Устройство компьютера
В 1945 году математик Джон Фон Нейман чётко сформулировал общие принципы функционирования цифровых вычислительных устройств.
Принципы фон Неймана
Цифровое вычислительное устройства должно работать по следующим принципам:
1. Принцип двоичного кодирования.
Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.
2. Принцип программного управления.
Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
3. Принцип однородности памяти:
— программы и данные хранятся в одной и той же памяти, то есть компьютеру всё равно, что содержится в данной ячейке памяти — число, текст или команда;
— над командами выполняются такие же операции, как и над данными;
— команды одной программы могут быть результатом исполнения команд другой программы;
4. Принцип адресации:
— структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — адреса.
— АЛУ в любой момент времени доступна любая ячейка.
Компьютеры, построенные на этих принципах, называются фон-неймановскими.
Цифровое вычислительное устройство должно содержать:
— АЛУ (арифметическо-логическое устройство), которое должно выполнять арифметические и логические операции;
— УУ (устройство управления), которое организует процесс выполнения программ;
В современных компьютерах арифметическо-логическое устройство и устройство управления объединены в центральный процессор;
— ЗУ (запоминающее устройство или память), которое хранит программы и данные;
— ВУ (внешние устройства), которые служат для ввода и вывода информации.
Компьютерная память.
Внешняя память. (Внешние запоминающие устройства — ВЗУ)
Внешняя память предназначена для долговременного и энергонезависимого хранения программ и данных (память, реализованная в виде внешних, относительно материнской платы, устройств с разными принципами хранения информации и типами носителя).
Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем, или дисководом, а хранится информация на носителях (например, DVD — дисках)
Устройства внешней памяти:
накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), английское название — HDD — Hard Disk Drive)
оптические диски — CD, DVD, Blue-Ray
Flash — память,
Твердотельные накопители (англ. — SSD solid-state drive)
Единицей хранения информации во внешней памяти является файл – последовательность байтов, записанная в устройство внешней памяти и имеющая имя. Обмен информации между оперативной памятью и внешней осуществляется файлами.
Внутренняя память
Оперативная память (ОП) предназначена для временного хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Это энергозависимая память. Физически реализуется в модулях ОЗУ (оперативных запоминающих устройствах) различного типа. При выключении электропитания вся информация в оперативной памяти исчезает.
Занесение информации в память и её извлечение, производится по адресам. Каждый байт ОП имеет свой индивидуальный адрес (порядковый номер).
Адрес – число, которое идентифицирует ячейки памяти (регистры). ОП состоит из большого количества ячеек, в каждой из которых хранится определенный объем информации. ОП непосредственно связана с процессором. Возможности ПК во многом зависят от объёма ОП.
Кеш память — очень быстрая память малого объема служит для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств различной скорости. Это энергозависимая память.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – энергонезависимая память для хранения программ управления работой и тестирования устройств ПК. Важнейшая микросхема ПЗУ – модуль BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода/вывода), в котором хранятся программы автоматического тестирования устройств после включения компьютера и загрузки ОС в оперативную память. Это неразрушимая память, которая не изменяется при выключении питания.
CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) — память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, о режимах его работы. Содержимое изменяется программой, находящейся в BIOS (Basic Input Output System).
Видеопамять — это внутренняя оперативная память, отведённая для хранения данных, которые используются для формирования изображения на экране монитора.
Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большей частью недоступен программисту.
Внутренняя память компьютера
Дискретность —
Внутренняя память состоит из частиц – битов
В одном бите памяти хранится один бит информации
Адресуемость
Байт памяти – наименьшая адресуемая часть внутренней памяти ( 1 байт = 8 бит )
Все байты пронумерованы, начиная от 0
Номер байта – адрес байта памяти
Процессор обращается к памяти по адресам
Основные характеристики ПК
Производительность (быстродействие) ПК – возможность компьютера обрабатывать большие объёмы информации. Определяется быстродействием процессора, объёмом ОП и скоростью доступа к ней (современный ПК обрабатывает информацию со скоростью в сотни миллионов операций в секунду).
Производительность (быстродействие) процессора – количество элементарных операций выполняемых за 1 секунду.
