Архитектура эвм основные характеристики компьютеров

На разных этапах развития техники и технологии компьютеры назывались по-разному: арифметическо-логическое устройство. (АЛУ), программируемое электронно-вычислительное устройство (ПЭВМ или ЭВМ), вычислительная машина, компьютер.

Основные принципы построения логической схемы и структура вычислительной машины, изложенные выдающимся математиком Джоном фон Нейманом, реализованы в первых двух (трех) поколениях ЭВМ.

машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;
программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;
программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;
трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);
арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;
в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).

Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых двух поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.

Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности).
Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).
Принцип адресности (основная память структурно состоит из нумерованных ячеек).

арифметическо-логическое устройство (АЛУ) , выполняющее арифметические и логические операции;
управляющее устройство (УУ) , организующее процесс выполнения программ;
внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) , или память, для хранения программ и данных;
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) ;
устройства ввода и вывода информации (УВВ) .

Появление ЭВМ третьего поколения было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. В них не только были значительно уменьшены размеры базовых функциональных узлов, но и появилась возможность существенно повысить быстродействие процессора. При этом возникло противоречие между высокой скоростью обмена информацией внутри ЭВМ и медленной работой устройств ввода/вывода. Решение проблемы было найдено путем освобождения центрального процессора от функций обмена и передачей их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода/вывода, периферийные процессоры. В последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства», или «контроллер».

Контроллер можно представить как специализированный процессор, управляющий работой какого-либо внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Например, контроллер дисковода (накопителя на магнитных дисках) обеспечивает позиционирование головки, чтение или запись информации. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором. CPU, в свою очередь, выдает задание на выполнение контроллеру. Дальнейший обмен информацией может происходить под руководством контроллера, без участия CPU. Наличие таких интеллектуальных контроллеров — внешних устройств стало важной отличительной чертой ЭВМ третьего и четвертого поколений.

Шинная архитектура ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры (К), представлена на рисунке ниже.

Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая магистраль — шина, состоящая из трех частей: шины данных, шины адреса и шины управления.

Следует отметить, что в некоторых моделях компьютеров шины данных и адреса объединены: на шину сначала выставляется ад¬рес, а потом данные. Сигналы по шине управления определяют, для какой цели используется шина в каждый конкретный момент.

Такая открытость архитектуры ЭВМ позволяет пользователю свободно выбирать состав внешних устройств, т.е. конфигурировать компьютер.

Классическая архитектура ПК Неймана

В 1944 г. во время работы над первой ламповой вычислительной машиной американский ученый Джон фон Нейман выдвинул идеи о строении ЭВМ. Описание этих принципов математик изложил в работе «Предварительный доклад о машине EDVAC». Основы учения фон Неймана актуальны по сей день.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Принципы логического устройства электронно-вычислительной машины:

Арифметические и логические операции технически проще осуществлять в двоичной системе.
Хранение программы непосредственно в памяти компьютера позволило ПК создавать для себя алгоритмы работы по произведенным вычислениям. Этот принцип избавил от необходимости при каждом изменении программы забивать ее на специальной панели.

По предложению Неймана к основным блокам ЭВМ относятся устройство управления, арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативная и внешняя память, устройство ввода-вывода. В вычислительной технике нынешнего поколения устройство управления и АЛУ находятся в едином блоке, который называется процессор. Процессор адаптирует данные из оперативной памяти и внешних запоминающих устройств.

Данные и программы хранятся в основном запоминающем устройстве. В современных многоярусных компьютерах за хранение текущих программ отвечает оперативная память. При необходимости используется внешняя память, которую рационально применять при больших объемах информации. Внешнее запоминающее устройство работает медленнее оперативного. Существуют другие разновидности запоминающих элементов, среди них сверхоперативная память, постоянное запоминающее устройство и др.

В компьютерах с фон-неймановской архитектурой операции выполняются последовательно. Каждая следующая команда определяется счетчиком команд устройства управления.

Скачать:

Вложение	Размер
Архитектура ЭВМ	2.28 МБ

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Понятие об архитектуре и структуре ЭВМ

Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д.

Архитектура компьютера, характеризующая его логическую организацию, может быть представлена как множество взаимосвязанных компонент , включающих элементы различной природы: программное обеспечение ( software ), аппаратное обеспечение ( hardware ), алгоритмическое обеспечение ( brainware ), специальное фирменное обеспечение ( firmware ) – и поддерживающих его слаженное функционирование в форме единого архитектурного ансамбля, позволяющего вести эффективную обработку различных объектов и данных.

