Принципы фон Неймана. Гарвардская архитектура. Способы классификации ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Структура и принцип действия ЭВМ

План:

Структура и принцип действия ЭВМ

Основные типы ЭВМ

Общие требования, предъявляемые к современным вычислительным системам

Назначение и структура материнской платы

Связующая логика

Конструктивные особенности системных плат

BIOS

 

Рисунок 1.1 Обобщенная структурная схема ЭВМ.

 

Компьютер - это универсальное (многофункциональное) электронное автоматическое устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации. Основные блоки компьютера: процессор, память, периферийные устройства.

Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, то есть средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально- модульный принцип.

 

Магистраль (системная шина) - это набор электронных линий, связывающих центральный процессор, основную память и периферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти. Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать компьютер нужной ему конфигурации и производить при необходимости ее модернизацию.

Что позволяет говорить о модульном принципе построения компьютера? Конструктивно составные части системного блока и магистраль располагаются на системной плате. На ней иногда бывают сосредоточены все необходимые для работы компьютера элементы. Такие платы называются Аll-ln-Оnе. Однако большая часть компьютеров имеет системные платы, которые содержат лишь основные узлы, а элементы связи, например, с приводами накопителей, дисплеем и другими периферийными устройствами на ней отсутствуют. В таком случае эти отсутствующие элементы располагаются на отдельных печатных платах, которые вставляются в специальные разъемы расширения, предусмотренные для этого на системной плате. Эти дополнительные платы называют дочерними, а системную плату – материнской (motherboard).

Функциональные устройства, выполненные на дочерних платах, часто называют контроллерами или адаптерами, а сами дочерние платы - платами расширения. Таким образом, подключение отдельных модулей компьютера к магистрали, находящейся непосредственно на материнской плате, на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами.

Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно отреагировать на него. За его выполнение процессор не отвечает, отвечает лишь соответствующий контроллер, поэтому периферийные устройства компьютера заменяемы и набор таких модулей произволен. Большая часть периферийных устройств подсоединяется очень просто – снаружи, через разъемы на корпусе системного блока к выходам соответствующих контроллеров - портам (периферийные устройства еще называются внешними, так как осуществляют связь ЭВМ с "внешним миром").

Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Процессор выполняет арифметические и логические операции, взаимодействует с памятью, управляет и согласует работу периферийных устройств. Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по образующим магистраль трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули - шине данных, шине адресов, шине управления.

Разрядность шины определяется количеством битов информации, передаваемых по шине параллельно. Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству или наоборот, от устройства к процессору, то есть шина данных является двунаправленной.

К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести:

· запись/чтение данных из оперативной памяти (оперативное запоминающее устройство - ОЗУ);

· запись/чтение данных из внешних запоминающих устройств (ВЗУ);

· чтение данных с устройств ввода;

· пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, формируя код адреса данного устройства, а для ОЗУ - код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем, сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к устройствам (однонаправленная шина). По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

 

Проектирование ЭВМ можно укрупненно разбить на три этапа:

1. Системное проектирование (называется еще алгоритмическим, архитектурным) предполагает определение структуры и основных архитектурных характеристик ЭВМ, исходя из требований, сформулированных на основе анализа решаемой задачи, алгоритмов, подлежащих реализации, заданной точности решения задач и условий взаимодействия с внешней средой. Решается вопрос распределения функций аппаратного, программного и микропрограммного обеспечения.

Основные архитектурные характеристики ЭВМ:

- система счисления, кодировка;

- формы представления чисел;

- длина разрядной сетки;

- система команд (внутренний язык ЭВМ - ассемблер);

- емкость и структура памяти;

- способы адресации;

- быстродействие- число коротких операций за единицу времени (за короткую, как правило, принимают операцию сложения двух чисел);

- производительность на данном классе задач – объем выполненных вычислений за единицу времени;

- схема обработки прерываний;

- наличие механизмов ПДП;

- характеристики системного интерфейса;

- и т.д.

2. Функционально-логическое проектирование – разработка функциональной схемы ЭВМ, наилучшим образом удовлетворяющей основным характеристикам, полученным на этапе системного проектирования.

Разработка второго этапа является заключительным этапом процесса создания архитектуры ЭВМ. На этом этапе фиксируются архитектурные характеристики разработанной ЭВМ.

3. техническое проектирование - включает схемотехническое (схемотехника, МП БИС) и конструкторно-техническое (разбивка на узлы, блоки, разварка плат, ...).

Архитектура ЭВМ не отражает проблем технического проектирования.

Принципы фон Неймана. Гарвардская архитектура. Способы классификации ЭВМ.

Архитектура ЭВМ фон Неймана.

Классические подходы в построении ЭВМ сложились в конце 40-х – начале 50-х годов. Существенное влияние на их становление оказали идеи Дж. фон Неймана и его коллег – Беркса и Голдстайна, опубликованные 1946 году в ставшем классическим отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства» о ходе работ по построении Пенсильванской ЭВМ (эта машина была построена лишь в 1952 году и была на то время не самой лучшей).

Рисунок 2– Классическая структура ЭВМ

 

На рисунке:

АЛБ – арифметико-логический блок;

УУ – устройство управления;

ПУ – панель управления – для запуска, контроля хода вычислений, остановки вручную;

УВВ – внешние устройства ввода/вывода – через них в память вводится исходная информация и выводятся результаты.