Лекция 2 (Основы учения об архитектуре вычислительных

Лекции по предмету «Информатика»
Информация о работе
  • Тема: Лекция 2 (Основы учения об архитектуре вычислительных
  • Количество скачиваний: 23
  • Тип: Лекции
  • Предмет: Информатика
  • Количество страниц: 11
  • Язык работы: Русский язык
  • Дата загрузки: 2014-12-11 19:56:34
  • Размер файла: 197 кб
Помогла работа? Поделись ссылкой
Узнать стоимость учебной работы online!
  • Тип работы
  • Часть диплома
  • Дипломная работа
  • Курсовая работа
  • Контрольная работа
  • Решение задач
  • Реферат
  • Научно - исследовательская работа
  • Отчет по практике
  • Ответы на билеты
  • Тест/экзамен online
  • Монография
  • Эссе
  • Доклад
  • Компьютерный набор текста
  • Компьютерный чертеж
  • Рецензия
  • Перевод
  • Репетитор
  • Бизнес-план
  • Конспекты
  • Проверка качества
  • Экзамен на сайте
  • Аспирантский реферат
  • Магистерская работа
  • Научная статья
  • Научный труд
  • Техническая редакция текста
  • Чертеж от руки
  • Диаграммы, таблицы
  • Презентация к защите
  • Тезисный план
  • Речь к диплому
  • Доработка заказа клиента
  • Отзыв на диплом
  • Публикация статьи в ВАК
  • Публикация статьи в Scopus
  • Дипломная работа MBA
  • Повышение оригинальности
  • Копирайтинг
  • Другое
Узнать стоимость
Информация о документе

Документ предоставляется как есть, мы не несем ответственности, за правильность представленной в нём информации. Используя информацию для подготовки своей работы необходимо помнить, что текст работы может быть устаревшим, работа может не пройти проверку на заимствования.

Если Вы являетесь автором текста представленного на данной странице и не хотите чтобы он был размешён на нашем сайте напишите об этом перейдя по ссылке: «Правообладателям»

Можно ли скачать документ с работой

Да, скачать документ можно бесплатно, без регистрации перейдя по ссылке:

Лекция 2

Основы учения об архитектуре вычислительных машин в 1946 году заложили американские ученые города Пристона, в группу которых входил математик Джон фон Нейман.
Фон Нейман предложил основные принципы построения ЭВМ: переход к двоичной системе счисления для представления информации и принцип хранимой программы.
Программу вычислений предлагалось помещать в запоминающем устройстве ЭВМ, что обеспечивало бы автоматический режим выполнения команд и, как следствие, увеличение быстродействия ЭВМ. (Ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде, а программы задавались путём установки перемычек на специальной коммутационной панели.) Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причём в той же памяти, что и обрабатываемые ею числа.
Основные принципы построения ЭВМ:
1. Любую ЭВМ образуют три основных компонента: процессор, память и устройства ввода-вывода (УВВ).
2. Информация, с которой работает ЭВМ, делится на два типа: набор команд по обработке (программы); данные подлежащие обработке.
3. И команды, и данные вводятся в память (ОЗУ) – принцип хранимой программы.
4. Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме
5. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.
6. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.
Один из важнейших принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.

Запоминающие устройства обеспечивают хранение исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они включают: оперативные (ОЗУ), сверхоперативные СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ) запоминающие устройства.

Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступна процессору.

Внешние запоминающие устройства (накопители на магнитных дисках, например, жесткий диск или винчестер) с емкостью намного больше, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом, используются для длительного хранения больших объемов информации. Например, операционная система (ОС) хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть ОС загружается в ОЗУ и находится там до завершения сеанса работы ПК.

ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и ППЗУ (перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства) предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при ее изготовлении, например, ППЗУ для BIOS.

В качестве устройства ввода информации служит, например, клавиатура. В качестве устройства вывода – дисплей, принтер и т.д.


