Оперативное и постоянное запоминающие устройства

Лекция 2.1,2.2 Понятие компьютера, его развитие. Архитектура.

Компьютер (от англ. computer – вычислитель) – это программируемое электронное устройство, которое способно обрабатывать информацию, производить вычисления и выполнять другие задачи. Компьютеры подразделяют на два основных типа:

1) цифровые, оценивающие данные в форме числовых двоичных кодов;

2) аналоговые, анализирующие непрерывно меняющиеся физические величины, которые являются аналогами вычисляемых величин.

В настоящее время под словом «компьютер» понимают именно цифровой компьютер.

Основу компьютеров составляет аппаратура (Hardware) образованная электронными и электромеханическими элементами и устройствами. Принцип работы компьютеров заключается в выполнении программ (Software), которые заданы заранее и четко определены последовательностью арифметических, логических и других операций.

Структура любого компьютера обусловлена общими логическими принципами, на базе которых в нем выделяют следующие главные устройства:

• память, состоящую из перенумерованных ячеек;

• процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логического устройство (АЛУ);

• устройство ввода;

• устройство вывода.

Данные устройства соединяются каналами связи, передающими информацию.

Поколения ЭВМ

Разделение ЭВМ на поколения условно, так как поколения сме­нялись постепенно, поэтому временные границы между поколе­ниями размыты. Поколения ЭВМ разделяют в зависимости от фи­зических элементов или технологии их изготовления, используемых при построении ЭВМ (табл. 8.1). При сравнении быстродействия ЭВМ под операцией понимают операцию над числами с плавающей точкой.

Первое поколение ЭВМ (1951 —1954) строилось на электронных лампах, которые могли быстро переключаться из одного состояния в другое. Лампы имели большие размеры, поэтому ЭВМ первого по­коления, состоящие из десятков тысяч ламп, занимали целые этажи и были энергоемки. Программы записывались в ЭВМ с помощью установки перемычек на особом машинном коде.

Второе поколение ЭВМ (1958 — 1960) строилось на транзисто­рах — полупроводниковых приборах, которые могли находиться в одном из двух состояний. По сравнению с лампами транзисторы имели малые размеры и потребляемую мощность. Увеличение про­изводительности обеспечивалось за счет более высокой скорости переключения и использования обрабатывающих устройств, рабо­тающих параллельно. Площадь, требующаяся для размещения ЭВМ, уменьшилась до нескольких квадратных метров. Программы запи­сывались на перфокарты — картонные карточки, на которых были выбиты или не выбиты дырочки, кодирующие 0 и 1. Программиро­вание осуществлялось на языке Ассемблер, команды которого затем переводились в машинный код.

Третье поколение ЭВМ (1965 —1968) строилось на интегральных схемах (ИС). ИС представляет собой электрическую цепь определен­ного функционального назначения, которая размещается на крем­ниевой основе. ИС содержит сотни и тысячи транзисторных элемен­тов, что позволило уменьшить размеры, потребляемую мощность, стоимость и увеличить надежность системы.ПомимоАссемблера

программирование осуществлялось на языках высокого уровня (ЯВУ), имевших большое количество операторов. Каждый оператор объеди­нял несколько команд языка Ассемблер.

Четвертое поколение ЭВМ (с 1985 г. по сегодняшний день) строилось на больших интегральных схемах (БИС). БИС содержат не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы. Примером БИС является микропроцессор. БИС способствовали по­явлению персональных компьютеров. Увеличение количества тран­зисторов до миллионов привело к появлению сверхбольших ИС (СБИС).

Пятое поколение ЭВМ существует в теории. Основное требо­вание к ЭВМ — машина должна сама по поставленной цели составить план действий и выполнить его. Такой способ решения задачи на­зывается логическим программированием. Элементная база процес­сора — СБИС с использованием опто- и криоэлектроники. Оптоэлек­троника — раздел электроники, связанный с эффектами взаимодей­ствия оптического излучения с электронами в веществах (главным образом в твердых телах) и использованием этих эффектов для гене­рации, передачи, хранения, обработки и отображения информации.

