Архитектура компьютера. Назначение основных устройств

Российский Государственный университет

нефти и газа им. И.М. Губкина

на тему:

«Архитектура  компьютера. Назначение  основных  устройств».

Выполнил: Захаров Дмитрий ЭЭ-11-01

Приняла: Бирюкова Наталья Васильевна

Дата: 12.04.2012

Москва 2012

1

Захаров Дмитрий. РГУ Нефти и Газа им. И.М. Губкина.

Архитектура  компьютера. Назначение  основных  устройств.

ВВЕДЕНИЕ

Компьютер в жизни человека занимает далеко не последнее место. Нужно знать его, уметь им пользоваться. Не каждый человек, который работает на компьютере, представляет себе полностью точный состав ПК. Поэтому в своей работе я хочу изучить особенности ПЭВМ. Изучить устройство персонального компьютера и его основных компонентов. К каждому компоненту подойти более подробно, изучив, все его особенности.

Основные цели:

       Изучение архитектуры современного персонального компьютера (ПК).

       Получение знаний об аппаратной части компьютера и его технических характеристик и функциональных возможностей.

Архитектура персонального компьютера.

Компьютер — это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передач» информации. Под архитектурой персонального компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.

В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом.
 

       Принцип двоичного кодирования. Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

       Принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
 

       Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

       Принцип последовательного программного управления. Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.

·                   Принцип условного перехода. Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. (Сам принцип был сформулирован задолго до Джона фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако он логически включен в фон-неймановский набор как дополняющий предыдущий принцип.)

Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру.

Теперь собственно о самой структуре.

Обычно ПЭВМ включает три основных устройства: системный блок, клавиатуру и дисплей (монитор).

Однако для расширения функциональных возможностей ПЭВМ можно подключить различные дополнительные периферийные устройства, в частности: печатающие устройства (принтеры), накопители на магнитной ленте (стримеры), различные манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, световое перо), устройства оптического считывания изображений (сканеры), графопостроители (плоттеры) и др.

Эти устройства подсоединяются к системному блоку с помощью кабелей через специальные гнезда (разъемы), которые размещаются обычно на задней стенке системного блока.

В некоторых моделях ПЭВМ при наличии свободных гнезд дополнительные устройства вставляются непосредственно в системный блок, например, модем для обмена информацией с другими ПЭВМ через телефонную связь или стример для хранения больших массивов информации.

Стри́мер (от англ. streamer), также ле́нточный накопи́тель — запоминающее устройство на принципе магнитной записи на ленточном носителе, с последовательным доступом к данным, по принципу действия аналогичен бытовому магнитофону.

ПЭВМ, как правило, имеет модульную структуру. Все модули связаны с системной магистралью (шиной).

Системная магистраль.

Она выполняется в виде совокупности шин, используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Количество линий в адресно-информационной шине определяется разрядностью кодов адреса и данных, а количество линий в шине управления - числом управляющих сигналов, используемых в ПЭВМ.

Системный блок.

Являясь главным в ПЭВМ, этот блок включает в свой состав: центральный микропроцессор, сопроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках и другие функциональные модули. Набор модулей определяется типом ПЭВМ. Пользователи по своему желанию могут изменять конфигурацию ПЭВМ, подключая дополнительные периферийные устройства.

В системный блок может быть встроено звуковое устройство, с помощью которого пользователю удобно следить за работой машины, вовремя обращать внимание на возникшие сбои в отдельных устройствах или на возникновение необычной ситуации при решении задачи на ПЭВМ. Со звуковым устройством часто связан таймер, позволяющий вести отсчет времени работы машины, фиксировать календарное время, указывать на окончание заданного промежутка времени при выполнении той или иной задачи.

Контроллеры.