В построенной по схеме фон Неймана ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в устройстве управления
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон Неймановской архитектуры» или пристонской. Подавляющее большинство ВМ на сегодняшний день – фон-неймановские машины.
Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти. Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность является значительно меньшей, чем скорость, с которой процессор может работать. Это серьезно ограничивает эффективное быстродействие при использовании процессоров, необходимых для выполнения минимальной обработки на больших объёмах данных. Процессор постоянно вынужден ждать необходимых данных, которые будут переданы в память или из памяти. Так как скорость процессора и объём памяти увеличивались гораздо быстрее, чем пропускная способность между ними, узкое место стало большой проблемой, серьезность которой возрастает с каждым новым поколением процессоров
Альтернативой фон-неймановской архитектуры является так называемая гарвардская архитектура ВМ. Отличием ее от архитектуры фон-неймановской является то, что имеется отдельная память для программ и отдельная память для данных, причем программу нельзя разместить в свободной области данных и наоборот.
Фон-неймановская архитектура обеспечивает большую гибкость организации вычислений, т.к. возможно перераспределять память между программами и данными, но с другой стороны без принятия специальных мер защиты снижается надежность выполнения программы, что недопустимо в управляющих системах. Поэтому в управляющих ВМ применяется чаще всего гарвардская архитектура.

Внутренняя структура вычислительной машины. Организация работы ЭВМ с магистральной шиной.

Основным устройством ПК является материнская плата, которая определяет его конфигурацию. Все устройства ПК подключаются к этой плате с помощью разъемов расположенных на этой плате. Соединение всех устройств в единую систему обеспечивается с помощью системной магистрали (шины), представляющей собой линии (шины) передачи данных, линии (шины)адресов и линии (шины) управления.
Подключение всех внешних устройств: клавиатуры, монитора, внешних ЗУ, мыши, принтера и т.д. обеспечивается через контроллеры, адаптеры, карты.
Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой специализированный процессор.


Микропроцессор
Центральный микропроцессор (небольшая микросхема, выполняющая все вычисления и обработку информации) – это ядро ПК. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel и совместимые с ними микропроцессоры других фирм типа АМD ( Advanced Micro Devices).
В центре современного центрального микропроцессора (CPU – сокр. от англ. central processing unit – центральное вычислительное устройство) находится ядро (core) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора.

Ядро связано с остальной частью чипа (называемой «упаковка», CPU Package) по технологии «флип-чип» (flip-chip, flip-chip bonding – перевернутое ядро, крепление методом перевернутого кристалла). Эта технология получила такое название потому, что обращенная наружу – видимая – часть ядра на самом деле является его «дном», – чтобы обеспечить прямой контакт с радиатором кулера для лучшей теплоотдачи. С обратной (невидимой) стороны находится сам «интерфейс» – соединение кристалла и упаковки. Соединение ядра процессора с упаковкой выполнено с помощью столбиковых выводов (Solder Bumps).
Ядро расположено на текстолитовой основе, по которой проходят контактные дорожки к «ножкам» (контактным площадкам), залито термическим интерфейсом и закрыто защитной металлической крышкой.

Компоненты микропроцессора:
• АЛУ выполняет логические и арифметические операции
• Устройство управления управляет всеми устройствами ПК
• Регистры используются для хранения данных и адресов
• Схема управления шиной и портами – осуществляет подготовку устройств к обмену данными между микропроцессором и портом ввода – вывода, а также управляет шиной адреса и управления.
Оперативная память.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM) - область памяти, предназначенная для хранения информации в течение одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде интегральных микросхем.
Из нее процессор считывает программы и исходные данные для обработки в свои регистры, в нее записывает полученные результаты. Название “оперативная” эта память получила потому, что она работает очень быстро, в результате процессору не приходится ждать при чтении или записи данных в память.

Однако быстродействие ОЗУ ниже быстродействия регистров процессора, поэтому перед выполнением команд процессор переписывает данные из ОЗУ в регистры. По принципу действия различают динамическую память и статическую.
Ячейки динамической памяти представляют собой микроконденсаторы, которые накапливают заряд на своих обкладках. Ячейки статической памяти представляют собой триггеры, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях.

Основные параметры, которые характеризуют ОЗУ – это емкость (объм) и время обращения к памяти.
Только та информация, которая хранится в ОЗУ, доступна процессору для обработки. Поэтому необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные.

