Основные термины

Архитектура ЭВМ

Структурная организация современных ЭВМ

Современные ИТ во всех сферах человеческой деятельности основаны на широком применении компьютеров (электронно-вычислительных машин, ЭВМ).

Компьютер - устройство, выполняющее заданную программой последовательность операций обработки данных.

Функционирование компьютеров основано на принципе программного управления (ППУ). Технические средства (ТС), использующие принцип программного управления обеспечивают автоматическое управление процессом решения задачи на основе заранее заданной программы.

Программа - последовательность элементарных операций (команд), предписывающих машине выполнение определенных действий по реализации алгоритма решения задачи.

Алгоритм - порядок выполнения операций над данными с целью получения искомых результатов.

Для реализации одного и того же алгоритма могут использоваться различные программы.

ППУ реализуется за счет наличия в ЭВМ устройства управления (УУ) и развитого запоминающего устройства (ЗУ). В ЗУ хранится исходная, промежуточная и результатная информация, а также программа ее обработки.

Архитектура ЭВМ - это воплощенная в аппаратуре и базовых программных средствах основа для выполнения программируемого процесса обработки данных.

Структура и основные устройства ЭВМ

Большинство современных ЭВМ базируется на принципах, предложенных Дж.фон Нейманом и имеют структуру, ставшую к настоящему времени классической (рис. 1). Структура ЭВМ - это модель, устанавливающая состав основных частей ЭВМ и способ установления связей между ними.

Рис. 2.

Любая ЭВМ имеет процессор, основную память и внешние устройства.

Процессор - основная часть ЭВМ, обеспечивающая выполнение процедур обработки данных и взаимодействие всех устройств ЭВМ. Он имеет арифметико-логическое устройство, устройство управления, собственные запоминающие устройства (регистры, кэш-память).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - обеспечивает выполнение процедур преобразования данных.

Устройство управления (УУ) - обеспечивает управление процессом обработки данных.

УУ выбирает команды программы из основной памяти, интерпретирует тип команды и запускает нужную схему АЛУ.

Запоминающие устройства процессора, обеспечивают промежуточное хранение обрабатываемых процессором данных.

Основная память ЭВМ включает оперативную и постоянную память.

Оперативная память - устройство, обеспечивающее временное хранение команд и данных в процессе выполнения программы.

Постоянная память - устройство, обеспечивающее постоянное хранение и возможность считывания критически важной для функционирования ЭВМ информации.

Процессор и основная память являются центральными устройствами ЭВМ, поскольку именно на их основе реализуется принцип программного управления. Все остальные устройства ЭВМ считаются внешними.

Внешние устройства - устройства, обеспечивающие ввод и вывод данных из основных устройств ЭВМ (устройства ввода-вывода) и долговременное хранение информации, не обрабатываемой процессором в данный момент времени (внешние запоминающие устройства).

В одной ЭВМ может использоваться от единиц до нескольких сотен внешних устройств разных типов. Состав устройств ввода-вывода, как правило, переменный и определяется составом решаемых на конкретной ЭВМ задач.

Производительность и эффективность использования ЭВМ определяются не только составом и характеристиками ее устройств, но также и способом организации их совместной работы. Связь между устройствами ЭВМ осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.

Интерфейс представляет собой совокупность стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информацией между устройствами. В основе построения интерфейсов лежат унификация и стандартизация (использование единых способов кодирования данных, форматов данных, стандартизация соединительных элементов - разъемов и т.д.). Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу информации между устройствами независимо от их особенностей.

В настоящее время для разных классов ЭВМ применяются различные принципы построения системы ввода-вывода и структуры вычислительной машины. В персональном компьютере, как правило, используется структура с шинным интерфейсом. В этом случае все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через шину, которая представляет собой систему функционально объединенных проводов, обеспечивающих передачу трех потоков данных: непосредственно информации, адресов и управляющих сигналов.

Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи непосредственно информации, называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет число битов информации, которые могут передаваться по шине одновременно. Количество проводов для передачи адресов или адресных линий определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован.На рис.3 представлена структурная схема персонального компьютера

Рис.3

Запоминающие устройства и единицы хранения информации

Запоминающие устройства ЭВМ - это совокупность устройств, обеспечивающих хранение и передачу данных. Основные операции, выполняемые запоминающими устройствами, - запись и считывание информации, которые в совокупности называются обращением к памяти.

