1. Архитектура и принципы работы компьютера




Название1. Архитектура и принципы работы компьютера
Дата публикации17.10.2016
Размер9,76 Kb.
ТипДокументы
1. Архитектура и принципы работы компьютера. 11 кл.
ЭВМ – электронно-вычислительная машина, компьютер. Ещё в 1823 году Чарльз Бэббидж описал устройство механического компьютера, соответствующее современным ЭВМ. Он предположил, что компьютер должен иметь:

1) внутреннюю память («склад»);

2) процессор из арифметико-логического устройства («фабрики»), выполняющей арифметические и логические операции, и устройства управления («конторы»), координирующие работу всех устройств ЭВМ;

3) устройства ввода-вывода;

4) внешнюю память.

Исходя из этих принципов, строится магистрально-модульная структура современного компьютера. Магистрально-модульный принцип построения компьютера заключается в том, что все модули связаны между собой через одну общую магистраль, по которой происходит обмен информацией между ними. Модули не зависимы. Модульность позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.


ЭВМ состоит из блоков-модулей, которые не зависят друг от друга и выполняют различные функции. Модули – это различные устройства компьютера. Для удобства передачи информации все устройства компьютера пронумерованы, т.е. имеют свой адрес. Каждое устройство подключается к определенному порту (разъему). Многие необходимые дополнительные устройства интег­рированы в современные материнские (системные) платы: сетевая карта, внутренний модем, сетевой адаптер беспро­водной связи Wi-Fi, контроллер IEEE 1394 для подключе­ния цифровой видеокамеры, звуковая плата и др.

Основными модулями являются внутренняя память, которая разделяется на оперативную (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство) и постоянную (ПЗУ - ), и процессор, который состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ). АЛУ выполняет обработку информации. УУ управляет обработкой информации. Устройство управления пересылает информацию от одного модуля к другому ориентируясь по их адресам. Если в процессоре 2 АЛУ, его называют двуядерным.

Модули сообщаются через магистраль, представляющую собой пучок проводов (3шины). Магистраль - внутренний канал связи ЭВМ, служащий для обмена информацией между устройствами (модулями). К магистрали подключаются не только процессор и оперативная память, но и периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией в виде последовательностей из нулей и единиц, реализованных элек­трическими импульсами.

^ Основные характеристики магистрали:

1) разрядность, соответствующая количеству одновременно проводимых сигналов. (Чаще всего встречаются 8-ми, 16-ти, 32-х, 64-х разрядные шины.)

2) пропускная способность – количество передаваемой информации в единицу времени.

Быстродействие процес­сора, оперативной памяти и периферийных устройств суще­ственно различается. Быстродействие устройства зависит от тактовой частоты обработки данных (обычно измеряется в мегагерцах — МГц) и разрядности, т. е. количества битов данных, обрабатываемых за один такт. (Такт — это промежуток времени между подачами электрических импульсов, син­хронизирующих работу устройств компьютера.)

Соответственно, скорость передачи данных (пропускная способность) соединяющих эти устройства шин также долж­на различаться. Пропускная способность шины (измеряется в бит/с) равна произведению разрядности шины (измеряется в битах) и частоты шины (измеряется в герцах — Гц, 1 Гц = 1 такт в секунду):

пропускная способность шины = разрядность шины х частота шины.
Частота процессора. В процессоре используется внут­реннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. Напри­мер, в процессорах используется коэффициент умножения частоты 8. Это означает, что процессор за один такт шины способен генерировать 8 своих внутренних так­тов и, следовательно, частота процессора составляет 400 МГц • 8 = 3,2 ГГц.

Важнейшей частью материнской платы являет­ся чипсет, который во многом определяет архитектуру со­временного персонального компьютера. Современные ком­пьютеры содержат две основные большие микросхемы чипсета:

  • контроллер-концентратор памяти, или ^ Северный мост (англ. North Bridge), который обеспечивает работу процессора с оперативной памятью и с видеоподсисте­мой;

  • контроллер-концентратор ввода/вывода, или Южный мост (англ. South Bridge), обеспечивающий работу с внешними устройствами.


^ Увеличение производительности процессора. Увеличе­ние производительности процессоров за счет увеличения частоты имеет свой предел из-за тепловыделения. Выделе­ние процессором теплоты Q пропорционально потребляемой мощности Р, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату частоты v :

Q - Р ~ v2.

Уже в настоящее время для отвода тепла от процессора используются массивные воздушные кулеры, состоящие из вентилятора и металлических теплоотводящих ребер.

Увеличение производительности процессора, а значит и компьютера, достигается за счет увеличения количества ядер процессора (арифметических логических устройств). Вместо одного ядра процессора используются два или четы­ре ядра, что позволяет распараллелить вычисления и повы­сить производительность процессора.
Все устройства снабжены контроллерами (адаптерами) - электронными схемами, управляющими работой отдельных устройств компьютера. Контроллер получает сигнал от процессора и перекодирует его в коды, понятные устройству. А сигналы от устройства он перекодирует в сигналы, понятные процессору. Например, контроллер дисплея, получив сигнал 01000001, преобразует его в сигнал электронно - лучевой трубке изобразить на экране букву "А". На схеме контроллеры обозначены .

Для успешной совместной работы устройств необходимо наличие сходных интерфейсов. Интерфейс –способ общения. Для устройств интерфейс – совокупность шин, связывающих между собой два модуля, и программа, определяющая порядок обмена информацией между ними. Такая программа называется драйвером. Для каждого устройства под каждую операционную систему и каждую конфигурацию компьютера необходима своя программа – драйвер. Обычно драйвера распространяются заводами-изготовителями на дисках вместе с устройствами. Также их можно найти на сайтах заводов-изготовителей устройств.
Рассмотрим, какие же шины составляют магистраль.

^ Системная шина. Между Северным мос­том и процессором данные передаются по системной шине (FSB от англ. FrontSide Bus). В наиболее быстрых компью­терах (2008 год) частота системной шины составляет 400 МГц. Однако между Северным мостом и процессором эффективная частота передачи данных в 4 раза выше. Та­ким образом, процессор может получать и передавать дан­ные с частотой 400 МГц • 4 = 1600 МГц. Так как разряд­ность системной шины равна разрядности процессора и составляет 64 бита, то пропускная способность системной шины равна:

^ 64 бита • 1600 МГц = 102400 Мбит/с = = 100 Гбит/с = 12,5 Гбайт/с.

64 бита • 1600 МГц = 102 400 Мбит/с = = 100 Гбит/с = 12,5 Гбайт/с - 12 800 Мбайт/с.

Модули памяти маркируются своей пропускной способностью, выраженной в Мбайт/с: РС4200, РС8500, PC ^ 12800 и др.

Шина PCI Express. По мере усложнения графики приложений требования к быстродействию шины, связывающей видеопамять с процессором и оперативной па­мятью, возрастают.

В настоящее время для подключения видеоплаты к се­верному мосту все большее распространение получает шина PCI Express (Peripherial Component Interconnect bus Express — ускоренная шина взаимодействия периферийных устройств). Пропускная способность этой шины может дос­тигать 32 Гбайт/с.

К видеоплате с помощью аналогового разъема VGA (Video Graphics Array — графический видеоадаптер) или цифрового разъема DVI (Digital Visual Interface — цифровой видеоинтерфейс) подключается электронно-лучевой или жидкокристаллический монитор или проектор.

Шина SATA. Устройства внешней памя­ти (жесткие диски, CD- и DVD-дисководы) подключаются к южному мосту по шине SATA (англ. Serial Advanced Technology Attachment — последовательная шина подклю­чения накопителей), скорость передачи данных по которой может достигать 300 Мбайт/с.

Шина USB. Для подключения принтеров, сканеров, цифровых камер и других периферийных уст­ройств обычно используется шина USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина). Эта шина об­ладает пропускной способностью до 60 Мбайт/с и обеспечи­вает подключение к компьютеру одновременно до 127 пери­ферийных устройств (принтер, сканер, цифровая камера, Web-камера, модем и др.).

^ Шина памяти. Обмен данными между се­верным мостом и оперативной памятью производится по шине памяти, частота которой может быть больше (напри­мер, в 4 раза), чем частота системной шины. У современных модулей памяти (DDR3 от англ. double-data-rate) частота шины памяти может составлять 400 МГц • 4 = 1600 МГц, т. е. оперативная память получает данные с такой же часто­той, что и процессор.
В 1946 году Джон фон Нейман сформулировал три принципа работы компьютера:

  1. Принцип произвольного доступа к основной памяти.

Память состоит из пронумерованных ячеек, каждая из которых может содержать набор символов двоичной системы. Время доступа (чтения/записи) к информации в оперативной памяти не зависит от адреса ячейки.

  1. ^ Принцип хранимой информации

Одна и та же последовательность нулей и единиц, хранимая в ячейке памяти, может рассматриваться ЭВМ и как число, и как команда. (Поэтому процессор не различает, что он обрабатывает в данный момент времени.)

  1. ^ Принцип программного управления.

Процессор может выполнять определенный набор операций над данными, хранящимися в памяти ЭВМ. Набор определяется устройством процессора. Например, процессор умеет складывать, сдвигать и инвертировать содержимое ячейки памяти поразрядно, перемещать информацию из одной ячейки памяти в другую. Но это умеет делать и калькулятор. ЭВМ отличается от других счетных устройств тем, что она может без участия человека выполнить не одну элементарную команду, а несколько, следующих друг за другом в определенном порядке - целую программу. Программа - упорядоченная последовательность указаний, записанных на языке понятном ЭВМ, и ведущая к решению поставленной задачи
Контрольные вопросы:

  1. В чем заключается магистрально - модульный принцип устройства ЭВМ? Какова его схема?

  2. Каковы основные характеристики магистрали?

  3. Для чего нужны контроллеры и драйвера?

  4. Какие устройства обмениваются информацией через Северный мост?

  5. Какие устройства обмениваются информацией через Южный мост?

  6. Какие вы знаете шины и для чего они?

  7. В чем заключается принцип произвольного доступа?

  8. В чем заключается принцип хранимой информации?

  9. В чем заключается принцип программного управления?

  10. Что такое программа?



Похожие:

1. Архитектура и принципы работы компьютера iconОсновные компоненты компьютера, их функциональное назначение и принципы...
По своему назначению компьютер это универсальный прибор для работы с информацией. По принципам своего устройства компьютер это модель...
1. Архитектура и принципы работы компьютера iconI. Информация. Двоичное кодирование информации 2
Тест Архитектура компьютера. Магистрально-модульный принцип построения компьютера. Процессор и оперативная память 7
1. Архитектура и принципы работы компьютера iconТесты по информатике тест по теме «Архитектура и программное обеспечение компьютера»
«Программа, хранящаяся во внешней памяти, после вызова на выполнение попадает в и обрабатывается»
1. Архитектура и принципы работы компьютера iconАрхитектурой компьютера называется ее логическая организация, структура...
Архитектура компьютеров стандартизирована с целью выполнения программ различными компьютерами
1. Архитектура и принципы работы компьютера iconКалендарно-тематический план по информатике 10 класс (профильный уровень) №
Архитектура компьютера. Магистраль: шина данных, шина адреса, шина управления. Шины периферийных устройств
1. Архитектура и принципы работы компьютера iconАрхитектура и структура пк. Основные принципы Джона фон Неймана
Трансляторы языков программирования. Основные виды ошибок в программах. Основные элементы блок-схем
1. Архитектура и принципы работы компьютера icon2 История и архитектура персональных компьютеров 201
Эвм. И то, что в современ­ном мире компьютеры можно встретить в офисах, школах, детских садах, квартирах, стало возможным благодаря...
1. Архитектура и принципы работы компьютера iconВопросы компьютеризации, влияние компьютера на здоровье человека...
И поэтому мы решили исследовать зависимость учащихся школы от компьютера, влияние компьютера на здоровье школьника и к каким изменениям...
1. Архитектура и принципы работы компьютера icon2. Программное обеспечение компьютера. 11кл
Персональный компьютер не может работать без программного обеспечения. Для компьютера разработано множество программ. В зависимости...
1. Архитектура и принципы работы компьютера iconЛекция. Архитектура микропроцессора лекция. Архитектура микропроцессора
Потребитель, воспринимает мп как нечто цельное, имеющее внешние потребительские свойства, заложенные в его архитектуру
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
dopoln.ru
Главная страница