Структурные схемы и взаимодействие устройств компьютера

Принципы построения компьютера

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В его основе лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

«Алгоритм- конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций». (Стандарт ISO 2382/1-84 г.).

Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов компьютеров. Суть его заклю­чается в следующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть пред­ставлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов - ко­манд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Программы и обрабатывае­мые ими данные должны совместно храниться в памяти ЭВМ.

Операнды - переменные, значения которых участвуют в операциях преобра­зования данных.

Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой про­граммы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В ка­честве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и другая информация) кодируется двоичным кодом (цифрами 0 и 1). Поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ, практически не различимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике, по контексту.

Выполнение каждой команды программы предполагает многократное обращение к памяти.В первых структурах ЭВМ использовалось централизованное управление, при котором одна и та же аппаратура выполняла и основные, и вспомогательные действия. Эволюция вычис­лительной техники потребовала децентрализации.

Децентрализация построения и управлениявызвала к жизни такие элементы, ко­торые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:

• модульность построения;

• магистральность;

• иерархия управления.

Модульность построенияпредполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально логических и конструктивно законченных устройств (про­цессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адапта­ции и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность наращи­вания вычислительной мощи, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособле­ния ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользовате­лей. В качестве основных средств подключения и объединения модулей в систему ис­пользуются магистрали, или шины. Стандартная система сопряжения (интерфейс) обес­печивает возможность формирования требуемой конфигурации, гибкость структуры и адаптацию к изменяющимся условиям функционирования

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распро­странен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились вычислительные системы, содержащие несколько вычислителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллельно. Внутри самой ЭВМ произошло еще более рез­кое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специали­зированные процессоры, например, сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с пла­вающей точкой, матричные процессоры и др.

Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации оборудова­ния, номенклатуры технических и программных средств, средств сопряжения - интер­фейсов, конструктивных решений, унификации типовых элементов замены, элементной базы и нормативно-технической документации. Все это способствует улучшению техни­ческих и эксплутационных характеристик ЭВМ, росту технологичности их производства.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию струк­туры компьютера.Главный или центральный модуль системы определяет последова­тельность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжа­ют работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правильной координации всех работ. Подключаемые модули могут в свою очередь использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющими сигналами, адресами и данными.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же прин­ципу строится система памяти ЭВМ.

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более слож­ным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в компьютере одно­временно могут обрабатываться несколько программ пользователей.

Структурные схемы и взаимодействие устройств компьютера

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторо­му алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис.

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Введенная ин­формация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специ­альный информационный объект - файл.

Файл- идентифицированная совокупность экземпляров полностью опи­санного в конкретной программе типа данных, находящихся вне програм­мы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций¹.

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое перено­сится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в уст­ройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения про­грамм путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды де­шифрируются устройством управления: определяют код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логиче­ские операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Он каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты вы­полнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Отдельные признаки результатов r (r=0, r<0, r>0 и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычис­лений, передаются на УВыв информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Тесно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор.

Рис. 4. Структурная схема ПК

Ядро ПКобразуют процессор, основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), и видеопамять.

ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто исполь­зуемых программ управления.

Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и др., обеспечивается через соответствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры - специальные устройства управления пери­ферийной аппаратурой. Контроллеры в ПК играют роль каналов ввода-вывода. В качест­ве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени и кон­троллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Способ формирования структуры ПК является достаточно логичным и естествен­ным стандартом для данного класса ЭВМ.

Центральное место в структуре ПК занимает шина.

Шина- это общий канал связи, используемый для обмена информацией между устройствами компьютера.

В первых ПК она была представлена просто набором проводников, предназначен­ных для передачи данных, адресов, питания и сигналов управления. По мере развития вычислительной техники, усложнения структуры компьютеров, увеличения быстродей­ствия устройств и объемов пересылаемых данных, насыщения периферии разнообраз­ными устройствами, в том числе и мультимедийными, единственная шина уже не могла обеспечить эффективной работы.

В современных ПК канал взаимодействия устройств компьютера представлен объединением большого количества шин, работающих в соответствии со старыми и новыми стандартами. Сохранение старых стандартов обеспечивает совместимость, то есть возможность работы с традиционными устройствами, подключаемыми к COM- и LPT-портам.

Организацию согласованной работы шин и устройств выполняют микросхе­мы системной логики, называемые чипсетом (Chipset).

В структуре чипсета за работу высокоскоростных устройств ядра компьютера отвечает North Bridge, NB - северный мост(в некоторых наборах, например Intel 820, его называют Memory Controller Hub, MCH - контроллер памяти,он же и графический контроллер для управления видеосистемой через уско­ренный графический порт Accelerated Graphics Port, AGP). Каналы передачи данных между процессором или двумя процессорами, видеопамятью и опе­ративной памятью имеют пропускную способность более 1 Гбайт/с.

