Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Архитектура ЭВМ. 3

Федеральная таможенная служба

Государственное казённое образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Российская таможенная академия»

Владивостокский филиал

Кафедра информатики и информационных таможенных технологий

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Информатика»

студента Анисимовой Ксении Александровны

группа 128

факультета Таможенного дела

на тему: Архитектура ЭВМ

Преподаватель: Вольнов И.Н.

_{Оценка___________________}

Подпись__________________

«___» ________________2013

Владивосток

2013

Содержание

Введение……………………………………………………………………………….3

Классическая архитектура ЭВМ………………………………………………5
Функциональная организация ЭВМ…………………………………………..11
Структура и принцип действия ЭВМ…………………………………………12
Организация и разрядность интерфейсов ЭВМ……………………………...21
Организация и способы организации адресации памяти……………………23

Сегментная организация памяти…………………………………………..29

Заключение…………………………………………………………………………….30

Список использованных источников………………………………………………...31

Введение

В современном мире невозможно представить рабочее место без персонального компьютера. В последние годы широкое распространение получили настольные персональные компьютеры (ПК). Строго говоря, компьютер – это комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Но как устроен ЭВМ? Что такое архитектура ЭВМ?

Под архитектурой ЭВМ понимается общая функциональная и структурная организация машины, определяющая методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения. Проще говоря архитектура ЭВМ это совокупность характеристик, которые необходимы пользователю. В наше время, когда компьютерные технологии развиваются стремительными темпами, появилось множество новых архитектур, «разновидностей» вычислительных машин, и принадлежность устройства к той или иной разновидности определяет его назначение и ставящиеся перед ним задачи.

Для любого компьютера, в том числе настольного ПК можно выделить следующие важные компоненты архитектуры:

Функциональные и логические возможности процессора (система команд, форматы команд и данных, способы адресации, разрядность обрабатываемых слов и т.д.)
Структурная организация и принципы управления аппаратными средствами (центральным процессором, памятью, вводом-выводом, системным интерфейсом и т.д.)
Программное обеспечение (операционная система, трансляторы языков программирования, прикладное ПО).

Целью реферата является рассмотреть функциональную и структурную организацию ПК.

Исходя из цели сформулированы задачи:

Рассмотреть структурную организацию ЭВМ
Рассмотреть организацию и разрядность интерфейсов
Рассмотреть организацию и способы адресации памяти.

Классическая архитектура ЭВМ.

Архитектура ЭВМ – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействие основных ее функциональных узлов.

В середине 40-х годов имелось несколько возможных путей для создания электронных компьютеров. Нельзя сбрасывать со счетов гарвардскую архитектуру; она сложнее в реализации, чем фон-неймановская, но может обеспечить существенно более высокую производительность, поэтому она сохранилась во встраиваемых процессорах, где скорость обработки сигналов наиболее критична. Но судьба распорядилась так, что в широком масштабе была однозначно и безоговорочно принята архитектура фон Неймана. Из основных принципов этой архитектуры вытекает важное следствие: аппаратура является неизменной частью вычислительной машины, а программы — переменной. В большинстве учебников архитектуру фон Неймана представляется классической, вечной и неизменной, поэтому может сложиться впечатление, что она столь же объективна, как и природные законы. Однако, современное и программное, и аппаратное обеспечение за самым малым исключением являются производными от этого выбора. Фон-неймановская архитектура, как и все в этом мире, не вечна; незаметно для большинства происходит ее моральное старение. Критику этой архитектуры и неизбежный со временем отказ от нее не следует рассматривать как критику в адрес самого фон Неймана — скорее, справедливая критика может быть направлена в адрес тех, кто десятилетиями догматизировал его взгляды.

В одном из американских институтов фон Нейман с рядом других знаменитых ученых работал над бомбой. Эта работа потребовала произвести огромное количество расчетов, поэтому в поле внимания фон Неймана попали все существовавшие на тот момент счетные машины, он был знаком с работами и лично с Ванневаром Бушем, Джорджем Стиблицем и Говардом Айкеном. Однако возможности созданных ими механических устройств, являвших собой в конечном счете развитие машины Бэббиджа, его не удовлетворяли, но самое главное заключалось в том, что он имел основания предполагать существование иных, более производительных машин. Информацию о теоретической возможности альтернативного подхода к автоматизации расчетов он получил благодаря одной случайности. Фон Нейману сказочно повезло, без всяких на то усилий он получил шанс познакомиться и подружиться с самим Аланом Тьюрингом и его гипотетической машиной. Фон Нейман ознакомился с идеями Тьюринга и, когда представилась возможность, смог перенести «в железо» основные элементы его машины, а именно последовательное выполнение команд и программирование в терминах команд. Если быть точным, то надо сказать, что архитектурой фон Неймана называют машину Тьюринга, адаптированную к реальным условиям.