Криоэлектроника (криогенная электроника) — область науки и техники, занимающаяся применением явлений, имеющих место в твердых телах при температуре ниже 120 К (криогенных температурах) в присутствии электрических, магнитных или электромагнитных полей (явление сверхпроводимости), для создания электронных при­боров и устройств.

Структура ЭВМ

Вычислительной называется техническая система способная вы­полнять действия посредством арифметических и логических опера­ций.

ЭВМ (персональный компьютер (ПК)) — это универсальная вы­числительная диалоговая система, реализованная на базе микропро­цессорных средств, компактных внешних запоминающих устройств, способная выполнять последовательность операций над информаци­ей определенной программы. В основе функционирования любой ЭВМ лежит архитектура.

Архитектура — это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодей­ствием основных ее функциональных узлов. В основе архитектуры современных ЭВМ лежат принципы, предложенные американским ученым и теоретиком вычислительной техники Джоном фон Ней­маном.

Обобщенная схема ЭВМ представлена на рис. 8.1.

Рис. 1. Структура ЭВМ

 

 

ЭВМ состоит из системного блока, к которому подключаются монитор и клавиатура. В системном блоке находятся основные ком­поненты ЭВМ:

• ВЗУ — внешние запоминающие устройства (жесткий диск, при­воды CD/DVD/Blu-Ray, флэш-память); некоторые ВЗУ располага­ются внутри системного блока и подключаются к контроллерам ВЗУ, а некоторые — снаружи системного блока и подключаются к портам ввода-вывода;

• ВК — видеокарта (видеоадаптер, видеоконтроллер) формирует изображение и передает его на монитор;

• ИП — источник питания обеспечивает питание всех блоков ЭВМ по системной шине;

• КВЗУ — контроллеры внешних запоминающих устройств управ­ляют обменом информацией с ВЗУ;

• КК — контроллер клавиатуры содержит буфер, в который по­мещаются вводимые символы, и обеспечивает передачу этих симво­лов другим компонентам;

• КПВВ — контроллеры портов ввода-вывода управляют обменом информацией с периферийными устройствами;

• МП — микропроцессор выполняет команды программы, управ­ляет взаимодействием всех компонент ЭВМ;

• ОЗУ — оперативное запоминающее устройство хранит исходные данные и результаты обработки информации во время функциони­рования ЭВМ;

• ПЗУ — постоянное запоминающее устройство хранит программы, выполняемые во время загрузки

• ПУ — периферийные устройства различного назначения: прин­теры, сканнеры, манипулятор «мышь» и др.;

• СА — сетевой адаптер (карта) обеспечивает обмен информаци­ей с локальными и глобальными компьютерными сетями.

 

К устройствам ввода информации относят клавиатуру и такие ПУ, как сканнеры, манипуляторы типа «мышь», джойстики, а к устройствам вывода информации — монитор и такие ПУ, как прин­теры.

Современную архитектуру ЭВМ определяют следующие принци­пы.

1. Принцип программного управления. Обеспечивает автомати­зацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу для решения каждой задачи составляется программа, которая определя­ет последовательность действий ЭВМ.

2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в ОЗУ, что ускоряет процесс ее выполнения.

3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом элементы программ и данных могут записываться в произвольное место ОЗУ, что позволяет обратиться по любому за­данному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

Составные части ЭВМ образуют аппаратное обеспечение ЭВМ (hardware). Рассмотрим эти компоненты ЭВМ.

Микропроцессор

Микропроцессор (МП; CPU — CentralProcessingUnit (централь­ный обрабатывающий модуль)) — центральный блок ЭВМ, управ­ляющий работой всех компонент ЭВМ и выполняющий операции над информацией. Операции производятся в регистрах, составляю­щих микропроцессорную память.

Основные функции МП:

• выполнение команд программы, расположенной в ОЗУ; коман­да состоит из кода, определяющего, что эта команда делает, и опе­рандов, над которыми эта команда осуществляется;

• управление пересылкой информации между микропроцессорной памятью, ОЗУ и периферийными устройствами;

• обработка прерываний;

• управление компонентами ЭВМ.

