Архитектура и основные функции первого и второго поколения ЭВМ

По назначению микроЭВМ могут быть универсальными и специализированными. По числу пользователей, одновременно работающих за компьютером – много- и однопользовательские. Специализированные многопользовательские микроЭВМ (серверы - от англ. server) являются мощными компьютерами, используемыми в компьютерных сетях для обработки запросов всех компьютеров сети. Специализированные однопользовательские (рабочие станции – workstation, англ.) эксплуатируются в компьютерных сетях для выполнения прикладных задач. Универсальные многопользовательские микроЭВМ являются мощными компьютерами, оборудованными несколькими терминалами. Универсальные однопользовательские микроЭВМ общедоступны. К их числу относятся персональные компьютеры – ПК. Наиболее популярным представителем ПК в нашей стране является компьютер класса IBM PC (International Business Machines – Personal Computer).

По конструктивным особенностям ПК делятся на стационарные (настольные – тип DeskTop) и переносные. В свою очередь переносные ПК встречаются различных типов, например, ноутбуки, органайзеры, карманные и т.д.

 

((Можно дополнить из lec.3 или из книги стр.43))

Структурная схема процессора

 

Функция обработки  данных выполняется устройством, которое называется процессором, иногда центральным процессором, а в ПК еще и микропроцессором. Системой команд процессора – наз-ся набор действий над данными, которые могут бить им выполнены. Процессоры компьют-в характеризуются такими параметрами как тактовая частота и длина машинного слова. Тактовая частота – это характеристика ,равная количеству тактов в единицу времени. Измеряется в герцах. Машинным словом н-ся наибольшая группа байтов, к-я может быть обработана процессором за 1 такт. Наиболее распростр-ны процессоры с такт. частотой 5-10 МГц, длиной машинного слова 4, 8  байт.

Структурная схема  процессора представляет собой 

 

АЛУ обеспечивает выполнение всех дейтсвий над данными, а УУ организует нужный порядок этих действий.А регистры служат для кратковременного промежуточного хранения кодов в процессе их обработки.

 

Структуры схемы ЭВМ

 

 

Или другая схема  архитектуры фон Неймана:

 

Современные  тенденции развития    архитектуры компьютера

В качестве материала межсоединений медь окончательно и бесповоротно придет на смену алюминию, так как у нее ниже удельное сопротивление. Однако она подвержена диффузии в кремнии, что потребует изоляции медных соединений.

Попробуем посмотреть по какому пути пойдет развитие архитектуры ЭВМ в ближайшем будущем.

• Многоядерная архитектура

Эта архитектура  подразумевает интегрирование нескольких простых микропроцессорных ядер на одном чипе. Каждое ядро выполняет  свой поток инструкций. Но между тем усугубляется проблема доступа к памяти, необходима замена компиляторов.

Рассмотрю архитектуры, которые основаны не на кремневых технологиях и которые могут прийти к нему на смену:

Оптическая(фотонная) архитектура 

Идея использования  света для обработки информации стала осуществимой лишь недавно. Главное преимущество оптической логики перед кремневой в том, что фотоны распространяются гораздо быстрее электронов. Более того, в оптической логике данные поддаются конвейеризации. Оптическим компонентам не нужно формировать выходной сигнал до того, как они воспримут новый выходной сигнал, а значит, они могут обрабатывать целый поток данных.

• Квантовая архитектура

В основе квантовых  вычислений лежит атом - мельчайшая единица вещества. Атом - "удобное" хранилище информационных битов: его  электроны могут занимать лишь ограниченное число энергетических уровней. Так, атом высокого энергетического уровня мог бы служить логической единицей, а низкого - логическим нулем. Недостатком здесь я-ся нестабильность атома, поскольку он легко меняет энергетический уровень в зависимости от внешних условий.

• Нейроархитектура

Для решения  некоторых задач требуется создание эффективной системы искусственного интеллекта, которая могла бы обрабатывать информацию, не затрачивая много вычислительных ресурсов.

По теории Розенблатта

структуры, имеющие  свойства мозга и нервной системы, имеют ряд особенностей, которые  помогают при решении сложных  задач:

1. Параллельность  обработки информации.

     2. Способность к обучению.

     3. Способность  к автоматической классификации.

     4. Высокая надежность.

     5. Ассоциативность. 

Нейрокомпьютеры (биокомпьютеры) - это совершенно новый  тип вычислительной техники. Их можно  строить на базе нейрочипов, которые  функционально ориентированы на конкретный алгоритм, на решение конкретной задачи.