Низкоскоростными устройствами ввода-вывода данных управляет South Bridge, SB (южный мост).В наборе Intel 820 он называется I/O Controller Hub - контроллер, обслу­живающий низкоскоростные устройства ввода-вывода. Именно этот порт согласовывает стандарты обмена данными по различным шинам:

• ISA (Industrial Standard Architecture - промышленная стандартная архитектура) была основной в 1981-1984 годах, несколько раз модернизировалась. Обеспечивает совместимость, надежность и скорость до 8 Мбайт/с при работе со стандартной периферией и данными 8, 16, 32 разрядности;

• MCA (Micro Cannel Architecture - микроканальная архитектура, разработка фир­мы IBM 1988г.) обеспечивала лучшее использование возможностей периферийных устройств;

• EISA, (Extended Industrial Standard Architecture - расширенная промышленная стандартная архитектура, разработанная в 1988 г. сообществом фирм по инициа­тиве фирмы Compaq в ответ на МСА) обеспечивает скорости до 33,32 Мбайт/ с;

• VESA (Video Electronic Standard Association, иногда обозначается как VL-Bus, VLB -разработка комитетом Vesa при инициативе фирмы Nec в 1992-1994 годах) стан­дарт, обеспечивающий работу видеоадаптеров с повышением качества и эффек­тивности работы видеосистем со скоростями 128 и более Мбайт/с. На его основе обмен данными между процессором и видеоадаптером выполнялся в обход шин ввода-вывода;

• PCI (Peripheral Component Interconnect - шина взаимосвязи периферийных компо­нентов, спецификация фирмы Intel) является неотъемлемым атрибутом компью­теров высокого класса, начиная с 1993 года) обеспечивает передачу данных с раз­рядностью, равной разрядности процессора. Частота работы шины - 33 МГц, что обеспечивает при 32 разрядности 32 бит х 33 МГц = 1056 Мбит/с, или 132 Мбайт/с. При 64 разрядности микропроцессора, например для Itanium2, скорость работы возрастает до 264 Мбайт/с;

• USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина, разработки фирмы Intel 1996-1998 гг., предназначенная для подключения нового поколения периферийных устройств: сканеров, принтеров, джойстиков, цифровых камер и др.) обеспечивает скорости передачи данных 12 Мбит/с (1,5 Мбайт/с) по 4 про­водникам. Поддерживает подключение до 127 устройств. Новые версии стандарта имеют еще большие скорости. Для подключения стандартной периферии типа мыши и клавиатуры предусматривается «медленный» подканал со скоростью 1,5 Мбит/с.

Уже только это перечисление шин ПК показывает, что взаимодействие устройств компьютера и организация ввода-вывода данных представляют собой сосредоточие очень многих проблем. Окончательная структура этой части компьютера еще очень да­лека от завершения¹.

История развития вычислительной техники показала, что самым узким местом ЭВМ является связь «процессор-память». Быстродействие памяти во многом определяет общую скорость последовательных вычислений. Поэтому мощность самых новейших микропроцессоров используется лишь на 25-30 %.

С точки зрения пользователя, желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памя­ти не позволяет одновременно удовлетворить этим двум противоречивым требованиям.

Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В составе процессоров имеется сверхоперативное запоминающее устройствоне­большой емкости, образованное несколькими десятками регистров с быстрым временем доступа, составляющим один такт процессора (наносекунды, нс). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно участвующие в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память, или память блокнотного типа. Она представляет собой буферное запоминающее устройство, предназначенное для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайт. Кэш-память, как более быстродействующая, предназнача­ется для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных.

Часть машинных программ и наиболее часто используемых констант, обеспечи­вающих автоматическое управление вычислениями, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерархии находятся внеш­ние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает более низкое быстродействие и очень большая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как абстрактную единую виртуальную (кажущуюся) память. Согласо­ванная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работы с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Основные признаки структур:

- ядро ЭВМ - процессор - единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;

- линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;

- одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типа­ми информации;

- внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат эле­ментарные операции преобразования простых операндов;

- последовательное централизованное управление вычислениями;

- достаточно примитивные возможности устройства ввода-вывода.

Однако, несмотря на все достигнутые успехи, классиче­ская структура не обеспечивает возможностей дальнейшего наращивания производи­тельности. Наметился кризис, обусловленный рядом ее существенных недостатков:

1. практически исчерпаны структурные методы повышения производительности

ЭВМ;

2. плохо развиты средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие массивы данных и др.);

3. несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

4. примитивная организация памяти ЭВМ;

5. низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную об­работку и т.п.

Все эти недостатки аппаратуры приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, привлекаемого для подготовки и решения задач пользователей.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них «встроенного искусственного интеллекта» предполагается дальнейшее усложнение структуры.

Все устройства ЭВМ делятся на центральныеи периферийные. Центральные устрой­ства - полностью электронные, периферийные устройства могут быть либо электронны­ми, либо электромеханическими с электронным управлением.

В состав центральных устройств ЭВМ входят центральный процессор, основная память и ряд дополнительных узлов, выполняющих служебные функции.

В центральных устройствах основным узлом, связывающим микропроцессорный комплект в единое целое, является системная магистраль. Она состоит из трех типов шин: шины данных (ШД), шина адреса (ША), шины управления (ШУ). В состав системной ма­гистрали входят регистры защелки, в которых запоминается передаваемая информация, шинные формирователи, шинные арбитры, определяющие очередность доступа к сис­темной магистрали, и др.

Логика работы системной магистрали, количество разрядов (линий) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении различных устройств ЭВМ к системной магистрали, образуют интерфейс системной шины.

Периферийные устройстваделятся на два вида: внешние ЗУ (НМД, НГМД, НМЛ) и устройства ввода-вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, принтер, мышь, адаптер каналов свя­зи и др.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: