Архитектура ЭВМ фон Неймана

Эволюция вычислительной техники

Лекция 1

Идея компьютера была предложена английским математиком Чарльзом Бэббиджем в середине 19 века и представляла механическую аналитическую машину. Первые цифровые вычислительные машины (ЦВМ) были созданы во время 2-ой мировой войны при создании атомной бомбы. Первые ламповые (электронные) ЭЦВМ были созданы в середине 40-х годов 20 века. На первых машинах одна и та же группа людей участвовала и в проектировании и в эксплуатации и в программировании ЦВМ. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники (ВТ), а не использование ЭВМ в качестве инструмента решения задач.

Под архитектурой будем понимать состав модулей входящих в систему, назначение и функции каждого модуля и структуру связей между модулями.

В архитектуре Фон Неймана рассматриваются тодько основные модули без которых вычисление невозможно. Их всего 3:

· Сумматор (АЛУ-арифметико-логическое устройство, процессор)

· Оперативная память (ОП, ОЗУ)

· Устройство управления (УУ)

Рис 1 Основные блоки ЭВМ и их назначение

Реально работать на машине Фон Неймана нельзя. Чтобы обеспечить необходимый уровень комфорта в машину включают множество дополнительных модулей, позволяющих выполнять множество необходимых функций.

Рис 2. Структурная схема современного персонального компьютера

Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение Д., обмен Д. с внешними устройствами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций. Функции ЭВМ реализуются аппаратно-программными средствами компьютера.

Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Персональный компьютер – настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Микропроцессор – центральный блок ЭВМ. Управляет работой всех блоков машины и выполняет арифметические и логические операции.

УУ – формирует и подает во все блоки машины сигналы управления.

АЛУ - выполняет арифметические и логические операции. Иногда для ускорения операций к нему подключается математический сопроцессор.

Микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи Д, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины.

Интерфейсная система микропроцессора реализует сопряжение и связь с другими устройствами компьютера.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины.

Системная шина обеспечивает сопряжение и связь всех устройств машины между собой. Все блоки, а точнее их поры ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен Д. между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCI – кодов.

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена Д. с прочими блоками машины. ПЗУ ОП служит для хранения постоянной программной и справочной И. и работает в режиме считывания. ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания И. (программ и Д.), непосредственно участвующих в вычислительном процессе в текущее время.

Внешняя память используется для долговременного хранения любых Д. большого объема. Наиболее распространены накопители на жестких НЖМД и гибких НГМД. Имеются также накопители на оптических дисках (CD-ROM и CD-RW) и накопители на кассетной магнитной ленте (стримеры).

Таймер – внутри машинные часы, имеет автономный источник питания и используется для автоматического съема текущего времени.

Внешние устройства – важнейшие составляющие ЭВМ, во многом определябт возможности и эффективность использования ПК. По назначению делятся на:

1. Внешние ЗУ (внешняя память ПК),

2. Диалоговые средства пользователя,

3. устройства В/в,

4. средства связи и коммуникации.

Диалоговые средства это видеомонитор, пультовая пишущая машинка, устройства речевого ввода.

Устройства ввода Д.:

· клавиатура ПК,

· графические планшеты (диджитайзеры) – ручной ввод графической И., изображений путем перемещения по планшету указателя (пера),

· сканеры (читающие автоматы). Осуществляют автоматическое считывание с бумажных носителей и ввод в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей,

· манипуляторы (устройства указания): джойстик – рычаг, мышь, трекбол, - шар в оправе, световое перо и др. для ввода графической И. на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК.

К устройствам вывода И. относятся:

· принтеры,

· графопостроители (плоттеры) – для вывода графической И.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, АЦП И ЦАП и т. п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и выч-ым сетям (модемы, сетевые интерфейсные платы, “стыки”, мультиплексоры передачи Д.).

Средства мультимедиа – комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с ПК, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др. Дополнительные схемы ПК: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа в память, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства. Системный блок обычно включает в себя системную (материнскую) плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами – адаптерами внешних устройств. На материнской плате размещаются:

· микропроцессор,

· математический сопроцессор,

· генератор тактовых импульсов,

· блоки ОЗУ ПЗУ,

· адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД,

· контроллер прерываний,

· таймер и др.

Внутримашинный системный интерфейс – система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой – представляет собой совокупность электрических линий связи, схем сопряжения с компонентами ПК, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Существуют 2 варианта организации внутримашинного интерфейса.

1. Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими своими локальными проводами.

2. Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

В современных ПК в качестве системного интерфейса, как правило, используется системная шина.

Они бывают 2 типов:

· Шины расширений – шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств,

· Локальные шины, обслуживающие небольшое кол-во устройств определенного класса.

Шины расширений:

· Шина ISA (Industry Standard Architecture). 16 – разрядная шина Д. с пропускной способностью 4-5 Мбайт/сек.

· Шина EISA (Extended ESA). 32 - разрядная шина Д. с пропускной способностью до 33 Мбайт/сек, с возможностью подключения до 15 устройств.

Из локальных шин отметим шину PCI – (Intel. 1993 год). Позволяет подключать до 10 самых разных устройств с возможностью автоконфигурирования, имеет свой “арбитраж”, средства управления передачей Д. Выполняет многие функции шины расширения. Шина пока еще дорогая.

Дата добавления: 2013-12-13