Архитектура вычислительной системы определяет основные функциональные возможности системы, сферу применения (научно-техническая, экономическая, управление, и т.д.), режим работы (пакетный, мультипрограммный, диалоговый и т.д.), характеризует параметры ВС (быстродействие, набор и объем памяти, набор периферийных устройств и т.д.), особенности структуры (одно-, многопроцессорная) и т.д.

Понятие «архитектура» можно представить следующей схемой:

Алгоритмы выполнения операций

Базовая структура системы

Организация взаимодействия с внешними устройствами

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Основные блоки ЭВМ.

Идея создания вычислительной машины, работающей без вмешательства человека, принадлежит Ч. Бэббиджу. Его аналитическая машина должна была содержать:

u Устройство, в котором производятся все операции по обработке всех видов информации; по современной терминологии оно называется арифметико-логическим устройством (АЛУ).

u Устройство, обеспечивающее организацию выполнения программы обработки информации и согласованное взаимодействие всех узлов машины в ходе этого процесса – устройство управления (УУ); АЛУ и УУ являются составными частями микропроцессора.

u Устройство, предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также самой программы обработки информации; это устройство называют запоминающим устройством (ЗУ) или памятью . Существуют различные виды памяти, в том числе оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и внешняя память на магнитных или оптических дисках.

u Разнообразные устройства, способные преобразовывать информацию в форму, доступную компьютеру – устройства ввода .

u Устройства, преобразующие результаты компьютерной обработки информации в доступную человеку форму – устройства вывода .

Указанные блоки входят в состав и современных компьютеров.

Классическая структура ЭВМ. Принципы фон Неймана.

Классические принципы построения ЭВМ были изложены в 1945 г. группой американских ученых, среди которых был очень известный математик и физик Джон фон Нейман. Впоследствии всем базовым принципам построения вычислительной техники стали приписывать его авторство, а архитектура с последовательным выполнением команд получила название «фон-неймановской».

Кратко сформулируем классические принципы устройства ЭВМ.

Использование двоичной системы счисления для представления чисел. В докладе Неймана были продемонстрированы преимущества двоичной системы для технической реализации узлов компьютера, удобство и простота выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать текстовую, графическую, звуковую и другие виды информации, но по-прежнему двоичное кодирование данных составляет информационную основу любого современного компьютера.

Принцип программного управления . Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд . Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой команде, используются команды условного или безусловного переходов , которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Принцип однородности памяти. Программа также должна храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ей числа. С точки зрения хранения и способов обработки принципиальная разница между программой и данными отсутствует.

Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Адресом ячейки фактически является её номер; таким образом, местонахождение информации в ОЗУ также кодируется в виде чисел.

Фон Нейман с соавторами предложил структуру ЭВМ, которая полностью воспроизводилась в машинах первого и второго поколений.

Рис. 2.1 Структура ЭВМ первого и второго поколений

Тонкими стрелками показаны направления движения информации, а толстыми – управляющие воздействия УУ центрального процессора.

Центральное положение процессора в схеме (рис. 2.1) является наиболее существенной особенностью устройства машин «фон-неймановской» архитектуры.

Структура современных ЭВМ.

Появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к микросхемам. Резко увеличилось быстродействие процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода/вывода. Если бы процессор руководил работой внешних устройств по классической схеме, то значительную часть он был бы вынужден простаивать в ожидании информации, что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена информацией и передаче этих функций специализированным электронным схемам. Эти схемы назывались процессорами ввода-вывода или периферийными процессорами. В настоящее время используется термин контроллер внешнего устройства .

Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой вверенного ему внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.д. Сведения об успешности выполнения такой операции заносятся во внутренние регистры контроллера и могут быть прочитаны центральным процессором.

В компьютерах четвертого поколения (рис. 2.2.) для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ стали использовать принципиально новое устройство – системную шину (общую шину, магистраль).

Системная шина состоит из трех частей:

1. шина данных, по которой передается информация;

2. шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

3. шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем.

Для согласования с шиной многочисленных внешних устройств используются контроллеры (К).

Компьютеры, имеющие описанную структуру, легко пополнять новыми устройствами – это свойство называют открытостью архитектуры .

Для пользователя открытая архитектура означает возможность выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

Рис. 2.2 Структура ЭВМ четвертого поколения

Центральный процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.

На приведенной на рис. 2.2 схеме в составе процессора выделены четыре устройства: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), регистры общего назначения (РОН) и кэш-память.

АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными.