Тактовая частота процессора (частота синхронизации) — число тактов процессора в секунду, а такт – промежуток времени (микросекунды) за который выполняется элементарная операция (например сложение). Таким образом Тактовая частота — это число вырабатываемых за секунду импульсов, синхронизирующих работу узлов компьютера. Именно ТЧ определяет быстродействие компьютера. Задается ТЧ специальной микросхемой «генератор тактовой частота», который вырабатывает периодические импульсы. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Частота измеряется в герцах (1/сек). Превышение порога тактовой частоты приводит к возникновению ошибок процессора и др. устройств. Поэтому существуют фиксированные величины тактовых частот для каждого типа процессоров, например: 2,8 ; 3,0 ГГц и тд.
Разрядность процессора – максимальная длина (кол-во разрядов) двоичного кода, который может обрабатываться и передаваться процессором целиком. Разрядность связана с размером специальных ячеек памяти – регистрами. Регистр в 1 байт (8бит) называют восьмиразрядным, в 2байта – 16-разрядным и тд. Высокопроизводительные компьютеры имеют 8-байтовые регистры (64разряда)
Время доступа — Быстродействие модулей ОП, это период времени, необходимый для считывание min порции информации из ячеек памяти или записи в память. Современные модули обладают скоростью доступа свыше 10нс (1нс=10 -9 с).
Объем памяти (ёмкость) – max объем информации, который может храниться в ней. Скорость обмена информации – скорость записи/считывания на носитель, которая определяется скоростью вращения и перемещения этого носителя в устройстве
Магистрально-модульный принцип построения компьютера.
В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.
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, с помощью специальных согласующих устройств — контроллеров (контроллер клавиатуры, контроллер дисководов, видеоадаптер и т.д.), остальные устройства ввода, вывода и хранения информации. Необходимость использования контроллеров вызвана тем, что функциональные и технические параметры компонентов компьютера могут существенно различаться, например, их быстродействие. Так, процессор может проводить сотни миллионов операций в секунду, тогда как пользователь может вводить с клавиатуры, в лучшем случае 2-3 знака в секунду. Контроллер клавиатуры как раз и обеспечивает согласование скорости ввода информации со скоростью ее обработки.
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. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:N = 2 I , где I — разрядность шины адреса. Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 36 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно: N = 2 36 = 68719476736.
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.
Логическое устройство оперативной памяти
Оперативная память состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой собственный адрес. Все ячейки содержат одинаковое число бит. Соседние ячейки имеют последовательные адреса. Адреса памяти также как и данные выражаются в двоичных числах.
Обычно одна ячейка содержит 1 байт информации (8 бит, то же самое, что 8 разрядов) и является минимальной единицей информации, к которой возможно обращение. Однако многие команды работают с так называемыми словами. Слово представляет собой область памяти, состоящую из 4 или 8 байт (возможны другие варианты).
Внешне оперативная память персонального компьютера представляет собой модуль из микросхем (8 или 16 штук) на печатной плате. Модуль вставляется в специальный разъем на материнской плате.
По конструкции модули оперативной памяти для персональных компьютеров делят на SIMM (одностороннее расположение выводов) и DIMM (двустороннее расположение выводов). DIMM обладает большей скоростью передачи данных, чем SIMM. В настоящее время преимущественно выпускаются DIMM-модули.
Основными характеристиками ОЗУ являются информационная емкость и быстродействие. Емкость оперативной памяти на сегодняшний день выражается в гигабайтах.
Системы памяти в ЭВМ. Иерархия запоминающих устройств. Оперативная и долговременная внешняя память.
Системы памяти современных ЭВМ представляют собой совокупность аппаратных средств, предназначенных для хранения используемой в ЭВМ информации. К этой информации относятся обрабатываемые данные, прикладные программы, системное программное обеспечение и служебная информация различного назначения. К системе памяти можно отнести и программные средства, организующие управление ее работой в целом, а также драйверы различных видов запоминающих устройств.
Память представляет собой одну из важнейших подсистем ЭВМ, во многом определяющую их производительность. Тем не менее в течение всей истории развития вычислительных машин она традиционно считается их «узким местом».
