Лекции по "Информатике"

- принцип микропрограммирования, заключающийся в том, что машинный язык не является конечной субстанцией, приводящей в действие процессы в ЭВМ. Процессор имеет в своем составе блок микропрограммного управления. Этот блок для каждой команды на машинном языке генерирует последовательность действий-сигналов для физического выполнения требуемой машинной команды.

Фон – Нейман представлял ЭВМ  в виде наличия следующих устройств  и выполняемых ими функций:

• машина должна состоять из основных органов: орган арифметики, памяти, управления и связи с оператором, чтобы машина не зависела от оператора;
• она должна запоминать не только цифровую информацию, но и команды, управляющие программой, которая должна проводить операции над числами;
• ЭВМ должна различать числовой код команды от числового кода числа;
• у машины должен быть управляющий орган для выполнения команд, хранящихся в памяти;
• в ней также должен быть арифметический орган для выполнения арифметических действий;
• и, наконец, в её состав должен входить орган ввода-вывода

 

 

 

 

3. Назначение и взаимодействие основных устройств компьютера

 

Выполнение программы  процессором

В основе архитектуры любого современного процессора имеется несколько обязательных конструктивных элементов:

 

Процесс выполнения одной команды  программы состоит из нескольких этапов. Прежде всего, команда выбирается из кэш-памяти процессора. Этот этап называется выборкой. После этого выбранная  команда декодируется в машинные команды процессора.

Данный этап называется декодированием. Далее машинные команды процессора поступают в исполнительный блок.

Под вычислительной системой (ВС) понимается совокупность взаимосвязанных  и одновременно функционирующих аппаратно-программных вычислителей, которые реализуют параллельные процессы решения сложных задач, и обладают возможностями автоматической настройки своей структурно-функциональной организации на особенности решаемых задач. Такие ВС получили название высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Выделяют четыре класса архитектур вычислительных систем.

Первый класс ВС называют SISD (Single Instruction stream / Single Data stream) системой или ОКОД (одиночный поток команд и одиночный поток данных) системой. Данный класс представлен однопроцессорной ЭВМ. Под потоком команд понимается любая их последовательность, поступающая для исполнения вычислительным средством (ЭВМ или процессором). При выполнении команд потока требуются операнды (данные), следовательно, поток команд «порождает» поток данных. Таким образом, SISD-архитектура предопределяет такое функционирование ЭВМ, при котором один поток команд управляет обработкой одного потока данных (рис. 3.4а).

Второй класс ВС обозначается как MISD (Multiple Instruction Single Data) система или МКОД (многократный поток команд и однократный поток данных) система. Процессоры МПВС, одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. Такие МПВС получили название магистральных или конвейерных ВС.

К третьему классу относят SIMD (Single Instruction Multiple Data) системы или ОКМД (одиночный поток команд и множественный поток данных) системы. Процессоры МПВС выполняют одну команду над различными данными (рис. 3.4в). МПВС данного типа относят к векторными ВС.

Четвертый класс представляет MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) системы или МКМД (множественный поток команд и множественный поток данных) системы (рис. 3.4г) В таких системах поток команд обрабатывает несколько потоков данных. МПВС данного типа называются матричными ВС.

В виде МПВС создаются и функционируют различные виды мэйнфреймов или суперкомпьютеров. Мэйнфреймы характеризуются наивысшим уровнем производительности и надежности, рассчитаны на практически любые уровни нагрузки, обладают высокой устойчивостью к сбоям и авариям. Они обеспечивают решение любых задач, требующих больших вычислительных ресурсов: от метеорологических прогнозов и изучения управляемого термоядерного синтеза до исследований генома человека и разведки нефти и газодобычи.

Быстродействие мэйнфреймов согласно рейтинга 500 самых высокопроизводительных суперкомпьютеров достигает величины 2,5 Pflops, (1 Pflops=10¹⁵flops) т.е. 2,5 квадриллиона операций с плавающей точкой в секунду.

 

4. Состав и функции микропроцессора ПК

Персональные компьютеры представляют наиболее многочисленный и разнообразный по составу класс ЭВМ. Они используются при решении самых разных задач не только профессиональными программистами, но и специалистами других областей знаний и деятельности.

К ПК (или ПЭВМ) относится ЭВМ, управляемая  одним пользователем и предоставляющая пользователю в каждом сеансе работы все свои ресурсы.

К особенностям, отличающим ПК от других ЭВМ, следует отнести:

1. Универсальный характер использования,  в соответствии с которым на  ПК могут решаться экономические,  научные, производственно-технические, конструкторско-технологические и другие задачи в различных сферах человеческой деятельности.

2. Модульный характер построения архитектуры ПК, позволяющий формировать техническую конфигурацию, определять состав внутренних и внешних устройств ПК в зависимости от характера решаемых задач, требований пользователя и финансовых возможностей.
3. Развитость и разнообразие программного обеспечения (ПО), направленные на решение задач из различных областей знаний и деятельности человека.
4. Небольшие габариты, высокая надежность работы, отсутствие специальных требований к условиям эксплуатации и наличие «дружественного» человеко-машинного интерфейса, дающие возможность устанавливать ПК на рабочие места пользователя.

Первоначально основным признаком ПК служило наличие в нем микропроцессора (МП), выполненного в виде одной микросхемы. В настоящее этот признак перестал быть определяющим, так как МП используются во всех классах ЭВМ.

Классификация ПК. ПК классифицируются по следующим признакам:

1. По размеру ПК делятся на стационарные (Desktop) и переносные ПК. В состав переносных ПК включаются портативные (Laptop), блокнотного типа (Notebook, Netbook) и карманные (Palmtop) ПК.

2. По типу используемых МП  различают ПК, построенные на  процессорах с расширенной системой команд - CISC-процессорах (CISC – Complete Instruction Set Computer), и ПК, основанные на процессорах с сокращенным набором команд – RISC-процессорах (RISC – Reduce Instruction Set Computer). К первой группе ПК относятся ПК с Intel-совместимой архитектурой. Во вторую группу входят ПК Macintosh на МП Power PC (более ранние модели ПК Macintosh выпускались на базе МП Motorola 680х0), компьютеры SUN с процессорами SPARC-архитектуры, компьютеры DEC c МП Alpha и другие менее распространенные ПК.

Необходимо обратить внимание, что  приведенные ПК представляют не отдельные  модели, а программно совместимые  «сверху-вниз» семейства поколений  компьютеров. В дальнейшем материал главы будет относиться только к  Intel-совместимым ПК.

3. Классификация ПК по поколениям МП включает для Intel-совместимых ПК следующие поколения: 8086/8088, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, Сore. В каждом поколении имеются различные модификации моделей МП, различающиеся структурой, техническими характеристиками и ценой.

4. Классификация ПК по назначению  устанавливает четыре группы  ПК:

- массовые ПК, к категории которого  также относятся рабочие станции  клиентов вычислительных сетей; 

- специализированные ПК, ориентированные  на работу в конкретных  предметных областях, например в области медицины, дизайнерской работе и т.д.

- мультимедийные ПК;

- компьютеры, выполняющие функции  серверов в вычислительных сетях.

Архитектура ПК. Структуру ПК рассмотрим на примере обобщенной схемы технической конфигурации ПК, представленной на рис.3.6 Устройства, составляющие внутреннюю конфигурацию ПК, располагаются на системной плате.

К основным устройствам внутренней конфигурации относят: микропроцессор (МП), оперативную память, основной набор  микросхем (ChipSet –набор микросхем), КЭШ-память, а также интерфейсные шины, используемые для связи устройств между собой: системную шину, шины ISA (Industry Standart Architecture – архитектура промышленного стандарта), PCI (Peripheral Component Interconnect – соединение внешних устройств), USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина), PCI Express, генератор тактовых импульсов (ГТИ), адаптеры и порты ввода-вывода.

Микропроцессор представляет собой  сверхбольшую интегральную схему, предназначенную  для выполнения всех арифметико-логических операций, заданных программой, управления вычислительным процессом и координации работы всех устройств компьютера.

Основной набор микросхем (чипсет) включает системный и функциональный контроллеры и микросхемы, которые  определяют основу работы материнской (системной) платы. Системный контроллер обеспечивает передачу данных по системной шине и, соответственно, обмен данными с процессором и кэш-памятью, а также передачу данных по шине памяти и обмен данными с оперативной памятью и с видеоконтроллером. Функциональный контроллер осуществляет обмен данными с системным контроллером и со всеми периферийными устройствами компьютера за исключением монитора. Именно от чипсета зависит, с какими типами процессоров работает материнская плата, какой максимальный объем оперативной памяти, какова скорость обмена данными по шинам компьютера.

Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств  между собой. Системная шина включает в себя:

- шину данных, содержащую провода  и схемы сопряжения для параллельной  передачи всех разрядов числового  кода;

- шину адреса, состоящую из проводов и схем сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

- шину управления для передачи управляющих сигналов во все блоки компьютера.

Внешние или периферийные устройства ПК подключаются к интерфейсным шинам  через адаптеры (или контроллеры) и предназначены для организации интерфейса ПК с пользователем, осуществления операций ввода-вывода и хранения данных. Помимо адаптеров, которые являются чисто техническими устройствами, для работы внешних устройств необходимы еще и специальные программы, которые называются драйверами. Таким образом управление работой внешних устройств, синхронизация их работы с работой других внутренних и внешних устройств ПК осуществляется адаптерами и драйверами. Во многом, благодаря разнообразным внешним устройствам, обеспечивается универсальность использования ПК в различных областях деятельности человека.

 

5. Виды и характеристика внутренней памяти ПК

Программы и данные во время непосредственного  сеанса работы хранятся в основной (оперативной) памяти компьютера.

Еще эту память называют оперативным запоминающим устройством (ОЗУ).

Оперативная память состоит из ячеек памяти одинаковой длины. Каждая ячейка памяти включает в себя элементы памяти, состояние  каждого из которых соответствует  одной двоичной цифре (0 или 1), т.е. одному биту (Bit – Binary Digit).

Совокупность нолей и единиц, хранящихся в элементах одной ячейки, представляет собой содержимое этой ячейки. При этом стандартный размер ячейки равен восьми битам и образует один байт (Byte) информации.

Байт является наименьшей адресуемой единицей оперативной памяти. Для идентификации ячеек в оперативной памяти каждой из них присваивается адрес, представляющий собой номер ячейки.

Современные персональные компьютеры оснащаются оперативной памятью  типов DDR2 SDRAM и DDR3 SDRAM объемом до 4 Гб. Абревиатура DDR2 SDRAM расшифровывается как Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая память с произвольным доступом и с удвоенной скоростью передачи данных.

Передача данных осуществляется по 64-разрядной шине по обеим частям синхросигнала (восходящему — «фронту», и нисходящему — «срезу»), что обеспечивает удвоенную эффективную скорость передачи данных по отношению к ее частоте. Память DDR2 работает на эффективной частоте до 800 МГц, обеспечивая пропускную способность 6400 Мбайт/с. Эффективная частота работы памяти DDR3 (третье поколение) достигает 1333 МГц.

Под синхронной памятью обычно понимается строгая привязка управляющих сигналов и временных диаграмм функционирования памяти к частоте системной шины.

Понятие «динамической» памяти относится ко всем типам оперативной памяти, начиная с самой древней и заканчивая современной DDR3. Помимо динамической памяти существует еще и статическая память. Различие между этими двумя видами памяти заключается в конструктивных особенностях ячеек для хранения отдельных битов.

В статической памяти ячейки построены по принципу триггеров с двумя устойчивыми состояниями «0» или «1». После записи бита в такую ячейку она может прибывать в одном из этих состояний и сохранять записанный бит при наличии электропитания сколь угодно долго. Отсюда и название памяти – статическая. Достоинством статической памяти является ее быстродействие, а недостатками – высокое энергопотребление, высокая стоимость памяти, низкая удельная плотность данных, поскольку одна триггерная ячейка состоит из нескольких транзисторов и, следовательно, занимает много места на кристале.

Набор логических схем ЭВМ, называемый чипсетом, примерно на 90% определяет особенности основной системной (материнской) платы ЭВМ. Название материнская плата произошло от двух английских слов Mother Board.