Итак, основной вклад фон Неймана состоит в переводе абстрактной схемы Тьюринга в конкретное железо; если предельно упростить то, что сделал фон Нейман, можно сказать, что он перенес бесконечную ленту машины Тьюринга в память. Странно, что при всей своей гениальной прозорливости фон Нейман остановился на сделанном. В области вычислительных машин он — автор одной работы. Выполнив ее, он не стремился к чему-то иному, более того, считал дальнейшее развитие ненужным. К примеру, он активно возражал против попыток как-то упростить или автоматизировать программирование. Он умер в феврале 1957 года, успев дожить до времени, когда уже были созданы языки Ассемблера и вот-вот должны были появиться Кобол и Фортран. Тогда проблема языков программирования активно обсуждалась, однако он считал это занятие бессмысленным, будучи уверенным в том, что ни к чему тратить дорогостоящее машинное время на работу с текстами программ.

Немного ранее Герман Гольдштейн, профессор математики из Мичиганского университета, после призыва на воинскую службу получил чин лейтенанта и руководил расчетом артиллерийских таблиц в баллистической лаборатории при полигоне. Работу выполняли сотни женщин, использовавших механические арифмометры, в те времена именно женщин-расчетчиц и называли компьютерами. Объем необходимых вычислений был чудовищным: только для расчета одной траектории полета снаряда требовалось выполнить 750 операций, а для передачи военным орудие необходимо было снабдить как минимум расчетами 3 тыс. траекторий, общая трудоемкость такой процедуры превышала четыре человеко-года.

Военным требовались новые пушки, но без таблиц для стрельбы они были бесполезны. Препятствием оказалась низкая скорость расчетов. Гольдштейн, отвечавший за эту работу, активно искал пути решения проблемы ускорения счета. Один из коллег показал ему статью «Использование высокоскоростных электронных ламп для вычислительных устройств». Никто кроме Гольдштейна на статью не прореагировал. Однако тот, оценив прочитанное, немедленно поехал в Муровскую школу и сделал все возможное, прежде всего обеспечив финансирование проекта, который поначалу назывался Project PX, а затем стал именоваться ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). От своей жены Гольдштейн знал, как сложно программировать ENIAC, а потому программирование стало очередной проблемой, которая его глубоко волновала.

Случайная встреча с фон Нейманоом помогла решить эту проблему, и именно так возникла "классическая теория". Когда он узнал в попутчике на платформе фон Неймана, чьи лекции о машине Тьюринга ему приходилось слышать, Гольдштейн решился обратиться к нему со своими проблемами. Это был выстрел в десятку, встретились проблема и человек, способный с ней справиться. Фон Нейман, побывав несколько раз в Муровской школе и ознакомившись с положением дел, он сумел понять причины сложности программирования ENIAC и нащупал способы их преодоления. Фон Нейман осознал, что необходимо воспользоваться идеей машины Тьюринга, для чего уравнять в правах программы и данные и перенести гипотетическую тьюринговскую бесконечную ленту с записанными на ней командами в оперативную память компьютера. В таком случае программирование сводится к записи последовательности команд в память. Эта процедура заметно проще ручной коммутации сотен или тысяч проводов; кроме того, в текст программ можно вставлять команды управления, а значит, выполнять переходы и циклы. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием. К созданию архитектуры, которую мы называем фон-неймановской, свои руки и талант приложило множество людей. Так или иначе каждый из них что-то заимствовал у своих предшественников, но в конечном итоге их совместная деятельность, объединенная в цепочку случайных событий, привела к результату, ассоциируемому с одним именем.

Основные принципы фон-неймановской модели:

Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы — слова.
Разнотипные по смыслу слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования.
Слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек — адресами слов.
Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, называемых командами. Команда определяет наименование операции и слова информации, участвующие в ней. Алгоритм, записанный в виде последовательности команд, называется программой.
Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определенном программой.