В ПК информация с внешних устройств (клавиатуры, жесткого диска и т.д.) пересылается в ОЗУ, а информация (результаты выполнения программ) с ОЗУ также выводится на внешние устройства (монитор, жесткий диск, принтер и т.д.).

Системная магистраль
Системная магистраль (шина) - это совокупность проводов и разъемов, обеспечивающих объединение всех устройств ПК в единую систему и их взаимодействие.
Системная магистраль (шина) состоит из следующих шин:
• шина адреса (ША) – зависит объем адресуемой памяти.

• 20-разрядная, объем памяти 1 МБ (220)
• 24-разрядная, объем памяти 16 МБ (224)
• 32-разрядная, объем памяти 4 ГБ
• 34-разрядная, объем памяти 16 ГБ - современная плата
• 36-разрядная, объем памяти 64 ГБ
Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для оперативной памяти код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам, т.е. шина адреса является однонаправленной
• шина данных (ШД) – зависит одновременное количество обрабатываемых данных.
• 32-разрядная – 4 Б
• 64-разрядная - 8 Б
• 128-разрядная - 16 Б
Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, либо, наоборот, от устройства к процессору, т.е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти, запись/чтение данных из внешней памяти, чтение данных с устройства ввода, пересылка данных на устройство
• шина питания (ШП) - зависит от типа процессора. Предназначена не для пересылки информационных сигналов, а для питания системы. Состоит из линий питания и общего провода.
• шина управления (ШУ)
По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.
Для подключения контроллеров или адаптеров современные ПК снабжены такими слотами как PCI. Слоты PCI – E Express для подключения новых устройств к более скоростной шине данных. Слоты AGP предназначены для подключения видеоадаптера
Для подключения накопителей (жестких дисков и компакт-дисков) используются интерфейсы IDE и SCSI. Интерфейс – это совокупность средств соединения и связи устройств компьютера.

Подключение периферийных устройств (принтеры, мышь, сканеры и т.д.) осуществляется через специальные интерфейсы, которые называются портами.

Слоты (разъемы) расширения конфигурации ПК предназначены для подключения дополнительных устройств к основной шине данных компьютера. К основным платам расширения, предназначенным для подключения к шине дополнительных устройств, относятся:
• Видеоадаптеры (видеокарты)
• Звуковые платы
• Внутренние модемы
• Сетевые адаптеры (для подключения к локальной сети)
• SCSI - адаптеры
Системы классификации ЭВМ:
• По производительности и быстродействию
• По назначению
• По уровню специализации
• По типу используемого процессора
• По особенностям архитектуры
• По размерам

Основные характеристики ЭВМ.
• быстродействие
• производительность
• емкость (объем) памяти
• точность вычислений
• система команд
• стоимость
• надежность
К основным характеристикам вычислительной техники относятся ее эксплуатационно-технические характеристики, такие, как быстродействие, емкость памяти, точность вычислений и др.
Быстродействие ЭВМ рассматривается в двух аспектах. С одной стороны, оно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых центральным процессором в секунду. Под элементарной операцией понимается любая простейшая операция типа сложения, пересылки, сравнения и т. д. С другой стороны, быстродействие ЭВМ существенно зависит от организации ее памяти. Время, затрачиваемое на поиск необходимой информации в памяти, заметно сказывается на быстродействии ЭВМ.
В зависимости от области применения выпускаются ЭВМ с быстродействием от нескольких сотен тысяч до миллиардов операций в секунду. Для решения сложных задач возможно объединение нескольких ЭВМ в единый вычислительный комплекс с требуемым суммарным быстродействием.
Наряду с быстродействием часто пользуются понятием производительность. Если первое обусловлено, главным образом, используемой в ЭВМ системой элементов, то второе связано с ее архитектурой и разновидностями решаемых задач. Даже для однозадачной ЭВМ такая характеристика, как быстродействие, не является величиной постоянной. В связи с этим различают:
пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора без учета обращения к оперативной памяти;
номинальное быстродействие, определяемое с учетом времени обращения к оперативной памяти;
системное быстродействие, определяемое с учетом системных издержек на организацию вычислительного процесса;
эксплуатационное, определяемое с учетом характера решаемых задач (состав, операций или их «смеси»).

