Билет №5. Магистрально-модульный принцип построения компьютера. Характеристики процессоров. Шина адреса и шина данных

Еще при создании первых компьютеров в 1945 году знаменитый математик Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации. Эти основы конструкции компьютера называются принципами фон Неймана. Сейчас подавляющее большинство компьютеров в основных чертах соответствуют принципам фон Неймана.

Прежде всего, компьютер, согласно принципам фон Неймана, должен иметь следующие устройства:

· – арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

· – устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

· – запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;

· – внешние устройства для ввода-вывода информации.

Современный персональный компьютер может быть реализован в настольном (desktop), портативном (notebook) или карманном (handheld) варианте.

Все основные компоненты настольного компьютера находятся внутри системного блока. Основным аппаратным компонентом компьютера является системная (материнская) плата (motherboard). На системной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора и оперативной памяти, а также слоты для установки контролеров внешних устройств.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроходные линии (см. рисунок). К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении – от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N=2^I,

где I – разрядность шины адреса. Разрядность шины адреса постоянно увеличивается

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию – считывание или запись информации из памяти – нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

Процессор. Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). Большая интегральная схема на самом деле не является «большой» по размеру и представляет собой, наоборот, маленькую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 20×20 мм, заключенную в плоский корпус с рядами металлических штырьков (контактов). БИС является «большой» по количеству элементов.

Использование современных высоких технологий позволяет разместить на БИС процессора огромное количество (42 миллиона в процессоре Pentium 4) функциональных элементов (переключателей), размеры которых составляют всего около 0,13 микрон (1 микрон=10^–6 метра).

Важнейшей характеристикой, определяющей быстродействие процессора, является тактовая частота, то есть количество тактов в секунду. Такт – это промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов специальной микросхемой – генератором тактовой частоты, синхронизирующим работу узлов компьютера. На выполнение процессором каждой базовой операции (например, сложения) отводится определенное количество тактов. Ясно, что чем больше тактовая частота, тем больше операций в секунду выполняет процессор. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). 1 МГц = миллион тактов в секунду. За 20 с небольшим лет тактовая частота процессора увеличилась почти в 500 раз, от 5 МГц (процессор 8086, 1978 год) до 2,4 ГГц (процессор Pentium 4, 2002 год) – см. табл.

Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность процессора. Разрядность процессора определяется количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором одновременно. Часто уточняют разрядность процессора и пишут 64/36, что означает, что процессор имеет 64-разрядную шину данных и 36-разрядную шину адреса.

Производительность процессора является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а также особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.). Производительность процессора нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования, по скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.