Ключевым принципом построения памяти ЭВМ является ее иерархическая организация (принцип, сформулированный еще Джоном фон Нейманом), которая предполагает использование в системе памяти компьютера запоминающих устройств (ЗУ) с различными характеристиками. Причем с развитием технологий, появлением новых видов ЗУ и совершенствованием структурной организации ЭВМ количество уровней в иерархии памяти ЭВМ не только не уменьшается, но даже увеличивается. Например, сверхоперативные ЗУ больших ЭВМ 50-60-х годов заменяет двухуровневая кэш-память персональных ЭВМ 90-х годов.
В данной главе проводится классификация ЗУ с точки зрения особенностей их организации и использования. Затем рассматриваются типовые структуры систем памяти ЭВМ, а также основные параметры и критерии оценки запоминающих устройств и систем.
Иерархия запоминающих устройств:
Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими устройствами. Микросхемы и системы памяти постоянно совершенствуются как в области схемотехнологии, так и в области развития новых архитектур.
Важнейшие параметры ЗУ находятся в противоречии. Так, например, большая информационная ёмкость не сочетается с высоким быстродействием, а быстродействие в свою очередь не сочетается с низкой стоимостью. Поэтому в ЗУ используется мнгоступенчатая иерархическая структура.
В наиболее развитой иерархии памяти ЭВМ можно выделить следующие уровни.
Регистровые ЗУ– находятся внутри процессора. Благодаря им уменьшается число обращений к другим уровням памяти, находящимся вне процессора и требующим большего времени для операции обмена.
Кэш-память – быстродействующая память, которая может находиться внутри или вне процессора. Она предназначена для хранения копий информации, находящейся в более медленной основной памяти.
Оперативная память (RAM – Read Access Memory) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – часть основной памяти ЭВМ, предназначенной для хранения быстро изменяемой информации. В ОЗУ хранятся программы пользователей промежуточные результаты вычислений..
Постоянная память (ROM – Read Only Memory – память только для чтения) или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – это вторая часть основной памяти ЭВМ, предназначенной для хранения редко меняемой информации, например, кодов команд, тестовых программ.
Специализированные виды памяти, например, видеопамять, предназначенная хранения информации, отображаемой на экране дисплея и др.
Внешняя память– магнитные и оптические диски, FLASH-память, предназначенные для хранения больших объёмов информации.
Внешняя (долговременная) память — это место длительного хранения данных (программ, результатов расчётов, текстов и т.д.), не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера. Внешняя память, в отличие от оперативной, является энергонезависимой. Носители внешней памяти, кроме того, обеспечивают транспортировку данных в тех случаях, когда компьютеры не объединены в сети (локальные или глобальные).
Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения — носителя.
Основные виды накопителей:
накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);
накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);
накопители на магнитной ленте (НМЛ);
накопители CD-ROM, CD-RW, DVD.
Им соответствуют основные виды носителей:
гибкие магнитные диски (Floppy Disk) (диаметром 3,5’’ и ёмкостью 1,44 Мб; диаметром 5,25’’ и ёмкостью 1,2 Мб (в настоящее время устарели и практически не используются, выпуск накопителей, предназначенных для дисков диаметром 5,25’’, тоже прекращён)), диски для сменных носителей;
жёсткие магнитные диски (Hard Disk);
кассеты для стримеров и других НМЛ;
диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD.
Оперативная память
n В оперативной (внутренней) памяти компьютера хранятся данные и программы.
n Оперативная память представляет собой последовательность пронумерованных, начиная с нуля, ячеек.
n В каждой ячейке оперативной памяти может храниться двоичный код.
Определение объёма ОП
Ion = I яч * N
Ion – объём оперативной памяти
I яч – количество информации, хранящейся в каждой ячейке
N – количество ячеек
Оперативная память изготавливается в виде модулей памяти
n Они представляют собой плоские пластины с электрическими контактами, по бокам которых размещаются БИС памяти.
n Модули памяти устанавливаются в специальные разъёмы на системной плате компьютера.
При отключении компьютера вся информация из оперативной памяти стирается. Для долговременного хранения используется внешняя память. Устройство, которое обеспечивает запись и считывание информации, называется накопителем или дисководом. Хранится информация на носителях информации.
Дата добавления: 2020-01-07 ; просмотров: 146 ; Мы поможем в написании вашей работы!
© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.012)
Другие вопросы по Информатике
Сканируется цветное изображение размером 40,64×40,64 дюйм. разрешающая сканера — 1200×1200 dpi, глубина цвета — 16 бита. какой информационный объём будет иметь полученный графический файл?