Микропроцессор состоит из следующих блоков:

• АЛУ — арифметико-логическое устройство;

• ДБ — другие блоки (математический сопроцессор, модуль пред­сказания ветвлений);

• ДК — дешифратор команд;

• ИМП — интерфейс микропроцессора;

• Кэш L1 — кэш-память первого уровня;

• Кэш L2 — кэш-память второго уровня;

• МПП — микропроцессорная память;

• РОН — регистры общего назначения;

• PC — регистры смещений;

• РФ — регистр флагов;

• СР — сегментные регистры;

• УС — устройство синхронизации;

• УУ — устройство управления.

Рассмотрим назначение этих блоков МП.

Устройство управления выполняет команды, поступающие в МП в следующей последовательности:

1) выборка из регистра-счетчика адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;

2) выборка из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема счи­танной команды в регистр команд;

3) расшифровка кода команды дешифратором команды;

4) формирование полных адресов операндов;

5) выборка операндов из ОЗУ или МПП и выполнение заданной команды обработки этих операндов;

6) запись результатов команды в память;

7) формирование адреса следующей команды программы.

Для ускорения работы перечисленные действия выполняются параллельно: один блок выбирает команду, второй дешифрует, третий выполняет, образуя конвейер команд.

Команды, поступающие в УУ, временно хранятся в кэш-памяти первого уровня, освобождая шину для выполнения других операций. Размер кэш-памяти первого уровня 8...32 Кбайт.

Арифметико-логическое устройство выполняет все арифметиче­ские (сложение, вычитание, умножение, деление) и логические (конъюнкция, дизъюнкция и др.) операции над целыми двоичными числами и символьной информацией.

Устройство синхронизации определяет дискретные интервалы времени — такты работы МП между выборками очередной команды. Частота, с которой осуществляется выборка команд, называется тактовой частотой.

Интерфейс МП (ИМП) предназначен для связи и согласования МП с системной шиной ЭВМ. Принятые команды и данные времен­но помещаются в кэш-память второго уровня. Размер кэш-памяти второго уровня — 256... 2 048 Кбайт. Ранее кэш-память второго уров­ня размещалась на материнской плате.

Микропроцессорная память включает в себя 14 основных двух­байтовых запоминающих регистров и множество (до 256) дополни­тельных регистров. Регистры — это быстродействующие ячейки па­мяти различного размера. Основные регистры можно разделить на 4 группы.

1. Регистры общего назначения (РОН, универсальные регистры): АХ, ВХ, СХ, DX. Можно работать с регистром целиком или отдельно с каждой его половинкой: регистром старшего (high) байта — АН, ВН, и регистром младшего (low) байта — AL, BL, CL, DL. Универсальные регистры имеют свое предназначение:

• АХ — регистр-аккумулятор, с его помощью осуществляется ввод- вывод данных в МП, а при выполнении операций умножения и де­ления АХ используется для хранения первого числа, участвующего в операции (множимого, делимого) и результата операций (произведе­ния, частного) после ее завершения;

• ВХ нередко используется для хранения адреса базы в сег­менте данных и начального адреса поля памяти при работе с массивами;

• СХ — регистр-счетчик, используется как счетчик числа повто­рений при циклических операциях;

• DX — используется как расширение регистра-аккумулятора при работе с 32-разрядными числами и при выполнении операции умно­жения и деления.

2. Сегментные регистры используются для хранения начальных адресов полей памяти (сегментов), отведенных в программах для хранения команд кода (регистр С-5), данных (DS), стека (SS), дополнительной области памяти данных при обмене между сегмента­ми (ES).

3. Регистры смещений IP, SP, ВР, 57, DI предназначены для хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов).

4. Регистр флагов FL содержит одноразрядные флаги, управляю­щие выполнением программы в ЭВМ. Флаги принимают значения О или 1. Значения флагов устанавливаются независимо друг от друга.

