Учебно-методический комплекс

Введение

Создание персонального компьютера можно отнести к одному из самых значительных изобретений 20 века. ПК существенно изменил роль и значение вычислительной техники в жизни человека. Современные ЭВМ бывают самыми разными: от больших, занимающих целый зал, до маленьких, помещающихся на столе, в портфеле и даже в кармане. Сегодня самым массовым видом ЭВМ являются персональные компьютеры.

Вот далеко не полный список использования компьютера: подготовка текстовых документов, графических изображений, электронная почта, обучение, подготовка к изданию рекламных листков, журналов, газет и книг, организация бухгалтерского учета и учета материальных ценностей, подготовка рекламных роликов и демонстрационных программ, математические расчеты, создание и исполнение музыкальных произведений, игры и развлечения.

Но для нормальной работы необходимо чётко и ясно представлять, из чего компьютер состоит.

Учебно-методический комплекс

Базовые представления об архитектуре ЭВМ. Принципы фон Неймана. Простейшие типы архитектур. Принцип открытой архитектуры. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ. Классификация параллельных компьютеров. Классификация архитектур вычислительных систем: классическая архитектура, классификация Флина.

Архитектурой компьютера считается его представление на неко­тором общем уровне, включающее описание пользовательских воз­можностей программирования, системы команд, системы адреса­ции, организации памяти и т. д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных устройств компьютера: процессора, основной памяти (ОП), внешних запоминающих устройств (ВЗУ) и периферийных устройств (ПУ). Совокупность процессора и основной памяти называют центральным устройством (ЦУ) компьютера. 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 устройств компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представля­ется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать опи­сание компьютера на любом уровне детализации.

В настоящее время в зависимости от организации ЦУ различают два вида архитектур ЭВМ:

1 Архитектура фон Неймана.

2 Гарвардская архитектура.

Принципы (архитектура) фон Неймана

В основу построения большинства компьютеров положены сле­дующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американ­ским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления. Из него следует, что про­грамма состоит из набора команд, которые выполняются процессо­ром автоматически друг за другом в определенной последователь­ности.

Выборка команд программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот узел 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 из после­довательно расположенных ячеек памяти.

Если после выполнения команды следует перейти не к следую­щей, а к какой-то другой, используются команды условного или без­условного переходов (ветвления), которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд программы из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данны­ми. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработ­ке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей. Более того, команды одной программы мо­гут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции —перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3.Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент вре­мени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значени­ям можно было впоследствии обращаться в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Отличается от архитектуры фон Неймана разбивкой основной памяти на две части: памяти программ и памяти данных. Используется в микроконтроллерах.

Структурные схемы современных ЭВМ

Если абстрагироваться от подробностей, то современные ЭВМ можно разделить на два типа:

1. Большие (универсальные) ЭВМ.

2 .Персональные компьютеры.

Собственно обработка данных производится процессором, содержащим арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). В этих ЭВМ возникает проблема организации взаимодействия быстродействующего процессора с большим числом сравнительно медленно действующих периферийных устройств. Данная проблема решается при помощи специализированных процессоров ввода-вывода (каналов ввода-вывода), которые подразделяются на два вида:

1. Мультиплексные каналы.

2. Селекторные каналы.

Мультиплексный канал обслуживает несколько одновременно работающих с небольшой скоростью ПУ (печать, сканер и т.д.)

Селекторный канал связывает процессор и память с ПУ, работающими с высокой скоростью передачи данных (магнитные диски, магнитные барабаны и т.д.), разрешая одновременную работу только одному ПУ.

В этих компьютерах процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимо­действуют между собой и с внешними устройствами (ВнУ) через внутрен­ний канал, называемой также системной магистралью, общий для всех устройств.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адре­са, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства подключаются к ап­паратуре компьютера через специальные контроллеры, которые осво­бождают процессор от непосредственного управления функциониро­ванием данного оборудования.

Принципы фон Неймана

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Как взаимодействуют между собой устройства, представляющие основные логические компоненты ЭВМ, определяется типом архитектуры. Основные классические типы архитектур:

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер.

К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Архитектура типа «звезда» предполагает, что ЦП соединяется непосредственно с внешними устройствами и управляет их работой. Каждое устройство может связываться с любым другим. Этот способ применялся в двух первых поколениях машин, но с возрастанием числа устройств машины такую организацию становится очень сложно реализовать

В настоящее время используется иерархическая архитектура: ЦП соединен с периферийными процессорами, управляющими другими периферийными процессорами или внешними устройствами.

Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной системы. Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе.

Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина — это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.

Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули, — шине данных, шине адресов и шине управления.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает — это функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.

Разрядность шины данных задается разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.

Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ — код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т. е. эта шина является однонаправленной.

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса. Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют контроллеры.

Чтобы дать более полное представление о многопроцессорных вычислительных системах, помимо высокой производительности необходимо назвать и другие отличительные особенности. Прежде всего, это необычные архитектурные решения, направленные на повышение производительности (работа с векторными операциями, организация быстрого обмена сообщениями между процессорами или организация глобальной памяти в многопроцессорных системах и др.).

Понятие архитектуры высокопроизводительной системы является достаточно широким, поскольку под архитектурой можно понимать и способ параллельной обработки данных, используемый в системе, и организацию памяти, и топологию связи между процессорами, и способ исполнения системой арифметических операций. Попытки систематизировать все множество архитектур впервые были предприняты в конце 60-х годов и продолжаются по сей день.

В 1966 г. М.Флинном (Flynn) был предложен чрезвычайно удобный подход к классификации архитектур вычислительных систем. В его основу было положено понятие потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. Соответствующая система классификации основана на рассмотрении числа потоков инструкций и потоков данных и описывает четыре архитектурных класса:

SISD = Single Instruction Single Data

MISD = Multiple Instruction Single Data

SIMD = Single Instruction Multiple Data

MIMD = Multiple Instruction Multiple Data

SISD (single instruction stream / single data stream) – одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся последовательные компьютерные системы, которые имеют один центральный процессор, способный обрабатывать только один поток последовательно исполняемых инструкций. В настоящее время практически все высокопроизводительные системы имеют более одного центрального процессора, однако каждый из них выполняет несвязанные потоки инструкций, что делает такие системы комплексами SISD-систем, действующих на разных пространствах данных. Для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка. В случае векторных систем векторный поток данных следует рассматривать как поток из одиночных неделимых векторов.

MISD (multiple instruction stream / single data stream) – множественный поток команд и одиночный поток данных. Теоретически в этом типе машин множество инструкций должно выполняться над единственным потоком данных. До сих пор ни одной реальной машины, попадающей в данный класс, создано не было.

SIMD (single instruction stream / multiple data stream) – одиночный поток команд и множественный поток данных. Эти системы обычно имеют большое количество процессоров, от 1024 до 16384, которые могут выполнять одну и ту же инструкцию относительно разных данных в жесткой конфигурации. Единственная инструкция параллельно выполняется над многими элементами данных.

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) – множественный поток команд и множественный поток данных. Эти машины параллельно выполняют несколько потоков инструкций над различными потоками данных. В отличие от упомянутых выше многопроцессорных SISD-машин, команды и данные связаны, потому что они представляют различные части одной и той же задачи. Например, MIMD-системы могут параллельно выполнять множество подзадач с целью сокращения времени выполнения основной задачи. Большое разнообразие попадающих в данный класс систем делает классификацию Флинна не полностью адекватной. Действительно, и четырехпроцессорный SX-5 компании NEC, и тысячепроцессорный Cray T3E попадают в этот класс.

Внутренние устройства компьютера

Материнская плата — основа любого компьютера. В народе её ещё называют материнкой, мамкой, мать. Материнка это как фундамент дома, на котором уже строится все остальное. Также и в системном блоке. Материнская плата представляет собой печатную плату, на которой содержатся слоты, разъемы. В эти разъемы устанавливаются различные компоненты компьютера (внутренние и периферийные).

Процессор — это сердце компьютера. Его еще называют ЦП (центральный процессор), CPU, проц. От его мощности зависит быстродействие компьютера. Чем мощнее проц, тем больше возможностей у компьютера. Процессор крепится в специальный разъем на материнской плате. Его еще называют socket. Есть несколько видов разъемов для ЦП. С каждым годом их становится все больше и они совершенствуются. Нельзя установить процессор в материнскую плату если их socket не подходит друг к другу. Например в материнскую плату с сокетом LGA 1150 можно установить только процессоры от Intel. Для AMD необходима материнка например с сокетом AM3+.