1. в цехе работает 12 кондитеров. за неделю (5 рабочих дней) они должны выпустить 12000 изделий. вероятность того, что рабочий вышел на работу – 95%. за смену кондитер изготавливает от 150 до 350 изделий. выполнит ли цех план? 2. группа из 20 студентов во время сессии пять экзаменов. для каждого студента вероятность сдать тот или иной экзамен составляет 90%. определить количество успевающих и неуспевающих студентов. 3. в автоколонне 25 автобусов. автобус находится в ремонте с вероятностью 4%. за смену автобус может сделать от 8 до 10 рейсов. за рейс перевозится от 30 до 120 пассажиров. какова выручка автоколонны, если известно, что льготники, составляющие 20% пассажиров, платят по 20 тенге, а остальные – по 30 тенге?
Напишите программу в паскале: y= -x^2+3*x+9,если x> =3 и x/((x^2)-6) если x< 3 и всё это в системе(как в )
1.создать массив a из 10 целых чисел, принадлежащих промежутку [-50; 50]. вывести полученный массив на экран, подсчитать сумму положительных элементов и количество отрицательных элементов (e (+0); k(-a)) a[i]> 0 a[i] < 0 2. создать массив a из 10 целых чисел от [0; 25). вывести полученный массив на экран, подсчитать количество k a[i]>k 3. создать массив a из 10 целых чисел от [0; 20). вывести полученный массив на экран, вычислить количество элементов массива, значение которых превышает среднее арифметическое элементов этого массива.
От разведчика была получена шифрованная радиограмма, переданная использованием азбуки морзе. при передаче радиограммы было потеряно разбиение на буквы, но известно, что в радиограмме использовались только следующие буквы: т — «-» р — «. — .» и — «. » й — «. — — -» п — «. — — .» определите текст исходной радиограммы по полученной шифрованной радиограмме: . — — . — . — . . — — . — — — в ответе укажите, сколько букв было в исходной радиограмме.
Основные принципы построения ОЗУ
Методы аппаратной реализации оперативной памяти. В большинстве случаев основная оперативная память — RAM (Random Access Memory, т. e. память с произвольным доступом). ПЭВМ строится на микросхемах динамического типа (DRAM — Dynamic Random Access Memory), где в качестве запоминающего элемента (ЗЭ) используется простейшая сборка, состоящая из транзистора и конденсатора. Основными причинами широкого применения этой памяти является высокая плотность интеграции (увеличение числа ЗЭ на чип и сокращение числа чипов, необходимых для одного модуля), малое потребление энергии (тратится минимум энергии на хранение одного бита, уменьшается потребляемая системой мощность, снижается стоимость) и т. д. Но имеются и недостатки — каждый ЗЭ представляет, по сути дела, разряжающийся со временем конденсатор, поэтому, чтобы предотвратить потерю хранящейся в конденсаторах информации, микросхема RAM постоянно должна регенерироваться.
Имеется другой вид памяти, который лишен этого недостатка. Эта память называется статической (Static RAM — SRAM), где в качестве ЗЭ используется так называемый статический триггер, который может хранить данные, пока питание подается на схему. Это отличает ее от динамической оперативной памяти, которая должна регенерироваться с высокой частотой.
SRAM изготовляется по технологии, подобной микропроцессорной — фотогравирование кремния. Каждый бит SRAM требует от четырех до шести транзисторов, чем и объясняется то, почему SRAM занимает намного больше места по сравнению с DRAM, которая требует только один транзистор (плюс конденсатор).
Следовательно, если бы SRAM устанавливалась в качестве оперативной памяти, то это привело бы к увеличению быстродействия ПК, однако при этом существенно изменилась бы его стоимость, поскольку стоимость микросхемы SRAM значительно выше стоимости DRAM.
Организация ОЗУ. В адресном ОЗУ каждый элемент памяти имеет адрес, соответствующий его пространственному расположению в запоминающей среде. Поэтому, обращение к определенному элементу производится в соответствии с кодом его адреса. В ЗУ после приема кода осуществляется его дешифрация, после чего следует выборка из элемента конкретной группы битов или слов.