Согласно фон Нейману, ЭВМ должна состоять из следующих основных блоков (рис. 1): устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ) (в современных компьютерах эти устройства объединены в один блок – процессор), запоминающих устройств (внутренней и внешней памяти), устройств ввода и вывода.

Рис. 1. Архитектура ЭВМ по фон Нейману

Программа вычислений (обработки информации) составляется в виде последовательности команд и загружается в память машины — запоминающее устройство (ЗУ). Там же хранятся исходные данные и промежуточные результаты обработки. Центральное устройство управления (ЦУУ) последовательно извлекает из памяти команды программы и организует их выполнение. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для реализации операций преобразования информации. Программа и исходные данные вводятся в память машины через устройства ввода (УВв), а результаты обработки предъявляются на устройства вывода (УВыв). Характерной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что память представляет собой единое адресное пространство, предназначенное для хранения как программ, так и данных. Такой подход, с одной стороны, обеспечивает большую гибкость организации вычислений — возможность перераспределения памяти между программой и данными, возможность самомодификации программы в процессе ее выполнения. С другой стороны, без принятия специальных мер защиты снижается надежность выполнения программы, что особенно недопустимо в управляющих системах. Альтернативной фон-неймановской является гарвардская архитектура. ЭВМ, реализованные по этому принципу, имеют два непересекающихся адресных пространства — для программы и для данных, причем программу нельзя разместить в свободной области памяти данных и наоборот. Гарвардская архитектура применяется главным образом в управляющих ЭВМ.

Функциональная организация ЭВМ.

Термин "функциональная организация ЭВМ" часто используют в качестве синонима более широкого термина — "архитектура ЭВМ", который, в свою очередь, трактуется разными авторами несколько в различных смыслах. Архитектура ЭВМ — это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию. Понятие архитектуры ЭВМ является комплексным и включает в себя:

Структурную схему ЭВМ
Средства и способы доступа к элементам структурной схемы
Организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ
Набор и доступность регистров
Организацию и способы адресации памяти
Способы представления и форматы данных ЭВМ
Набор машинных команд ЭВМ
Форматы машинных команд
Обработку нештатных ситуаций (прерываний).

В своем реферате я подробно рассмотрю структуру и принцип действия ЭВМ, организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ, а также организацию и способы адресации памяти.

Структура и принцип действия ЭВМ

Структура ЭВМ или аппаратное обеспечение ЭВМ – совокупность технических устройств, входящих в состав ЭВМ. Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Существует понятие базовой конфигурации – т.е. такой набор компонентов, дальнейшее уменьшение которого приведет к нецелесообразности использования компьютера для конкретной работы или даже полной бессмысленности работы с ним. Этот набор можно увидеть практически везде, где используют компьютер, в него входят:

Системный блок (плюс дисковод или винчестер, вмонтированный в корпус)
Монитор
Клавиатура
Мышь.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними.

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 передачи данных, адресов и управления.
Ядро ПК образуют процессор (центральный микропроцессор) и основная память, состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) или перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства ППЗУ. ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения данных.
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.

На рисунке 2 отображена архитектура ЭВМ.

Рис.2. Архитектура ЭВМ

Микропроцессор - это центральный блок компьютера, предназначенный для управления всеми блоками компьютера и выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

Чтение и дешифрацию команд из основной памяти
Чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств
Прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств
Обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств
Выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

Микропроцессор функционально состоит из:

устройства управления
арифметико-логического устройства
микропроцессорной памяти
интерфейсной системы

Устройство управления (УУ), это специальный электронный блок, который с помощью электрических сигналов включает в работу другие устройства компьютера.

УУ выполняет задачи:

формирует и подает во все блоки машины определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;
формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;
получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

Арифметико-логическое устройства (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией.

Регистровая память служит для временного хранения данных и результатов операций над ними. Регистры или микропроцессорная память - это сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с регистрами.

Данные процессор считывает из ОЗУ, они копируются в ячейки процессора - регистры и преобразуются затем в соответствии с командами (программой). Регистровая память используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя:

внутренний интерфейс микропроцессора;
буферные запоминающие регистры;
схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.