Промежуточные результаты сохраняются в РОН. Регистровая память наиболее быстрая из всех видов памяти. Она представляет собой несколько регистров общего назначения, которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций.

Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора, путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие, используется для хранения полученных данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память и обратно.

УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т.е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

Программа – это набор команд, под действием которых работает ЭВМ. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции. Таким образом, программы состоят из команд, а при выполнении команд процессор разбивает команды на элементарные операции . Элементарными операциями для процессора являются арифметические и логические действия, перемещение данных между регистрами процессора, счет и т.д. Каждая команда выполняется в компьютере за один или несколько тактов .

Такт работы процессора – промежуток времени между соседними импульсами генератора тактовых импульсов , частота которых есть тактовая частота процессора . Эта частота является одной из основных характеристик компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в ЭВМ выполняется за определенное число тактов. Выполнение короткой команды (арифметика с фиксированной точкой, логические операции) обычно занимает пять тактов:

1. выборка команды ;

2. расшифровка кода операции (декодирование) ;

3. генерация адреса и выборка данных из памяти;

4. выполнение операции ;

5. запись результата в память.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. ОЗУ используется для хранения программ, а также конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора. ОЗУ – это энергозависимая память, при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют тестово-мониторные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ) и др. ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется и при выключении электропитания.

ВидеоОЗУ – оперативное запоминающее устройство, предназначенное для хранения информации, отображаемой на мониторе. Содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Объем видеопамяти зависит от характера информации (текст или графика) и от количества цветов изображения.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ, внешняя память) предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры), накопители на жестких дисках (НЖД, винчестеры), накопители на гибких дисках (НГМД), накопители на оптических дисках ( CD , DVD ), накопители с использованием перепрограммируемых запоминающих устройств ( FLASH -память).

К устройствам ввода информации относятся: клавиатура, ручные манипуляторы мышь, трекбол, джойстик, трекпойнт, трекпад, сканер, сенсорные экраны, световое перо, информационные перчатки, шлем, джойстринг, диджитайзер, цифровая видеокамера, микрофон и др.

К устройствам вывода информации относятся: дисплей (монитор), принтер, плоттер, акустическая система (колонки) и др.

В составе современного компьютера с магистральной структурой имеется не одна, а несколько шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая – для связи с «быстрыми», а третья – с «медленными» внешними устройствами.

Существуют и другие структуры, в частности многопроцессорные, позволяющие вести параллельную обработку данных с помощью нескольких процессоров.

Архитектура ЭВМ. — понятие и виды. Классификация и особенности категории «Архитектура ЭВМ.» 2017, 2018.

Поколения цифровых ЭВМ Классификация ЭВМ по принципу действия Электронная вычислительная машина, компьютер – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки данных в процессе решения вычислительных и информационных задач. По. [читать подробнее].

Классификация ЭВМ. Архитектура фон Неймана. Гарвардская архитектура. Архитектура ЭВМ. Основные этапы вычислительной техники. Классификация ЭВМ. Лекция №1 Компьютер– это устройство или средство, предназначенное для. [читать подробнее].

Ядро компьютера составляют центральный процессор и память. Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. В свою очередь процессор включает арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство. [читать подробнее].

Тема №2. Устройство компьютера Представление информации в компьютере В двоичной системе счисления, широко используемой при компьютерной обработке информации, единица измерения данных — 1 бит (binary digit — двоичный разряд) — величина, принимающая одно. [читать подробнее].

П.2 Поколения ЭВМ. С середины 50-х годов начался бурный рост вычислительной техники. Каждый этап развития ЭВМ определялся тем материалом, из которого они изготовлялись, т.е. элементной базой. Поэтому принято говорить о поколениях ЭВМ. Можно выделить 4 поколения ЭВМ: 1). [читать подробнее].

Лекция №15 1. ОБЩАЯ АРХИТЕКТУРА ЭВМ. 1 1.1 ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО.. 2 1.2 УСТРОЙСТВА ВВОДА- ВЫВОДА.. 4 1.3 ШИНЫ. 5 1.4 ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР. 6 1.5 РЕГИСТРЫ. 7 1.6 АРИФМЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО.. 8 На рис.1.1 представлен традиционный состав ЭВМ. Такая структура функциональных. [читать подробнее].

Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ — совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. Основы. [читать подробнее].

В основе организации вычислительного процесса на ЭВМ лежит принцип программного управления. Программа – это указание на последовательность действий (команд), которую должен выполнить компьютер, чтобы решить поставленную задачу обработки информации. Программный. [читать подробнее].