В ассоциативном ОЗУ поиск данных происходит по конкретному содержимому, независимо от его адреса. Такой поиск информации идет с использованием определенных признаков, например, ключевых слов, которые связаны с искомыми данными. Ассоциативные устройства, хотя и являются более сложными, обеспечивают более быстрый поиск и выбор хранимых данных.
Необходимо отметить, что все распространенные операционные системы, если для работы нужно больше памяти, чем физически присутствует в компьютере, не прекращают работу, а сбрасывают неиспользуемое в данный момент содержимое памяти в дисковый файл (называемый свопом — swap) и затем по мере необходимости «перегоняют» данные между ОЗУ и свопом. Это гораздо медленнее, чем доступ системы к самой ОЗУ. Поэтому от количества оперативной памяти напрямую зависит скорость системы.
Адресация данных. Рассмотрим адресные ЗУ. Команды, исполняемые ЭВМ при выполнении программы, равно как и числовые и символьные операнды, хранятся в памяти компьютера. Память состоит из миллионов ячеек, в каждой из которых содержится один бит информации (значения 0 или 1). Биты редко обрабатываются поодиночке, а, как правило, группами фиксированного размера. Для этого память организуется таким образом, что группы по п бит могут записываться и считываться за одну операцию. Группа п бит называется словом, а значение п — длиной слова. Схематически память компьютера можно представить в виде массива слов (рис. 3.31).
Знаковый разряд: Ь^ = 0 для положительных чисел;
/?31 = 1 для отрицательных чисел
Символ Символ Символ Символ
ASCII ASCII ASCII ASCII
Рис. 3.31. Размещение числовой (а) и символьной (б) информации в слове
Обычно длина машинного слова компьютеров составляет от 16 до 64 бит. Если длина слова равна 32 битам, в одном слове может храниться 32-разрядное число в дополнительном коде или четыре символа АБСП, занимающих 8 бит каждый. Восемь идущих подряд битов являются байтом. Для представления машинной команды требуется одно или несколько слов.
Основная память соединяется с процессором посредством адресной шины и шины данных. Каждая шина состоит из совокупности электрических цепей (линий или бит). Ширина (разрядность) адресной шины определяет, сколько адресов может быть в ОЗУ (адресное пространство), а шины данных — сколько данных может быть передано за один цикл. Например, в 1985 г. процессор Intel 386 имел 32-разрядную адресную шину, что давало возможность поддерживать адресное пространство в 4 Гбайт. В процессоре Pentium (1993 г.) ширина шины данных была увеличена до 64 бит, что позволяет передавать 8 байт информации одновременно.
Для доступа к памяти с целью записи или чтения отдельных элементов информации, будь то слова или байты, необходимы имена или адреса, определяющие их расположение в памяти. В качестве адресов традиционно используются числа из диапазона от 0 до 2 А -1 со значением к, достаточным для адресации всей памяти компьютера. Все 2 к адресов составляют адресное пространство компьютера. Следовательно, память состоит из 2 к адресуемых элементов. Например, использование 24-разрядных (как в процессоре 80286) адресов позволяет адресовать 2 24 (16 777 216) элементов памяти. Обычно это количество адресуемых элементов обозначается как 16 Мбайт (1 Мбайт = 2 20 = 1 048 576 байт, адресное пространство 8086 и 80186). Поскольку у процессоров 80386, 80486 Pentium и их аналогов 32-разрядные адреса, им соответствует адресное пространство из 2 32 байт, или 4 Гбайт элементов.
Байтовая адресация. Отдельные биты, как правило, не адресуются и чаще всего адреса назначаются байтам памяти. Именно так адресуется память большинства современных компьютеров. Память, в которой каждый байт имеет отдельный адрес, называется памятью с байтовой адресацией. Последовательные байты имеют адреса 0, 1, 2 и т. д. Таким образом, при использовании слов длиной 32 бита последовательные слова имеют адреса 1, 4, 8, . и каждое слово состоит из 4 байт.
Пр ямой и обратный порядок байтов. Существует два способа адресации байтов в словах:
- • прямой порядок (рис. 3.32, а);
- • обратный порядок (рис. 3.32, б).
Обратным порядком байтов (big-endian) называется система адресации, при которой байты адресуются слева направо, так что самый старший байт слова (расположенный с левого края) имеет наименьший адрес.
Прямым порядком байтов (little-endian) называется противоположная система адресации, при которой байты адресуются
