает выполнение основных операций по обработке информации. Основу АЛУ составляет сумматор с последо-вательно-параллельным переносом. Сумматор - электрическая схе-ма, используемая для сложения двоичных чисел. Сложение, вычитание, умножение и деление – элементарные операции, выполняе-мые АЛУ ЭВМ. Полный набор таких операций называют систе-мой команд, а схемы их реализации составляют основу АЛУ. По-мимо арифметического устройства, АЛУ включает и логическое устройство, предназначенное для операций, при осуществлении которых отсутствует перенос из разряда в разряд: «логическое И» «и логическое ИЛИ». Устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки процессора в нужные моменты времени определенные сигналы управления, обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек па-мяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ. Устройство управления содержит регистр команд, дешифратор команд и управляющее устройство,в состав которого входит управляющая память. Управляющая па-мять содержит микропрограммы всех команд для данного МП.

Главными характеристиками персонального компьютера являет-ся тактовая частота и разрядность процессора, объем внутрен-ней памяти. Режим работы процессора задается микросхемой, кото-рая называется генератором тактовой частоты. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (в гигагерцах). Частота в 1 мегагерц соответствует миллиону тактов в секунду. Разрядностью процессора называют максимальную длину двоич-ного кода, который может обрабатываться и передаваться процес-сором целиком. Разрядность связана с размером специальных ячеек памяти, которые находятся в самом процессоре – регистрами. Основные принципы работы современных процессоров История 32-разрядных процессоров Intel началась с процессора Intel386. Он вобрал в себя все черты своих 16-разрядных предше-ственников 8086/88 и 80286 для обеспечения совместимости с громадным объемом программного обеспечения, существовавшего на момент его появления. Эти процессоры имеют встроенный блок управления памятью, который поддерживает механизмы сег-ментации и страничной трансляции адресов (Paging). Процессоры обеспечивают четырехуровневую систему защиты пространств памяти и ввода/вывода, а также переключение задач. Система ко-манд расширена при сохранении всех команд 8086, 80286. В мик-ро архитектуре процессоров пятого и шестого поколений -Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II и Pentium III - существенное значение имеет реализация различных способов конвейеризации и распараллеливания вычислительных процессов, а также других технологий, не свойственных процессорам прежних поколений. Конвейеризация (pipelining) предполагает разбивку выполнения каждой инструкции на несколько этапов, причем каждый этап выполняется на своей ступени конвейера. При выполнении инструкция продвигается по конвейеру по мере освобождения последующих ступеней. Таким образом, на конвейере одновременно может обрабатываться несколько последовательных инструкций, и про-изводительность процессора можно оценивать темпом выхода выполненных инструкций со всех его конвейеров. Конвейер «классического» процессора Pentium имеет пять ступеней. Конвейеры процессоров с суперконвейерной архитектурой (superpipelined) имеют большее число ступеней, что позволяет упростить каждую из них и сократить время пребывания в них инструкций. Продвижение данных (data forwarding) подразумевает начало исполнения инструкции до готовности всех операндов. При этом выполняются все возможные действия, и декодированная инст-рукция с одним операндом помещается в исполнительное устрой-ство, где дожидается готовности второго операнда, выходящего с другого конвейера. Предсказание переходов (branch prediction) позволяет продол-жать выборку и декодирование потока инструкций после выборки инструкции ветвления (условного перехода), не дожидаясь про-верки самого условия. Исполнение по предположению, называемое также спекулятив-ным (speculative execution), идет дальше - предсказанные после пе-рехода инструкции не только декодируются, но и по возможности исполняются до проверки условия перехода. Если предсказание сбывается, то труд оказывается ненапрасным, если не сбывается - конвейер оказывается недогруженным и простаивает несколько тактов.

Исполнение с изменением последовательности инструкций (out-of-order execution) – изменяется порядок внутренних манипуляций данными, а внешние (шинные) операции ввода/вывода и записи в память выполняются в порядке, предписанном программным кодом. Эта способность процессора в наибольшей степени может блокиро-ваться несовершенством программного кода, если он генерируется без учета возможности изменения порядка. Технология Intel MMX улучшает компрессию/декомпрессию видео, работу с изображениями, шифрование и обработку сигна-лов ввода/ вывода - т.е. все мультимедиа-операции, операции связи и сетевые взаимодействия. Основа ММХ расширения процессор-ного ядра заключается в технологии обработки множественных данных в одной инструкции (Single Instruction Multiple Data - SIMD). Технологии ММХ и SIMD требуют добавления все новых и новых инструкций, обеспечивающих оптимальное выполнение ал-горитмических задач. А при добавлении новых инструкций необхо-дима переработка компиляторов всех языков программирования для введения и поддержки соответствующих инструкций и технологий. Конкуренты Intel предлагают альтернативные решения, при кото-рых требуется минимальное число новых инструкций или вообще не требуется переработка компиляторов, а повышение производи-тельности процессоров и скорости выполнения программ и вычис-лений достигается за счет внутренней оптимизации процессорного ядра. Так, технология 3D Now (AMD) позволяет производить две операции с плавающей точкой вместо одной у Pentium, а число но-вых инструкций около 30 при относительно равной стоимости.

Персональный ПК представляет собой комплект устройств. Главным в этом комплекте является системный блок. В нем нахо-дятся мозг машины: центральный процессор и внутренняя память. Там же помещаются: блок электропитания, дисководы, контролле-ры внешних устройств. Основным в системном блоке является ма-теринская плата – связующее звено, связующий центр всех ос-тальных узлов компьютера. На ней находятся две основные микро-схемы, называемые чипсетом, определяющим тип используемого процессора, разъемы для установки центрального процессора, пла-та расширения и все контроллеры, отвечающие за ввод, вывод и связь компонентов системы. Системный блок обычно снабжен внутренним вентилятором для охлаждения. Весь системный блок помещен в металлический корпус, на поверхности которого имеют-ся: клавиша включения электропитания, щели для установки дис-кет в дисковые устройства, разъемы для подключения внешних устройств. Кроме системного блока в обязательный, минимальный комплект ПК входят клавиатура, мышь и монитор. Дополнительно к этому минимальному комплекту могут быть подключены: прин-тер, джойстик, модем, сканер.

Все устройства ПК, кроме процессора и внутренней памяти, на-зываются внешними устройствами. Каждое внешнее устройство взаимодействует с процессором ПК через специальный блок, кото-рый называется контроллером. Существует контроллер дисковода, контроллер монитора, контроллер принтера.

Задача контроллера – преобразование информации, поступаю-щей от процессора, в соответствующие сигналы, управляющие ра-ботой устройства.

Интересен принцип, по которому организована связь между про-цессором, оперативной памятью и внешними устройствами (прин-цип шинной организации). Он похож на принцип телефонной связи, и представляет собой так называемую магистраль, или шина. Так же как и абонент телефонной сети имеет свой номер, каждое из под-ключаемых устройств аналогично получает номер, выполняющий роль адреса данного устройства.

Одной из основных причин успеха IBM PC является так назы-ваемый принцип открытой архитектуры, примененный к конст-рукции этих машин. Он предусматривает возможность дополнения имеющихся аппаратных средств новыми компонентами без замены старых. Можно заменять старые компоненты старыми без замены всего ПК, можно собирать ПК по отдельным частям.

Главный принцип работы ЭВМ был предложен Джоном фон Нейманом и получил название принципа программного управления, согласно которому переработка машиной исходных данных в ко-нечный результат производится в соответствии с заранее состав-ленной и введенной в память машины программой.

Дата добавления: 2014-01-06