Видеокарта. Её также еще называют графический адаптер, видеоадаптер, графический процессор, GPU. Это одно из основных внутренних устройств ПК, которое определяет скорость обработки графической и видеоинформации. В некоторых материнках бывает свой встроенный видеоадаптер. Он маломощен и поэтому его хватает лишь на просмотр картинок, просмотр интернет страниц и для простых игр. Для того, чтобы играть в более мощные игры с тяжелой графикой лучше всего воспользоваться отдельной, мощной видеокартой.

Оперативная память (ОЗУ, оперативка). ОЗУ — оперативное запоминающее устройство. Из названия уже ясно, что данное устройство предназначено для временного хранения информации. Эта информация передается в ЦП для обработки. Информация в оперативной памяти хранится до тех пор, пока запущена программа. Если программа закрывается, то данные тоже удаляются. Скорость передачи информации из оперативной памяти процессору и обратно в разы быстрее, чем та же самая работа с жестким диском. Чем больше объем памяти ОЗУ тем лучше.

Блок питания. Он обеспечивает все узлы компьютера электро-питанием. Каждое устройство компьютера имеет свое потребление электроэнергии. Важно, чтобы блок питания обладал достаточной мощностью для обеспечения питания в необходимом количестве.

Жесткий диск (HDD, SSD). Основное устройство для хранения информации на компьютере. Его еще называют винчестер. Чем больше объем жесткого диска, тем больше данных можно на нем хранить. Жесткий диск через специальный разъем (SATA) подключается к материнке.

Оптический привод. Он предназначен для чтения и записи информации с CD/DVD дисков. Не любой оптический привод умеет записывать информацию на диск. Правда в настоящее время практически все поддерживают данную возможность. Привод устанавливается в системный блок, где его передняя часть выводится наружу, для того, чтобы была возможность загружать в привод диски.

Система охлаждения. Как правило у видеокарты охлаждение бывает отдельное, но в современных мощных компьютерах есть и общая система охлаждения. Она обычно состоит из кулеров (вентиляторы), но в мощных системах используются радиаторы с охлаждающей жидкостью.

Урок 6. Основополагающие принципы устройства компьютеров

Во второй половине XX века два крупнейших ученых независимо друг от друга сформулировали основные принципы построения компьютера.

К основополагающим принципам Неймана-Лебедева можно отнести следующие:

1. Состав основных компонентов вычислительной машины.

2. Принцип двоичного кодирования.

3. Принцип однородности памяти.

4. Принцип адресности памяти.

5. Принцип иерархической организации памяти.

6. Принцип программного управления.

Рассмотрим подробно каждый из принципов Неймана-Лебедева. Любое устройство, предназначенное для автоматических вычислений, должно содержать определённый состав основных компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.

Перечисленные в функциональной схеме блоки есть и у современных компьютеров. К ним относятся:

1. Арифметико-логическое устройство — АЛУ, в котором происходит обработка данных.
2. Устройство управления (УУ) отвечает за выполнение программы и согласование взаимодействий всех узлов компьютера. В современных компьютерах АЛУ и УУ изготавливаются в виде единой интегральной схемы — микропроцессора.
3. Память — устройство, где хранятся программы и данные. Различают внутреннюю и внешнюю память. Основная часть внутренней памяти предназначена для оперативного хранения программ и данных, её принято называть оперативным запоминающим устройством — ОЗУ. К внутренней памяти относится и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, англ. ROM — Read Only Memory для диктора рид онли мемори), в нём содержится программа начальной загрузки компьютера. Основное отличие ПЗУ от ОЗУ заключается в том, что при решении задач пользователя содержимое ПЗУ не может быть изменено. Внешняя память, называемая ещё долговременной, используется для длительного хранения программ и данных.
4. Устройства ввода используются для преобразования данных в удобную для обработки компьютером форму.
5. Устройства вывода преобразуют работу ЭВМ в удобную для восприятия человеком форму.

Отличительной особенностью функциональной схемы компьютеров первых поколений от являлось то, что программное управление всеми процессами ввода-вывода происходило от процессора.

Рассмотрим принцип двоичного кодирования информации. Он заключается в том, что в ЭВМ используется двоичная система счисления. Это означает, что любая информация, предназначенная для обработки на компьютере, а также и программы, представляются в виде двоичного кода, т. е. последовательности нулей и единиц.

Благодаря использованию двоичного кодирования для представления не только данных, но и программ, форма их представления становится одинаковой, а это означает, что их можно хранить в единой памяти, поскольку нет принципиальной разницы между двоичным представлением машинной команды, числа, символа и др. В этом заключается принцип однородности памяти.

