Міністерство  освіти України

Якийсь  наворочений інститут 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Архітектура та програмне забезпечення комп’ютера

(реферат) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Виконала:

студентка, комсомолка, спортсменка 

__________________ Н.Т.Сверида 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

м.Чернівці, 2002 р.

 

Анотація. 

      Процес  господарської діяльності підприємства супроводжується накопиченням найрізноманітнішої інформації. Необхідною умовою успішного  функціонування підприємства в умовах ринкової економіки є своєчасне  та адекватне реагування на поточні  обставини, яке, в свою чергу, неможливе без правильної та оперативної обробки наявної інформації.

      Для автоматизації даного процесу використовуються електронно-обчислювальні машини (ЕОМ). Розроблено багато типів найрізноманітніших ЕОМ, робота яких базується на різних принципах, однак найбільш розповсюдженими є т.з. цифрові ЕОМ – комп’ютери.

      Сучасний  комп’ютер є надскладною електронною системою із великою номенклатурою функціональних можливостей та фактично безмежною кількістю мажливих станів. Використання комп’ютера надає широкі можливості для збереження та обробки різнотипної інформації, а великий набір периферійних пристроїв дозволяє реалізувати її представлення в будь-якому форматі.

      Для ефективного використання комп’ютера в практичній діяльності необхідне усвідомлення кола завдань, які можуть бути вирішені за його допомогою. Для цього необхідним є розуміння базових принципів побудови та функціонування комп’ютера.

      Предметом розгляду даного реферату є архітектура  комп’ютера – принципи функціонування у поєднанні з функціональними можливостями на прикладі архітектури ПК IBM PC, обладнаного мікропроцесором, сімейства х86 фірми Intel Corporation..

      Реферат містить 20 сторінок друкованого тексту, 6 малюнків та 1 додаток.

      Текст документу набрано та відформатовано за допомогою текстового процесора Word 97 фірми Microsoft.

 

Зміст 

 

1. Вступ.

 

      Електронні  схеми комп’ютера будуються на цифрових (дискретних) логічних елементах, які можуть перебувати в двох стійких станах. Носієм інформації в комп’ютері є напруга, яка може мати високий (high) або низький (low) рівні. Високий рівень напруги називається логічною одиницею, а низький – логічним нулем.

      Числові величини комп’ютері (в тому числі коди символів) представлені в двійковій позиційній системі числення (системі числення з основою 2)¹ Це означає, що для запису будь-якого числа можуть використовуватися лише дві цифри 0 та 1. Двійкова цифра має назву біт². Кожен біт може приймати значення 0 або 1, які в роботі електронних схем представляються відповідно низьким (low) та високим (high) рівнями напруги. Використання двійкової позиційної системи числення зумовлене простотою реалізації логічних елементів, здатних працювати з двійковою інформацією.

      Одиницею  інформації в комп’ютері є один біт. Один біт може приймати лише одне з двох можливих значень, а тому не може бути використаний для представлення великої кількості інформації. Для представлення чисел довільної величини використовується комбінація з 8 біт – байт (Byte). Один байт може зберігати числове значення в межах від 0 до 255. При необхідності представлення чисел більшої величини використовується комбінація двох (машинне слово – Word), чотирьох (подвійне машинне слово – Double Word) байт.

      Комп’ютер може маніпулювати інформацією на рівні байтів, тобто одиницею інформації, з якою працюють підсистеми комп’ютера є комбінація з восьми біт³.

      Будь-яка  інформація в комп’ютері представлена числовими величинами. Кожному текстовому або псевдографічному символу ставиться у відповідність числовий код ASCII в межах від 0 до 255, тобто текстові значення трансформуються в послідовність числових кодів, розмірністю 1 байт⁴, кожен з яких представляє один з символів.

 

2. Структурна схема  та принципи роботи  сучасного комп’ютера.

2.1. Принцип програмного керування.

 

      В основу функціонування комп’ютера покладено принцип програмного керування Чарлза Беббіджа⁵. Цей принцип передбачає наявність обчислювача та програми. Обчислювач – пристрій, який здатний здійснювати над даними елементарні операції, виконання яких в необхідній послідовності приводить до потрібного результату. Такі елементарні операції називаються командами або інструкціями обчислювача. Послідовність команд (інструкцій) називається алгоритмом, а представлення цієї послідовності в формалізованому вигляді, придатному для виконання обчислювачем (т.з. машинне представлення) – програмою обробки. В процесі обробки дані, які підлягають перетворенню, та програма керування процесом перетворення, повинні знаходитись в пам’яті комп’ютера. Для занесення програми і даних до пам’яті призначені пристрої вводу-виводу.

      Враховуючи  вищенаведене, спрощена структурна схема  комп’ютера набуває вигляду:

 На даній  схемі (мал.2.1.1.) зображено основні  компоненти комп’ютера:

• CPU (Central Processing Unit) – центральний процесор;
• MM (Memory Module) – модуль пам’яті;
• IOD (Input\Output Devices) – пристрої вводу-виводу.

     Широкими  стрілками зазначені інформаційні зв’язки між структурними елементами, тобто можливі шляхи транспортування інформації. Тонкі стрілки відображають зв’язки керування та підзвітності пристроїв.

     Модуль  пам’яті реалізує функції тимчасового збереження даних та кодів команд програми в процесі виконання останньої. Взаємодія центрального процесора з пам’яттю забезпечується можливістю виконання двох операцій: читання з пам’яті -- дані, що зберігаються в пам’яті стають відомими центральному процесору, та запису до пам’яті – результати роботи центрального процесора можуть бути занесенні до пам’яті з метою тимчасового їх зберігання.

     Взаємодія користувача з комп’ютером здійснюється через пристрої вводу-виводу. Пристрої вводу-виводу надають можливість останньому здійснювати керівництво процесом виконання програми, а також забезпечують вивід (відображення) результатів роботи в зручному для користувача форматі (оскільки двійкова форма представлення результатів роботи не є найзручнішою для сприйняття людиною).

     Центральний процесор відіграє в системі роль обчислювача і реалізує виконання  програми обробки даних, що знаходяться  в пам’яті; програма перед запуском також розміщується в пам’яті. Процес обробки даних полягає в послідовному читанні центральним процесором з пам’яті команд програми із наступним їх виконанням над даними і формуванням проміжних (тимчасових) результатів. Виконання у необхідному порядку сукупності операцій, описаних програмою приводить до правильного результату, який є метою здійснення обчислень.

      Кожна команда програми, представлена в  пам’яті в двійковому форматі, є однією із набору команд, які можуть бути виконані центральним процесором. Множина команд центрального процесора називається його операційним ресурсом. Команди, що не входять до операційного ресурсу процесора, останнім не виконуються; при цьому робота програми аварійно завершується.

 Принцип програмного  керування Беббіджа реалізується апаратно-програмною моделлю обчислювача, яка використовує цикл керування Дж.Фон-Неймана. (Мал.2.1.2). Даний цикл розбиває процес виконання команди на чотири етапи (фази):

      1. вибірка команди з пам’яті;

      2. декодування команди;

      3. інкримент⁶ лічильника команд;

      4. збереження результату;

До  операційного ресурсу процесора  входять команди, які не формують результату (наприклад – порожня  операція (No OPeration – NOP)), а тому фаза 4 може бути пропущена.

      Доведено, що для реалізації довільного алгоритму  достатньо операційного ресурсу, до якого входять лише 4 команди:

      - пересилка даних з комірки  в комірку⁷;

      - інкримент (або дикремент) лічильника;

      - умовний перехід по співпаданню  слів⁸;

      - безумовна зупинка.

      Операційний ресурс реальних процесорів складається зі 100-400 команд, що значно спрощує процес програмування.

2.2. Архітектура комп’ютера.