Возможность обучения нейронных  сетей является важнейшей особенностью нейросетевого подхода к построению систем обработки информации.

 

    Базовая  система ввода –вывода.

BIOS(Basic Input/Output System) – это базовая система ввода-вывода. В состав этой системы входят различные программы ввода-вывода, которые обеспечивают взаимодействие между операционной системой, прикладными программами с одной стороны и устройствами, входящими в состав компьютера (внутренними и внешними) с другой.

BIOS реализован в виде микросхемы, установленной на материнской плате компьютера.Хранящаяся в этих чипах информация представляет весь интеллектуальный потенциал, которым система располагает с начала своей работы.

 Система BIOS неразрывно связана с СMOS RAM. Это память, в кот-й хранится информация о текущих установках BIOS (время, количество памяти, типы жестких дисков и т.д.). В этой информации нуждаются программные модули системы BIOS. CMOS-память относительно энергонезависима так как имеет независимое питание - либо от аккумулятора, который расположен на системной плате, либо от батареи на корпусе системного блока.

Основными производителями BIOS являются фирмы AWARD и AMI.

В наст. время BIOS представляет собой сложную систему, состоящую из большого колич-ва утилит, предназнач-х для автоматического распознавания установленного на компьютер оборудования, его настройки и проверки функционирования. При включении питания компьютера BIOS тестирует (POST -- Power-On-Self-Test) компоненты системы -- процессор, память, приводы дисков (жестких, флоппи-дисководов), клавиатуру т.д. Затем отыскивает в системе главную загрузочную запись, чтобы определить, какой программе следует передать управление компьютером.

 

 

Понятие архитектуры компьютера

 

Под архитектурой компьютера понимается совокупность взаимосвязанных сведений о способах представления в компьютере программ и данных, о назначении, структуре и особенностях функционирования отдельных его устройств, а также об организации и работе компьютера в целом.Основными функциями компьютера я-ся хранение, обработка, прием и передача данных. Для этого предусмотрены сл. устрой-ва:

• память- группа устройств, которые обеспечивают хранение программ и данных;
• процессор-обеспечивает обработку данных
• устройства ввода/вывода – группа устр-в, кот-е обеспеч-ют обмен данными м-ду пользователем и комп-м.

 

Элементарные  логическите устройства памяти

 

Базовыми функциональными  элементами памяти я-ся бит и байт.

Элементарное  устройство памяти комп-ра, которое  применяется для хранения одного из знаков двоичного алфавита, н-ся битом, или двоичным разрядом.

  Функции  бита

• Бит может принимать одно из двух значений 1 или 0.
• Можно прочитать записанную в бит информацию без ее потери.
• Можно поменять состояние бита, т.е записать новую информацию.

Для хранения двоичных машинных кодов исп-ся несколько битов, образующих устройство, к-е н-ют ячейкой памяти.С 3-го поколения , стандартными я-ся ячейки состоящие из 8 бит, к-й н-ся байтом.С байтом в целом, а не с отдельными битами, производятся такие операции как запись и чтение. Ед. измер-я объема памяти:…, терабайт,петабайт,зетабайт йотобайт.

 

Арифметико- логическое устройство

 

Часть процессора выполняюцая арфиметические, логические и иные опреации над данными, н-ся АЛУ.

 

 

 

 

 

 

Оперативная память

Память в компьютере обеспечивает одну из важнейших функций-хранение данных и программ. Из всех видов памяти компьютера наиболее важное значение имеет оперативная память(ОП). Компьютер не  в состоянии работать, если в нем отсутствует ОП,в то время как отсутств-е др. видов памяти только снижает эффективность его работы.

ОП представ-ет собой уст-во комп-ра, которое предназначено  для хранения программ, находящихся  на стадии выполнения, а также обрабатываемых этими программами данных. Процессор компьютера имеет непосредственный доступ ко всей информации, которая находится в ОП.

ОП энергозависима(данные безвозвратно теряются). ОП харак-ся таким  показателем как быстродействие.Оно  определяется временем, которое требуется  для получения из памяти запрошенных  данных.ОП еще наз-ют; оперативное запоминающее устройство(ОЗУ),основная память и  исп-ют обозначение RAM.

 

Внешние устройства компьютера

 

Оперативная память и процессор образуют центральную группу устр-в компьютера. Кроме этих устр-в в состав компьютера входит  группа внешних устр-в(ВУ), в которой выделяют внешнюю память(ВП), или внешние запомин-ие устройства(ВЗУ), и уст-ва ввода/вывода, к-ые также н-ют устройствами I/O

Внешней памятью  н-ся группа устройств, которые предназначены  для долговременного хранения больши массивов информации – программ и данных. В отличие от оперативной памяти,  устр-ва внеш. памяти не могут быть непосредственно доступны процессору компьютера.Особенность ВЗП: энергонезависимость; скорость передачи данных значительно ниже;стоят дешевле.