Процессор, ОЗУ и ПЗУ располагаются на системной (материнской) плате. Материнская плата предназначена для размещения на ней или подключения к ней с помощью специальных разъемов других компонентов. Различаются размером (форм фактором), количеством и типом разъемов для подключения различных компонентов, используемым набором микросхем, диапазоном возможных для установки моделей микропроцессоров и др.

Одним из самых важных элементов компьютера является память. Все персональные компьютеры используют три вида памяти: постоянную, оперативную и внешнюю.

Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уровня памяти:

микропроцессорная память;
основная память;
кэш-память;
внешняя память.

Микропроцессорная память служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины.

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими устройствами компьютера. Функции памяти:

прием информации от других устройств;
запоминание информации;
выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Основная память содержит два вида запоминающих устройств: ПЗУ – постоянное запоминающее устройство; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.

Постоянная память предназначена для хранения неизменной программной и справочной информации. Данные в ПЗУ заносятся при изготовлении. Информацию, хранящуюся в ПЗУ, можно только считывать, но не изменять.

В ПЗУ находятся:

Программа управления работой процессора
Программа запуска и останова компьютера
Программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков
Программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью
Информация о том, где на диске находится операционная система.

ПЗУ является энергонезависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Информация записывается на заводе, не изменяется в процессе работы, не теряется при отключении напряжения (аналог – книга).

ОЗУ предназначено для записи, временного хранения и считывания информации, с которой работает процессор в данный момент времени. Главное достоинство ОЗУ – высокое быстродействие (доступ к оперативной памяти на современных ПК осуществляется в сотни тысяч раз быстрее, чем к дисковой). Недостаток – вся информация после выключения напряжения теряется. В современных компьютерах объем ОЗУ памяти обычно составляет 1-4 Гбайта. Объем памяти – важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы и работоспособность программ. Чем меньше оперативная память в компьютере, тем чаще происходит обмен данными с диском и тем меньше каждая порция этого обмена. Операции, которые могут быть выполнены за секунды, растягиваются на минуты. Поэтому увеличение объема оперативной памяти всегда дает заметный положительный эффект.

Кэш-память. Для достаточно быстрых компьютеров необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого используется кэш-память, т.е. "сверхоперативная" память относительно небольшого объема, в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. Кэш-память располагается "между" микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш- памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержатся именно в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.

На материнской плате имеется энергонезависимая CMOS-память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом включении системы. Это полупостоянная память. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера – SETUP.

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью, в ней хранятся копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. Регистры кэш- памяти недоступны для пользователя. В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют встроенную кэш-память. Многие микропроцессоры имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная кэш-память, размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, емкость которой может достигать нескольких Мбайт.

Для связи пользователя и компьютера существуют устройства, называемые устройствами ввода/вывода, внешними или периферийными устройствами. Поскольку человек не воспринимает электрические импульсы и плохо понимает информацию, представленную в форме последовательностей 0 и 1, в состав компьютера должны входить специальные устройства ввода – для кодирования информации и устройства вывода, для преобразования информации с машинного языка в форму, удобную для восприятия чело- веком.

Периферийные устройства – это любые дополнительные вспомогательные устройства, которые можно подключить к компьютеру для расширения функциональных возможностей. В технической литературе под периферией принято понимать все, что находится вне системного блока.

Внешние (периферийные) устройства персонального компьютера составляют важнейшую часть любого вычислительного комплекса. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой – пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

Внешние устройства подключаются к компьютеру через специальные разъемы-порты ввода-вывода. Порты ввода-вывода бывают следующих типов:

Параллельные (обозначаемые LPT1 - LPT4) - обычно используются для подключения принтеров
Последовательные (обозначаемые СОМl - COM4) обычно к ним подключаются мышь, модем и другие устройства.

К внешним устройствам относятся:

Устройства ввода информации
Устройства вывода информации
Диалоговые средства пользователя
Средства связи и телекоммуникации.

К устройствам ввода информации относятся:

Клавиатура - устройство для ручного ввода в компьютер числовой, текстовой и управляющей информации;
Графические планшеты (дигитайзеры) - для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в компьютер;
Сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в компьютер машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;
Устройства указания (графические манипуляторы) - для ввода графической информации на экран монитора путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в компьютер (джойстик, мышь, трекбол, световое перо);
Сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в компьютер).