Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Информатика arrow Информатика 2015

4. Аппаратные средства

4.1. Структурная схема ЭВМ

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) — это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации иод управлением программы.

Основные элементы электронной вычислительной машины (фон- неймановской структуры) и связи между ними показаны на рисунке.

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

При нервом знакомстве с ЭВМ можно считать, что процессор состоит из четырех устройств: арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), блока регистров (БР) и кэш-памяти. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Промежуточные результаты вычислений в АЛУ сохраняются в БР. Кэш-память служит для повышения производительности процессора путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т. е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

Программа — это набор команд (инструкций), составленный человеком (программистом) и выполняемый ЭВМ. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции. Например, операция умножения разбивается на элементарные операции сложения и сдвига.

Таким образом, программы состоят из команд, а при выполнении программы процессор разбивает команды на элементарные операции.

Элементарными операциями для процессора являются арифметические и логические действия, перемещение (пересылка) данных (операндов) между регистрами процессора, сдвиг данных в регист рах, счет и т. д.

Основной функцией системной шины является передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Системная шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода.

Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных (операндов).

Существует несколько разновидностей памяти: оперативная, постоянная, внешняя, кэш, CMOS (КМОП), регистровая. Существование целой иерархии видов памяти объясняется их различием но быстродействию, объему, энергозависимости и стоимости. Многообразие видов памяти помогает сгладить противоречие между высокой стоимостью памяти одного вида и низким быстродействием памяти другого вида.

Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пересчете на один байт памяти имеет большую стоимость, чем память более низкого уровня.

Регистровая память — наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной). Она представляет собой блок регистров, которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет, сдвиг операндов, запоминание адресов, фиксация состояния процессора и т. д.

Паилучшим вариантом было бы размещение всей памяти на одном кристалле с процессором. Однако из-за существующих технологических сложностей изготовления памяти большого объема пришлось бы большое число микросхем отправить в брак.

Кэш-память но сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие. В ЭВМ число запоминающих устройств с этим видом памяти может быть различным.

В переводе с английского языка слово кэш (cache) означает «тайник», так как кэш-память недоступна для программиста (она автоматически используется компьютером). Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет экономить время, которое без нее тратилось бы на пересылку данных и команд из процессора в оперативную намять (и обратно). Работа кэш-памяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания прихода новых данных и команд). Этот вид памяти уменьшает противоречие между быстрым процессором и относительно медленной оперативной памятью.

Кэш-намять первого уровня, которая размещается на одном кристалле с процессором, принято обозначать символами L1. Кэш-память, которая располагается на материнской плате (второй уровень), обозначается символами L2.

На структурной схеме показана только кэш-память L1. Заметим, что в первых ЭВМ структуры фон Неймана кэш-памяти не было.

Энергозависимая память CMOS (КМОП-память) служит для запоминания конфигурации данного компьютера (текущего времени, даты, выбранного системного диска и т. д.). Для непрерывной работы этого вида памяти на материнской плате ЭВМ устанавливают отдельный малогабаритный аккумулятор или батарею питания.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной (текущей) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. Это значит, что процессор может выбрать из ОЗУ команду или обрабатываемые данные (режим считывания) и после арифметической или логической обработки данных поместить полученный результат в ОЗУ (режим записи). Размещение новых данных в ОЗУ возможно на тех же местах (в тех же ячейках), где находились исходные данные. Понятно, что прежние команды (или данные) будут стерты.

ОЗУ используется для хранения профамм, составляемых пользователем, а также исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора.

В качестве запоминающих элементов в ОЗУ используются либо триггеры (статическое ОЗУ), либо конденсаторы (динамическое ОЗУ).

ОЗУ — это энергозависимая память, поэтому при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.

По быстродействию ОЗУ уступает кэш-памяти и тем более сверхоперативной памяти — БР. Но стоимость ОЗУ значительно ниже стоимости упомянутых видов памяти.

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая нс изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют тест-монигорные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент сто включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой).

ПЗУ является энергонезависимым устройством, поэтому информация в нем сохраняется даже при выключении электропитания.

Существуют ПЗУ с электрическим способом стирания и записи информации (FLASH-память). Это даёт возможность при острой необходимости перепрограммировать ПЗУ и тем самым оперативно улучшить характеристики ЭВМ.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на жестких дисках (винчестеры), проигрыватели оптических дисков, электронная Flash-память, накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры). Внешние запоминающие устройства по сравнению с ОЗУ имеют, в основном, больший объем памяти, но существенно меньшее быстродействие.