В настоящее  время в качестве ВП исп-ся жесткие магнитные(несъемные, постоянные), гибкие магнитные и оптические диски.

К группе устр-в  ввода/вывода отн-ся: клавиатура, мышь, дисплей, принтер, модем, плоттер,джойстик…

 

Компактная  условная формула-характеристика компьютера.

 В стандартный  комплект персонального компьютера при его продаже обычно входят системный блок, клавиатура, мышь и монитор.       При необходимости отдельно приобретаются принтер, сканер, модем другие периферийные устр-ва. Для описания продаваемого комп-ра использ-ся краткая условная формула, дающая довольно полное представление об осн-х технических характерист-ах машины.В эту формулу входят:

1. модель процессора, его тактовая частота, наличие и объем кэша;
2. объем и тип операт-й памяти;
3. используемые шины;
4. объем жесткого диска;
5. наличие флоппи-дисковода;
6. наличие и тип дисковода компакт-дисков;
7. наличие видеоплаты, ее тип и объем дополнительной памяти;
8. наличие звуковой платы, ее тип;
9. стандарт клавиатуры и наличие в комплекте мыши.

P4-2400, 512 L2/256 DIMM DDR/PCI, USB/80Gb/FDD 3,5” /CD-RW52x/AGP4x 32Mb/ SB AUDIGY 5.1/Mouse/Keyboard 108

P4-2400, 512 L2 – процессор типа Pebtium 4 с тактовой част-й 2400 МГц, или 2,4 ГГц и внешним кэшем 512 Мб.

256 DIMM DDR – оперативная память типа DDR SDRAM объемом 256 Мбайт.

PCI,USB – шины;

80 Gb – объем винчестера;

FDD 3,5’’-наличие флоппи диска; CD-RW52x– дисковод оптич-х дисков с 52-кратной скоростью обмена;

Mouse – наличие мыши,Keyboard 108 – 108-клавишная клавиатура.

 

Жесткие магнитные диски

ЖМД – называют также винчестером и HDD. Он предст-ет собой пакет, содержащий от 2 до 10 закрепленных на общей оси пластин. Пакет помещается в герметичный корпус, в котором создается разрежение воздуха, обеспечивающее высокуюскорость вращения и передачи данных в процессе обмена. Во время вращения головки чтения/ записи не касаются рабочих поверхностей дисков. Обычно ЖД я-ся несъемным, постоянным устройст-м комп-ра. Характеристики ЖД: объем диска;среднее время доступа (7-9 мкс); скорость вращения(7200 и 10800 об./мин); скорость передачи данных(100 Мб/с); стандарт интерфейса(EIDE,SCSI  и RAID); фирма-производитель (IBM, Fujitsu, Seagate, Quantum,Western Digital.

 

Структурная схема машины фон Неймана

 

•  Устройство управления (УУ) обеспечивает автоматическое выполнение программы: выбирает и дешифрует очередную команду, извлекает значения операндов из памяти.
• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными.
• УУ и АЛУ в современных ЭВМ совмещены в единое устройство – процессор.
• В архитектуре современных ЭВМ могут существовать дополнительные устройства, отвечающие за выполнение специальных задач: сопроцессоры для операций с плавающей точкой, контроль и мультиплексирование устройств ввода-вывода, обслуживание скоростных внешних запоминающих устройств и т.п. Начиная с ЭВМ третьего поколения, архитектура ВС имеет тенденцию к децентрализации.

 

 

Представление данных в компьютере

 

При компьютерной обработке информации приходится иметь  дело с текстовыми, графическими, звуковыми  и др. данными.

Множество всех символов, с помощью кот-го записывается текст н-ся алфавитом, а число символов в алфавите – его мощностью. Для представ-я текстовой информации в компьютере используется алфавит мощностью 256 символов. Каждый символ занимает 1 байт памяти. Все символы компьют-го алфавита пронумерованы от 0 до 255. Каждому номеру соответствует двоичный код от 00000000 до 11111111. Таблица, в которой всем символам комп-го алф-та поставлены в соответсвие порядковые номера, н-ся таблицей кодировки или кодовая таблица. Самой распространенной кодовой таблицей я-ся ACSII. Он состоит из 128 символов.