Всего в регистре 9 флагов: 6 — статусные, отражающие результаты операций (флаги переноса, нуля, переполнения и др.); 3 — управ­ляющие, определяющие режим выполнения программы (флаги по­шагового выполнения программы, прерываний и направления об­работки данных).

МПП — это память с самым меньшим временем доступа в ЭВМ.

Другие блоки — это блоки, ускоряющие работу МП. АЛУ произ­водит действия только над двоичными целыми числами. Операции над числами с плавающей точкой выполняет математический сопро­цессор, освобождая МП от выполнения этих операций. Блок пред­сказания ветвлений программы просматривает программу на не­сколько шагов вперед, чтобы определить дальнейшее направление выполнения программы. Вероятность предсказания 80 — 90%.

Работа МП состоит в выборке очередной команды и ее выполне­ния. В некоторых случаях выполнение программы необходимо пре­рвать, например в случае ошибки вычисления. Такие случаи называ­ются прерываниями.

Выделяют два типа прерываний:

1) внутрипроцессорные прерывания, возникающие из-за непре­одолимого препятствия в выполнении программы, например запись данных в запрещенную для записи область ОЗУ или переполнение результата при вычислениях;

2) прерывания от внешних устройств не являются фатальными или ошибочными; прерывания второго типа возникают, когда требу­ется обмен данными с внешним устройством, например приводом компакт-дисков, а он не готов.

Основными параметрами МП являются тактовая частота, разряд­ность и рабочее напряжение.

Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемых МП за единицу времени. Тактовая частота со­временных МП измеряется в гигагерцах (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 ГГц = 10⁹ Гц). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить МП и тем больше его производительность. Первые МП, использовавшиеся в персональных компьютерах, работали на частоте 4,77 МГц (1 МГц = 10⁶ Гц). В на­стоящее время рабочие частоты современных МП превосходят 2 ГГц (2011 г.).

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных МП может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разряд­ность процессора определяется разрядностью внутренней шины, т.е. количеством проводников в шине, по которым передаются команды. Современные МП семейства Intel имеют 64 разряда.

Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения позволяет уменьшить размеры МП, а также уменьшить тепловыделение в МП, что повышает его производительность без угрозы перегрева.

МП все время с момента включения до момента выключения вы­полняет команды. Если поток команд заканчивается, например в случае простоя ЭВМ, то МП выполняет пустую команду NOP.

Системная шина

В основе устройства ЭВМ лежит системная шина, которая служит для обмена командами и данными между компонентами ЭВМ, рас­положенными на материнской плате. ПУ подключаются к шине через контроллеры. Такая архитектура ЭВМ называется открытой, так как легко может быть расширена за счет подключения новых устройств. Передача информации по системной шине также осуществляется по тактам.

Системная шина включает в себя:

• кодовую шину данных для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда из ОЗУ в МПП и об­ратно, имеет 64 разряда;

• кодовую шину адреса для параллельной передачи всех разрядов адреса ячейки ОЗУ, имеет 32 разряда;

• кодовую шину инструкций для передачи команд (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки ЭВМ; простые команды кодиру­ются одним байтом, но есть и команды, кодируемые двумя, тремя и более байтами, имеет 32 разряда;

• шину питания для подключения блоков ЭВМ к системе энерго­питания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между МП и ОЗУ;

2) между МП и контроллерами устройств;

3) между ОЗУ и внешними устройствами (ВЗУ и ПУ, в режиме прямого доступа к памяти).

Все устройства подключаются к системной шинечерез контрол­леры — устройства, которые обеспечивают взаимодействие внешних устройств и системной шины.

Чтобы освободить МП от управления обменом информацией между ОЗУ и внешними устройствами, например при чтении или записи информации, предусмотрен режим прямого доступа в память (DMA — DirectMemoryAccess).

Таким образом, МП может заниматься выполнением других ко­манд, не отвлекаясь на копирование информации между ОЗУ и внешними устройствами.