К устройствам ввода информации относятся: клавиатура, мышь, трекбол, джойстик, трекпойнт, трекнад, сканер, сенсорный экран, информационные перчатки, информационный костюм, шлем, джойстринг, диджигай- зер, вебкамера, микрофон, датчики и др.

К устройствам вывода информации относятся: дисплей (монитор), LCD-проектор, принтер, плоттер, акустические колонки, головные телефоны и др.

Модем выполняет функции и устройств ввода, и устройств вывода информации. Он позволяет соединяться с другими удаленными компьютерами с помощью телефонных линий связи и обмениваться информацией между ЭВМ.

Одной из плодотворных идей, положенных в основу персональных компьютеров, является открытость архитектуры. Согласно этой концепции, каждый пользователь может самостоятельно формировать конфигурацию своего компьютера но своему усмотрению. Это означает, что в зависимости от потребности пользователь может подключить к системной шине различные устройства: звуковую плату, клавиатуру электромузыкального инструмента, плату телевизионного приемника и г. и. Открытость архитектуры позволяет легко модернизировать имеющийся компьютер, например, путем замены винчестера на жесткий диск большего объема, замены процессора, увеличения объема оперативной памяти, добавления необходимого устройства ввода-вывода и т. д.

Общий принцип работы ЭВМ заключается в следующем. Из процессора на шину адреса (на структурной схеме она не показана и находится внутри системной шины) выдается адрес очередной команды. Считанная по этому адресу команда (например, из ОЗУ) поступает по шине данных (она находится внутри системной шины) в процессор, где она выполняется с помощью АЛУ. Устройство управления процессора определяет адрес следующей выполняемой команды (фактически номер очередной ячейки памяти, где находится очередная команда или исходные данные). После исполнения процессором текущей команды на шину адреса выводится адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда и т. д.

Сигналы, передаваемые по управляющей шине, синхронизируют работу процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации.

Порядок выбора адресов из памяти (и очередности выполнения команд) определяет программа, которая может располагаться в ОЗУ, ПЗУ, кэш-памяги. Чаще всего выполняемая в данный момент времени программа находится в ОЗУ. В линейных программах команды последовательно выбираются из смежных ячеек памяти. В разветвляющихся программах последовательный порядок выбора адресов ячеек памяти может нарушаться. В результате может произойти переход (резкий скачок) к ячейке памяти, расположенной в любом месте ОЗУ. При одном наборе исходных данных переход будет происходить, а при другом наборе данных перехода нс будет. По этой причине такие команды называют командами условной передачи управления.

Иногда при работе ЭВМ программа вводится с клавиатуры в ОЗУ. Затем процессор под управлением этой программы выполняет- необходимые действия. Чаще управляющую программу зафужают в ОЗУ с внешнего запоминающего устройства или но вычислительной сети. При выполнении зафу- женной профаммы ЭВМ запрашивает у пользователя необходимые данные и процессор после выполнения указанных в профамме команд отправляет результат по системной шине на одно из устройств вывода информации.

Выполнение основной программы порой может приостанавливаться с целью выполнения какого-то другого срочного задания, например, для передачи данных на принтер. Такой режим работы, когда временно приостанавливается выполнение основной профаммы и происходит обслуживание срочного запроса, называется прерыванием. По завершении обслуживания прерывания процессор возвращается к выполнению временно отложенной основной профаммы.

Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре, переполнения разрядной сетки, деления на ноль, требования внешним устройством выполнения операции ввода информации и г.д. Например, при нажатии клавиши на клавиатуре возникает прерывание, обработка которого сводится к записи кода нажатой клавиши в буфер клавиатуры. Обслуживание прерываний осуществляется с помощью специальных программ обработки прерываний.

Очевидно, что конструкция современной ЭВМ много сложнее рассмотренной здесь конструкции. На структурной схеме не изображены тактовый генератор, который подключен к процессору, адаптеры (или контроллеры), включенные между системной шиной и каждым устройством ввода- вывода, и друтие блоки. Однако выбранный уровень детализации достаточен для понимания общего принципа работы ЭВМ.

Приведенный вид структурной схемы ЭВМ является фон- неймановской структурой, названной так в честь американского ученого венгерского происхождения фон Неймана.

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

В системном блоке находятся материнская плата (на ней располагаются процессор, ОЗУ, ПЗУ и др.), накопители на жёстких и оптических дисках, внутренние модемы, сетевые, звуковые карты и др.

Конфигурация современных компьютеров чрезвычайно разнообразна. Они могут содержать блоки, которые не описаны в этом разделе. Например, фотоаппарат, видеокамера, GPS и ГЛОНАС навигаторы, картридер, USB- порты и т.п.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы