Сделай Сам Свою Работу на 5

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.

В схеме ЭВМ появились дополнительные устройства, которые имели такие назва­ния: процессоры ввода-вывода, устройство управления обменом информацией, канал ввода-вывода. Последнее получило наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и парал­лельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

В персональных компьютерах, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, про­изошло дальнейшее изменение структуры (рис. 4). Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины,представляющей собой линии переда­чи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных со­единений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

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.



©2015- 2017 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.