Характеристиками системной шины являются количество обслу­живаемых ею устройств и ее пропускная способность, т. е. максималь­но возможная скорость передачи информации.

Пропускная способность шины зависит от следующих параме­тров:

• разрядность или ширина шины — количество бит, которое может быть передано по шине одновременно (существуют 8-, 16-, 32- и 64-разрядные шины);

• тактовая частота шины — частота, с которой передаются биты информации по шине.

Наиболее распространенные шины. PCI (PeripheralComponentInterconnect) — самая распространенная системная шина. Быстро­действие шины не зависит от количества подсоединенных устройств. Поддерживает следующие режимы:

• PlugandPlay(Рп Р) — автоматическое определение и настрой­ка подключенного к шине устройства;

• BusMastering — режим единоличного управления шиной любым устройством, подключенным к шине, что позволяет быстро передать данные по шине и освободить ее.

AGP (AcceleratedGraphicsPort) — магистраль между видеокартой и ОЗУ.Разработана, так как параметры шины PCI не отвечают тре­бованиям видеоадаптеров по быстродействию. Шина работает на большей частоте, что позволяет ускорить работу графической под­системы ЭВМ.

 

Оперативное и постоянное запоминающие устройства

Запоминающие устройства, используемые в ЭВМ, состоят из по­следовательности ячеек. Каждая ячейка содержит значение одного байта и имеет собственный номер (адрес), по которому происходит обращение к ее содержимому. Все данные в ЭВМ хранят хранятся в двоичном виде нулей и единиц.

Запоминающие устройства характеризуются двумя параметрами:

• объем памяти — размер в байтах, доступных для хранения ин­формации;

• время доступа к ячейкам памяти — средний временной интервал, в течение которого находится требуемая ячейка памяти и из нее из­влекаются данные.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ; RAM — RandomAccessMemory) предназначено для оперативной записи, хранения и чтения информации (программ и данных), непосредственно уча­ствующей в информационно-вычислительном процессе, выполняе­мом ЭВМ в текущий период времени. После выключения питания ЭВМ информация в ОЗУ уничтожается, поэтому она не подходит для долговременного хранения информации. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, выраженный числом. В ЭВМ на базе процессоров IntelPentium используется 32-разрядная адресация. Это означает, что число независимых адресов равно 2³², т.е. возможное адресное про­странство составляет 4,3 Гбайт. Объем ОЗУ превышает 4096 Мбайт (2011 г.), время доступа 0,005 — 0,02 мкс. 1 с = 10⁶мкс.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ; ROM — ReadOnlyMemory) хранит неизменяемую (постоянную) информацию: про­граммы, выполняемые во время загрузки системы, и постоянные параметры ЭВМ. В момент включения ЭВМ в его ОЗУ отсутствуют данные, так как ОЗУ не сохраняет данные после выключения ЭВМ. Но МП необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому МП обращается по специальному стартовому адресу, кото­рый ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес из ПЗУ. Основное назначение программ из ПЗУ состоит в том, чтобы про­верить состав и работоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками. Обычно из­менить информацию ПЗУ нельзя. Объем ПЗУ 128 — 256 Кбайт, время доступа 0,035 — 0,1 мкс. Так как объем ПЗУ небольшой, но время доступа больше, чем у ОЗУ, при запуске все содержимое ПЗУ считы­вается в специально выделенную область ОЗУ.

Кроме ПЗУ существует энергонезависимая память CMOSRAM (ComplementaryMetal-OxideSemiconductorRAM), в которой хранят­ся данные об аппаратной конфигурации ЭВМ: о подключенных к ЭВМ устройствах и их параметры, параметры загрузки, пароль на вход в систему, текущее время и дата. Питание памяти CMOSRAM осуществляется от батарейки. Если заряд батарейки заканчивается, то настройки, хранящиеся в памяти CMOSRAM, сбрасываются, и ЭВМ использует настройки по умолчанию.

ПЗУ и память CMOSRAM составляют базовую систему ввода- вывода (BIOS — BasicInput-OutputSystem).