Оперативная память компьютера представляет собой набор битов — однородных элементов с двумя устойчивыми состояниями, одно из которых соответствует нулю, другое — единице. Группы соседних битов объединяются в ячейки памяти, которые пронумерованы, т. е. имеют свой адрес. Это соответствует принципу адресности памяти.

На современных компьютерах может одновременно извлекаться из памяти и обрабатываться до 64 разрядов, т. е. восьми байтовых ячеек. Это стало возможным при реализации принципа параллельной обработки данных.

С позиции пользователя существуют два противоречивых требования, предъявляемых к памяти компьютера: память должна быть как можно больше, а скорость работы — как можно быстрее.

Противоречие заключается в том, что при увеличении объёма памяти неизбежно уменьшается скорость работы, поскольку увеличивается время на поиск данных. С другой стороны, более быстрая память является и более дорогой, что увеличивает общую стоимость компьютера.

Преодолением противоречия между объёмом памяти и её быстродействием стало использование нескольких различных видов памяти, связанных друг с другом. В этом состоит принцип иерархической организации памяти.

Основным отличием компьютеров от любых других технических устройств является программное управление их работой.

Важным элементом устройства управления является счётчик адреса команд, где в любой момент времени хранится адрес следующей по порядку выполнения команды. Используя значение из счётчика, процессор поочередно считывает из памяти команду программы, расшифровывает её и выполняет. Действия выполняются до завершения работы программы.

Современные персональные компьютеры разнообразны — это и настольные, и переносные, и планшетные устройства. Они различаются по размерам, назначению, но фунциональное устройство у них одинаковое.

Оно определяется архитектурой персонального компьютера.

Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.

Для рассмотрения взаимодействие основных функциональных узлов обратимся к функциональной схеме компьютера.

На ней представлены основные узлы современного компьютера, к которым, как вам уже известно, относятся процессор, внутренняя память, устройства ввода, устройства вывода и внешняя память.

В компьютерах с классической фон-неймановской архитектурой все процессы ввода-вывода находились под управлением процессора. Поскольку процессор является самым быстрым устройством, то любое обращение к устройствам ввода-вывода и ожидание отклика от них замедляло общее время работы.

В современных компьютерах эту проблему решают специальные электронные схемы, которые обеспечивают обмен данных между процессором и внешними устройствами. Они называются контрОллерами, а на функциональной схеме они обозначены буквой К.

При наличии контроллеров данные могут передаваться по магистрали между внешними устройствами и внутренней памятью без использования процессора.

Это существенно снижает нагрузку на работу центрального процессора, а значит приводит к повышению эффективности работы всей вычислительной системы.

Обмен данными между устройствами осуществляется с помощью магистрали.

Магистраль (шина) — устройство для обмена данными между устройствами компьютера.

Магистраль включает в себя шину адреса, шину данных и шину управления.

Шина адреса используется для указания физического адреса устройства;

Шина данных используется для передачи данных между узлами компьютера;

Шина управления организует сам процесс обмена (сигналы чтение/запись, данные готовы/не готовы, обращение к внутренней/внешней памяти и др.)

В современных компьютерах применяется магистрально-модульная архитектура, главное достоинство которой лежит в гибкости конфигурации, т. е. возможности изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых внешних устройств, а также замене старых внешних устройств.

Если спецификация на шину опубликована производителем, т. е. является открытой, то говорят о принципе открытой архитектуры. В этом случае пользователь самостоятельно может выбрать дополнительные устройства для формирования компьютерной системы, учитывающей именно его предпочтения.

Мир современных компьютеров широк и многообразен. Персональные компьютеры давно стали многоядерными. Это относится в том числе к смартфонам и планшетным компьютерам.

Однако, существуют не только персональные компьютеры, но и значительно более нагруженные вычислительные системы. Мы начали урок с путешествия в один из дата-центров Яндекса и вы видели огромное количество серверов, которые позволяет обеспечивать пользователей качественными сервисами в режиме 24х7 с высокой скоростью доступа.

Существуют сегодня и суперкомпьютеры, способные решать научные задачи, производить вычисления, связанные с космическими телами, исследованиями микромира и др.

Технические характеристики электронной техники находятся вблизи предельных значений, а это означает необходимость новых технологических решений. Сегодня ведутся исследования в области нанотехнологий, квантовых и биологических компьютеров. Одна из задач вашего поколения — найти новые технологические решения для увеличения мощности компьютеров будущего.