Лекционный материал по теме «Архитектура компьютера»

Лекция 35 «Архитектура компьютера»

1.    Архитектура компьютера

2.    Магистрально-модульный принцип построения компьютера

1.

Архитектура компьютера – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, описание устройств, способов взаимодействия устройств друг с другом (без технических подробностей, т.е. только те сведения, которые могут использоваться в пользовательской работе).

Классическая архитектура компьютера. Принцип фон Неймана.

Несмотря на разнообразие существующих в настоящее время ЭВМ, в основу их построения и работы заложены общие функциональные принципы, которые впервые были сформулированы американским математиком Джоном фон Нейманом и представлены им в 1945 году. Данные принципы и определяют классическую архитектуру компьютера.

1. Принцип общего устройства.

В структура ЭВМ должны входить следующие элементы:

- арифметико-логического устройства (АЛУ);

- устройства управления (УУ);

- память, запоминающее устройство (ЗУ);

- устройства ввода-вывода (УВВ).

Процессор – электронная схема, выполняющая все вычисления, обработку информации и управляет всеми устройства компьютера (АЛУ – арифметико-логическое устройство, УУ – устройство управления). ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) – хранит ту информацию, с которой компьютер работает в данный момент времени. ВЗУ (внешнее запоминающее устройство) – более емкое чем ОЗУ, но гораздо медленнее .

2. Принцип произвольного доступа к основной памяти.

Память - это совокупность ячеек с адресами, где хранится информация, закодированная двоичными числами. И каждому устройству в любой момент доступна любая ячейка основной памяти.

3. Принцип хранимой программы.

Каждая команда кодируется в двоичном коде в виде последовательности 0 и 1, и может быть помещена в память компьютера.

4. Принцип программного управления. ЭВМ может выполнять последовательность команд, находящуюся в памяти машины, без участия человека, т.е. автоматически.

2.

Последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки данных, называется программой.

Обработка данных на компьютере:

1. Пользователь запускает программу, хранящуюся в долговременной памяти, она загружается в оперативную и начинает выполняться.

2. Выполнение: процессор считывает команды и выполняет их. Необходимые данные загружаются в оперативную память из долговременной памяти или вводятся с помощью устройств ввода.

3. Выходные (полученные) данные записываются процессором в оперативную или долговременную память, а также предоставляются пользователю с помощью устройств вывода информации.

Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами должна быть предусмотрена какая-то магистраль для перемещения потоков информации.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии.

К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию — считывание или запись информации из памяти — нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Каждая отдельная функция компьютера реализуется одним или несколькими модулями – конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Организация структуры компьютера на модульной основе аналогична строительству блочного дома. Основными модулями компьютера являются память и процессор.

Магистрально-модульный принцип имеет ряд достоинств:

1. для работы с внешними устройствами используются те же команды процессора, что и для работы с памятью.

2. подключение к магистрали дополнительных устройств не требует изменений в уже существующих устройствах, процессоре, памяти.

3. меняя состав модулей можно изменять мощность и назначение компьютера в процессе его эксплуатации.