Принципы построения вычислительных машин

      СК  – обслуживают высокоскоростные, отдельные устройства.

      Применительно к ПЭВМ архитектура приняла упрощенный вид архитектуры малых машин (принцип открытой архитектуры, где главным элементом является системная магистраль). Ядро ПЭВМ образует процессор и основная память. 
Подключение всех остальных устройств осуществляется через адаптеры 
(устройства сопряжения).

2. Обобщенная архитектура ПЭВМ

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

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

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

    При первом знакомстве с ЭВМ считают, 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 сохраняются в БР. Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т. е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

2. Программа — это набор команд (инструкций), составленный человеком и выполняемый ЭВМ. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции.

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

    Элементарными операциями для процессора являются арифметические и логические действия, перемещение данных между регистрами процессора, 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.

    Сделаем образное сравнение работы системной  шины с работой почты. По шине данных пересылаются письма в места, адреса которых указаны на шине адреса. Шина управления следит, чтобы письма при движении не мешали друг другу и перемещались по очереди. Под письмами нужно понимать операнды (данные и команды), которыми обмениваются отдельные блоки ЭВМ.

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

3. Устройства  памяти ЭВМ 

1. Память компьютера - совокупность устройств для хранения программ, вводимой информации, промежуточных результатов и выходных данных. Классификация памяти представлен на рисунке:  
   

2. Внутренняя  память предназначена для хранения относительно небольших объемов информации при ее обработке микропроцессором.
3. Внешняя память предназначена для длительного хранения больших объемов информации независимо от того включен или выключен компьютер.
4. Энергозависимой называется память, которая стирается при выключении компьютера.
5. Энергонезависимой называется память, которая не стирается при выключении компьютера.

      К энергонезависимой внутренней памяти относится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Содержимое ПЗУ устанавливается на заводе-изготовителе и в дальнейшем не меняется. Эта память составлена из микросхем, как правило, небольшого объема. Обычно в ПЗУ записываются программы, обеспечивающие минимальный базовый набор функций управления устройствами компьютера. При включении компьютера первоначально управление передается программе из ПЗУ, которая тестирует компоненты компьютера и запускает программу-загрузчик операционной системы.

    Существует  несколько разновидностей памяти: оперативная, постоянная, внешняя, кэш, CMOS (КМОП), регистровая. Существование целой иерархии видов  памяти объясняется их различием по быстродействию, энергозависимости, назначению, объему и стоимости. Многообразие видов памяти помогает снять 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.

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

    Наилучшим 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.

7. Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие. В ЭВМ число запоминающих устройств с этим видом памяти может быть различным. В современных ЭВМ имеется два-три запоминающих устройства этого вида.

    Кэш-память первого уровня располагается внутри процессора, а кэш-память второго уровня — вне процессора (на так называемой материнской плате).

    В переводе с английского языка  слово cache (кэш) 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 сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память (и обратно). Работа кэш-памяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания новых данных и команд).

    Этот  вид памяти уменьшает противоречие между быстрым процессором и  относительно медленной оперативной  памятью.

    Кэш-память 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.

    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.

8. 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 программ, 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 не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют тест-мониторные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой) и др.

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

    Перспективным видом постоянной памяти является память с электрическим способом стирания и записи информации (FLASH-память), которая  при острой необходимости позволяет  перепрограммировать ПЗУ и тем  самым оперативно улучшить характеристики ЭВМ.

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

    К устройствам ввода информации относятся: клавиатура, мышь, трекбол, джойстик, трекпойнт, трекпад, сканер, сенсорный экран, световое перо, информационные перчатки, информационный костюм, шлем, джойстринг, диджитайзер, цифровая видеокамера, микрофон, датчики и др.

4. Устройства ввода-вывода

      Компьютер обменивается информацией с внешним  миром с помощью периферийных устройств. Только благодаря периферийным устройствам человек может взаимодействовать с компьютером, а также со всеми подключенными к нему устройствами. Любое подключенное периферийное устройство в каждый момент времени может быть или занято выполнением порученной ему работы или пребывать в ожидании нового задания. Влияние скорости работы периферийных устройств на эффективность работы с компьютером не меньше, чем скорость работы его центрального процессора. Скорость работы внешних устройств от быстродействия процессора не зависит. Наиболее распространенные периферийные устройства приведены на рисунке:

      Периферийные  устройства делятся на устройства ввода  и устройства вывода. Устройства ввода преобразуют информацию в форму понятную машине, после чего компьютер может ее обрабатывать и запоминать. Устройства вывода переводят информацию из машинного представления в образы, понятные человеку.

      Ниже  приведена классификация устройств  ввода:

1. Самым известным  устройством ввода информации является клавиатура (keyboard) – это стандартное устройство, предназначенное для ручного ввода информации. Работой клавиатуры управляет контроллер клавиатуры, расположенный на материнской плате и подключаемый к ней через разъем на задней панели компьютера. При нажатии пользователем клавиши на клавиатуре, контроллер клавиатуры преобразует код нажатой клавиши в соответствующую последовательность битов и передает их компьютеру. Отображение символов, набранных на клавиатуре, на экране компьютера называется эхом. Обычная современная клавиатура имеет, как правило, 101-104 клавиши, среди которых выделяют алфавитно-цифровые клавиши, необходимые для ввода текста, клавиши управления курсором и ряд специальных и управляющих клавиш. Существуют беспроводные модели клавиатуры, в них связь клавиатуры с компьютером осуществляется посредством инфракрасных лучей.