Наиболее важные характеристики запоминающих устройств - их емкость (объем хранимой информации) и быстродействие (время доступа к информации).

ЭВМ имеет несколько типов запоминающих устройств, выполняющих различные функции, имеющих разные характеристики. Различают внутренние и внешние ЗУ.

Внутренние ЗУ (электронные устройства) непосредственно взаимодействуют с процессором, имеют высокое быстродействие и относительно небольшую емкость.

К внутренним ЗУ относятся: регистровая память (составная часть процессора); кэш-память; оперативная память (ОП), постоянная память(ПЗУ).

Регистры - внутренняя память процессора, в которой хранятся промежуточные результаты обрабатываемых процессором данных. Она имеет высокое быстродействие, сопоставимое с быстродействием процессора, и малую емкость (сотни байт). Данные загружаются в регистры из ОП, обрабатываются в них процессором, а потом опять переписываются в ОП.

Оперативная память обеспечивает возможность обращения процессора к любой ее ячейке, поэтому называется памятью с произвольным доступом (RAM - Random Access Memory). Каждая ячейка памяти имеет свой порядковый номер, являющийся ее адресом. Адресное пространство - номер максимальной ячейки памяти, доступной процессору.

К внутренним ЗУ относится кэш-память процессора. Но часто и различные внешние устройства (например, накопители на дисках) имеют свою собственную кэш-память. Она не относится к внутренним ЗУ и является специализированной памятью конкретного устройства. Кроме того, в современных операционных системах всегда используется кэширование дисков. Для этого выделяется область оперативной памяти через которую происходит обмен данными с накопителем.

В общем случае под кэш-памятью понимается быстродействующая память, предназначенная для ускорения доступа к данным, размещенным в памяти, обладающей меньшим быстродействием. Принцип ее работы состоит в том, что по мере работы устройства кэш-память заполняется данными из памяти, обладающей меньшим быстродействием, и при последующих обращениях к медленной памяти сначала проверяется наличие этих данных в кэш-памяти. Если нужные данные уже размещены в ней, то их загрузка осуществляется существенно быстрее. Если нужных данных в кэш-памяти нет, то происходит обращение к медленно действующей памяти, и считанные из нее данные загружаются в кэш-память вместо неиспользуемого в текущий момент фрагмента данных кэш-памяти. Разработаны различные механизмы, позволяющие так спланировать загрузку-выгрузку данных из кэш-памяти, чтобы обеспечить оптимизацию времени доступа к данным медленно действующей памяти.

Внешние ЗУ (электромеханические устройства - накопители на дисках (НД), накопители на магнитной ленте (НМЛ)) взаимодействуют с процессором через внутренние ЗУ, имеют большую емкость и относительно низкое быстродействие.

Хранение и обработка информации реализованы в двоичных кодах с применением двоичной системы счисления. Это связано с использованием в ЭВМ многоразрядных электронных схем памяти, каждый разряд которых - бит может принимать одно из двух различных состояний - 0 или 1. Следовательно, минимальная единица измерения информации - это бит - одна двоичная цифра. Последовательность восьми двоичных разрядов образует байт, т.е. 8 бит.

Второе значение понятия байт - минимальная адресуемая ячейка памяти. В этом смысле величина байта необязательно составляет 8 двоичных разрядов. В некоторых очень старых типах ЭВМ минимальная адресуемая ячейка памяти была больше 8 двоичных разрядов.

Единица измерения информации "слово" составляет два байта, или 16 бит. Двойное слово - четыре байта, 32 бит.

Байты памяти условно (виртуально) пронумерованы. Начальным номером является нулевой. Конечный номер определяется техническими характеристиками устройства. Порядковый номер байта памяти задает его адрес.

Указанный размер слова и двойного слова в некоторых типах ЭВМ может составлять другую величину бит.

Для облегчения работы с большими объемами памяти на практике применяют более крупные единицы, такие как

1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байта

1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кб

1 Гигабайт (Гбайт)= 1024 Мб

1 Терабайт (Тбайт)= 1024 Гб

1 Петабайт (Пбайт)= 1024 Тб

Дата добавления: 2014-11-20