Емкость, или объем памяти определяется максимальным количеством информации, которое можно разместить в памяти ЭВМ. Обычно емкость памяти измеряется в байтах. Как уже отмечалось, память ЭВМ подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, или оперативная память, по своему объему у различных классов машин различна и определяется системой адресации ЭВМ. Емкость внешней памяти из-за блочной структуры и съемных конструкций накопителей практически неограниченна.

Точность вычислений зависит от количества разрядов, используемых для представления одного числа. Современные ЭВМ комплектуются 32- или 64-разрядными микропроцессорами, что вполне достаточно для обеспечения высокой точности расчетов самых разнообразных приложениях. Однако, если этого мало, можно использовать уд военную или утроенную разрядную сетку.
Система команд — это перечень команд, которые способен выполнить процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, сколько операндов требуется указать в команде, какой вид (формат) должна имеет команда для ее распознания. Количество основных разновидностей команд невелико, с их помощью ЭВМ способны выполнять операции сложения, вычитания, умножения, деления, сравнения, записи в память, передачи числа из регистра в регистр, преобразования из одной системы счисления в другую и т. д. При необходимости выполняется модификация команд, учитывающая специфику вычислений. Обычно в ЭВМ используется от десятков до сотен команд (с учетом их модификации). На современном этап развития вычислительной техники используются два основных подхода при формировании системы команд процессора. С одной стороны, это традиционный подход, свзязанный с разработкой процессоров с полным набором команд, — архитектура CISC (Complete Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд). С друге стороны, это реализация в ЭВМ сокращенного набора простейших, но часто употребляемых команд, что позволяет упростить аппаратные средства процессора и повысить eго быстродействие — архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер сокращенным набором команд).

Стоимость ЭВМ зависит от множества факторов, в частности от быстродействия, емкости памяти, системы команд и т. д. Большое влияние на стоимость оказывает конкретная комплектация ЭВМ и, в первую очередь, внешние устройства, входящие в состав машины. Наконец, стоимость программного обеспечения ощутимо влияет на стоимость ЭВМ.

Надежность ЭВМ — это способность машины сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение определенного промежутка времени. Количественной оценкой надежности ЭВМ, содержащей элементы, отказ которых приводит к отказу всей машины, могут служить следующие показатели:
вероятность безотказной работы за определенное время при данных условиях эксплуатации;
наработка ЭВМ на отказ;
среднее время восстановления машины и др.
Для более сложных структур типа вычислительного комплекса или системы понятие «отказ» не имеет смысла. В таких системах отказы отдельных элементов приводят к некоторому снижению эффективности функционирования, а не к полной потере работоспособности в целом.
Важное значение имеют и другие характеристики вычислительной техники, например: универсальность, программная совместимость, вес, габариты, энергопотребление и др. Они принимаются во внимание при оценивании конкретных сфер применения ЭВМ.

• КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ
Классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом:
- сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ)
- большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения)
- средние ЭВМ
- малые или мини-ЭВМ
- микро-ЭВМ
- персональные компьютеры
- микропроцессоры.
Основное назначение больших ЭВМ - выполнение работ, связанных с обработкой и хранением больших объемов информации, проведением сложных расчетов и исследований в ходе решения вычислительных и информационно-логических задач. К ним относятся большинство моделей фирмы IBM (семейства 360, 370, 390) и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ.
Производительность больших ЭВМ порой оказывается недостаточной для ряда приложений (ядерная энергетика, оборона и т.д.). Были созданы супер-ЭВМ. Они обладают колоссальным быстродействием. Предстаители этого класса ЭВМ - компьютеры фирм Cray Research, Control Data Corporation (CDC) и отечественные супер-ЭВМ семейства Эльбрус.
Средние ЭВМ обладают несколько меньшими возможностями, чем большие ЭВМ, но они меньше стоят. Они предназначены для использования, где приходится постоянно обрабатывать достаточно большие объемы информации с приемлемыми временными затратами. К средним можно отнести ЕС-1036, ЕС-1130, ЕС-1120.
Малые ЭВМ составляют самый многочисленный и быстроразвивающийся класс. Их популярность объясняется малыми размерами, низкой стоимостью и универсальными возможностями.
Класс мини-ЭВМ появился в 60-е годы. Их появление было обусловлено развитием элементной базы и избыточностью ресурсов больших и средних ЭВМ для ряда приложений. Они применяются для управления сложными видами оборудования, создания систем автоматизированного проектирования и гибких производственных систем. К ним относятся модели семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ).
При переходе к интегральным микросхемам оказалось возможным создание функционально законченного устройства обработки информации, выполняющего функции процессора. Такое устройство принято называть микропроцессором.
Изобретение микропроцессора привело к появлению еще одного класса ЭВМ - микро-ЭВМ. Определяющим признаком микро-ЭВМ является наличие одного или нескольких микропроцессоров. Микро-ЭВМ, благодаря малым размерам, высокой производительности, повышенной надежности и небольшой стоимости нашли широкое распространение во всех областях народного хозяйства.
Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ привели к появлению персональных ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники. ПЭВМ позволяет эффективно выполнять научно-технические и финансово-экоеномические расчеты, организовывать базы данных, подготавливать и редактировать документы, обрабатывать графическую информацию и т.д.
На основе ПЭВМ создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) для представителей разных профессий (конструкторов, технологов, административного аппарата и др.).
Рынок персональных и микро-ЭВМ непрерывно расширяется за счет поставок ведущих мировых фирм: IBM, DEC, Apple, COMPAREX, Siemens, ICL.














Вопросы к Лекции 2.

1. Основные принципы построения ЭВМ:
- какие три компонента входят в состав ЭВМ?(стр. 1)
- на какие два типа делится информации в ЭВМ? (стр. 1)
- что записывается в ОЗУ? (стр. 1)
- чем занимается устройство управления (УУ) и чем арифметическо -логическое устройство (АЛУ)? (стр. 1)
- какие устройства связаны с процессором и ОЗУ? (стр.1)
2. Изобразить структурную схему ЭВМ по фон Нейману. (стр. 2)
3. Чем отличается фон-неймановская и гарвардская архитектуры построения ЭВМ? Их достоинства и недостатки. (стр. 3)
4. Изобразить структурную схему ЭВМ с магистральной шиной. (стр. 4)
5. Назначение магистральной (системной) шины.(стр. 3)
Из каких частей (шин) она состоит? (стр. 3)
6. Назначение контроллеров (адаптеров, карт) внешних устройств ЭВМ?
Что включают в себя контроллеры (адаптеры, карты)? (стр. 3)
7. Что представляет собой центральный микропроцессор конструктивно? (стр. 4)
8. Микропроцессоры каких фирм используются в компьютерах типа IBM PC ? (стр. 4)
9. Что включает в себя центральный микропроцессор? Назначение каждого компонента. (стр. 4)
10. Назначение оперативного запоминающего устройства (ОЗУ)? (стр. 4- 5)
Что оно собой представляет конструктивно? (стр. 4-5)
Основные параметры ОЗУ.(стр. 5)
Где хранится информация необходимая процессору для обработки? (стр. 5)
Что она в себя включает? (стр. 5)
Куда попадает информация вводимая с внешних устройств? (стр. 5)
Откуда берется информация выводимая на внешние устройства? (стр. 5)
11. Определение системной магистрали (шины). (стр. 5). Из каких шин она состоит? (стр. 5-6).
12. Какую разрядность может иметь шина адреса и как от ее разрядности зависит объем адресуемой памяти? (стр. 5)
Например: какой объем памяти можно адресовать с помощью 20-ти адресной шины?
13. Какую разрядность может иметь шина данных и как от ее разрядности зависит количество передаваемых байт? (стр. 6)
Например: сколько байт можно передать по 32-х разрядной шине данных?
14. По каким признакам классифицируются ЭВМ? (перечислить) (стр. 6, 7)
15. Перечислить основные характеристики (параметры) ЭВМ (стр. 7)