Эти устройства служат для управления внешними устройствами (ВУ). Каждому ВУ соответствует - свой контроллер. Электронные модули-контроллеры реализуются на отдельных печатных платах, вставляемых внутрь системного блока. Такие платы часто называют адаптерами ВУ (от адаптировать - приспосабливать). После получения команды от микропроцессора контроллер функционирует автономно, освобождая микропроцессор от выполнения специфических функций, требуемых для того или другого конкретного ВУ.

Контроллер содержит регистры двух типов - регистр состояния (управления) и регистр данных. Эти регистры часто называют портами ввода-вывода. За каждым портом закреплен определенный номер - адрес порта. Через порты пользователь может управлять ВУ, используя команды ввода-вывода. Программа, выполняющая по обращению из основной выполняемой программы операции ввода-вывода для конкретного устройства или группы устройств ПЭВМ, входит в состав ядра операционной системы ПЭВМ.

Для ускорения обмена информацией между микропроцессором и внешними устройствами в ПЭВМ используется прямой доступ к памяти (ПДП). Контроллер ПДП, получив сигнал запроса от внешнего устройства, принимает управление обменом на себя и обеспечивает обмен данными с ОП, минуя центральный микропроцессор. В это время микропроцессор продолжает без прерывания выполнять текущую программу. Прямой доступ к памяти, с одной стороны, освобождает микропроцессор от непосредственного обмена между памятью и внешними устройствами, а с другой стороны, позволяет значительно быстрее по сравнению с режимом прерываний удовлетворять запросы на обмен.

Микропроцессор.

Ядром любой ПЭВМ является центральный микропроцессор, который выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков ПЭВМ.

Конструктивно МП, как правило, выполнен на одном кристалле (на одной СБИС – сверхбольшой интегральной схеме). В состав МП входят:

* центральное устройство управления;

* арифметико-логическое устройство;

* внутренняя регистровая память;

* КЭШ-память;

* схема формирования действительных адресов операндов для обращения к оперативной памяти;

* схемы управления системной шиной и др.

Рассмотрим структуру и функционирование микропроцессора на примере разработанной фирмой Intel модели 486.

АЛУ выполняет логические операции, а также арифметические операции в двоичной системе счисления и в двоично-десятичном коде, причем арифметические операции над числами, представленными в форме с плавающей точкой, реализуются в специальном блоке. В некоторых конфигурациях с этой целью используется арифметический сопроцессор. Он имеет собственные регистры данных и управления, работает параллельно с центральным МП, обрабатывает данные с плавающей точкой.

Устройство управления микропроцессорного типа обеспечивает конвейерную обработку данных с помощью блока предварительной выборки (очереди команд).

Блок предварительной выборки команд и данных осуществляет заполнение очереди команд длиной 32 байта, причем выборка байтов из памяти выполняется в промежутках между магистральными циклами команд.

Производительность микропроцессора значительно повышается за счет буферизации часто используемых команд и данных во внутренней КЭШ-памяти размером (в данном случае) 8 Кбайт. При этом сокращается число обращений к внешней памяти. Внутренняя КЭШ-память имеет несколько режимов работы, что обеспечивает гибкость отладки и выполнения рабочих программ.

Блоки формирования адресов операндов (диспетчер памяти) состоит из блока сегментации и блока страничной адресации. Физический адрес ячейки памяти формируется последовательно: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы.

В МП i486 реализуются два режима работы - режим реальных адресов и многозадачный режим (защищенный режим).

В режиме реальных адресов выполняется расширенный набор команд над 32-разрядными операндами. В этом режиме МП i486 работает совместимо с МП i086. При работе МП i486 в режиме реальных адресов применяется относительная адресация.

В многозадачном (защищенном) режиме работы МП i486 применяется виртуальная адресация, соединяющая сегментацию памяти и страничную адресацию.

Сегментация памяти является средством управления пространством логических адресов. Сегментированная память представляет собой набор блоков, характеризуемых определенными атрибутами, такими, как расположение, размер, тип (стек, программа, данные), класс защиты памяти. В МП i486 каждой задаче доступно, до 16384 сегментов размером до 4 Гбайт каждый. Таким образом, каждая задача может использовать до 64 Тбайт виртуальной памяти.

Страничная адресация действует на более низком уровне. Каждый сегмент делится на страницы размером по 4 Кбайт, которые могут размещаться в любом месте памяти.

Сегментация полезна для организации в памяти локальных модулей. Это инструмент прикладного программиста, в то время как страничное распределение удобно системному программисту для эффективного использования физической памяти ПЭВМ.

В состав внутренней памяти МП входят доступные программисту функциональные регистры: регистры общего назначения, указатель команд, регистр флагов и регистры сегментов.

Восемь 32-разрядных регистров общего назначения используются для хранения данных и адресов. Они обеспечивают работу с данными разрядностью 1, 8, 16, 32 и 64 бита и адресами размером 16 и 32 бита. Каждый из таких регистров имеет свое имя, например ЕАХ или ESP.

32-разрядный указатель команд содержит смещение при определении адреса следующей команды.

32-разрядный регистр флагов указывает признаки результата выполнения команды.

Регистры сегментов содержат значения селекторов сегментов, определяющих текущие адресуемые сегменты памяти.

Кроме вышеуказанных, регистровая память МП содержит регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой, системные и некоторые другие регистры.

Устройство управления микропроцессора обеспечивает многозадачность. Многозадачность - способ организации работы ПЭВМ, при котором в ее памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких задач. В составе МП i486 имеются аппаратно-программные средства, позволяющие эффективно организовать многозадачный режим, в том числе системы прерывания и защиты памяти.

Система прерываний обрабатывает запросы на прерывание, как от внешних устройств, так и от внутренних блоков МП. Поступление запроса на прерывание от внутреннего блока МП свидетельствует о возникновении исключительной ситуации, например о переполнении разрядной сетки. Внешнее прерывание может быть связано с обслуживанием запросов от периферийных устройств. Требуя своевременного обслуживания, внешнее устройство посылает запрос прерывания микропроцессору. Микропроцессор в ответ приостанавливает нормальное выполнение текущей программы и переходит на обработку этого запроса, чтобы в дальнейшем выполнить определенные действия по вводу-выводу данных. После совершения таких действий происходит возврат к прерванной программе. МП i486 способен обрабатывать до 256 различных типов прерываний, причем первые 32 типа отведены для внутрисистемных целей и недоступны пользователю.

Защита памяти от несанкционированного доступа в многозадачном режиме осуществляется с помощью системы привилегий, регулирующих доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности.

Защищенность определяется уровнем привилегии, требуемым для доступа к соответствующему сегменту. Уровни привилегии задаются номерами от 0 до 3. Наиболее защищенная область памяти - отведенная под ядро операционной системы - имеет уровень 0. При обращении программы к сегментам программ или данных в защищенном режиме происходит проверка уровня привилегии, и в случае, если этот уровень недостаточен, происходит прерывание.

Обмен информацией между блоками МП происходит через магистраль микропроцессора, включающую 32-разрядную шину адреса, 32-разрядную двунаправленную шину данных и шину управления.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и регистров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина данных обеспечивает передачу информации между МП, памятью и периферийными устройствами. По этой шине возможна пересылка 32, 16 и 8-разрядных данных. Шина двунаправленная, т.е. позволяет осуществлять пересылку данных, как в прямом, так и в обратном направлении.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов - управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и т.д.

Внутренняя память ПЭВМ состоит из оперативной памяти и постоянной памяти (ПП).

Оперативная память (ОП) ПЭВМ.

Она построена на БИС или СБИС и является энергозависимой: при отключении питания информация в ОП теряется. В оперативной памяти хранятся исполняемые машинные программы, исходные и промежуточные данные и результаты. Емкость ОП в ПЭВМ измеряется в Килобайтах и Мегабайтах. Иногда адресное пространство увеличивается до Гигабайта. В наиболее распространенных конфигурациях ПЭВМ емкость ОП составляет 1-16 Мбайт.