 

       Сучасні комп’ютери використовують магістрально-модульну (магістрально-блочну) організацію (мал.2.2.1.), в основу якої покладено поняття модуля – електронної схеми, яка виконує певну функцію в комп’ютері (модуль пам’яті, центральний процесор), та магістралі – сукупності ліній електричного зв’язку, які забезпечує взаємодію модулів.

      Кожен модуль, під’єднаний до магістралі може здійснювати обмін інформацією з іншим модулем. Модулі, які можуть виконувати роль ініціатора обміну, називаються Master (Bus-Master) – вони ж і керують процесом обміну -- генерують необхідні керуючі сигнали та аналізують і адекватно реагують на відповідні сигнали статусу модуля-кореспондента. Модулі, які не можуть керувати процесом обміну інформацією за магістраллю, називаються Slave. Вони аналізують сигнали керування, згенеровані модулем, типу Master і інформують його про свій стан шляхом встановлення відповідних сигналів статусу.

      Деякі з модулів можуть працювати лише як Master (наприклад, центральний процесор), інші – як Slave (наприклад, модуль пам’яті); існують модулі, які можуть працювати як Master і як Slave (наприклад, контролер жорсткого диску). На магістралі можуть бути присутні декілька модулів, типу Master, однак керувати магістраллю одночасно вони не можуть. Конфлікти між модулями, які одночасно намагаються отримати доступ до магістралі, вирішуються спеціальним модулем – арбітром. Завданням арбітра є аналіз претензій на керування магістраллю від пристроїв, типу Master і задоволення запиту лише одного з них. Така схема вирішення конфліктів називається паралельним арбітражем.

      Існують методи послідовного арбітражу, типу Daisy Chain, які не передбачають наявності модуля-арбітра. При використанні даного способу арбітражу функції арбітра виконує сама магістраль. Прикладом такої схеми арбітражу є шина USB –Universal Serial Bus (універсальна послідовна магістраль, призначена для підключення великої кількості периферійних пристроїв).

      Схема на мал.2.2.1. відображає магістрально-модульну архітектуру з паралельним арбітражем.

 

3. Основні компоненти  комп’ютера.

3.1. Пам’ять.

3.1.1. Логічна  організація пам’яті.

 

      Пам’ять комп’ютера (мал.3.1.1.1.) представлена у вигляді неперервного масиву комірок, кожна з якої може зберігати один байт інформації. Кожній комірці пам’яті ставиться у відповідність її номер в масиві. Комірки нумеруються, починаючи з нуля; номер комірки називається адресою, а кількість комірок в масиві називається розміром або об’ємом пам’яті в байтах.

 Пам’ять комп’ютера реалізує три основні функції: прийняття даних (запис інформації), видача даних (читання інформації) та збереження інформації. Процес читання або запису з\до пам’яті називається зверненням або доступом до пам’яті.

      Модуль  пам’яті забезпечує звернення (доступ) до будь-якої комірки пам’яті в межах масиву, при цьому ідентифікація комірки, до якої здійснюється звернення, реалізується шляхом безпосереднього вказування її номера в масиві, тобто адреси.

      Для вказування адреси використовується набір ліній електричного зв’язку, за кожною з яких передається одна двійкова цифра адреси шляхом встановлення низького або високого рівня напруги. Така сукупність ліній електричного зв’язку, які несуть сигнали одного функціонального призначення, називається шиною. Набір ліній, призначених для встановлення адреси комірки пам’яті, нашивається шиною адреси або адресною шиною. Кількість лінй в наборі називається шириною або розрядністю шини і повинна бути достатньою для адресації всіх комірок пам’яті в масиві. В загальному випадку розрядність адресної шини, яка необхідна для адресації всіх комірок модуля пам’яті заданого об’єму, визначається формулою 3.1.1.1.

  (3.1.1.1.) 

де  N –кількість комірок в модулі (об’єм модуля пам’яті).