Лекция 6. Архитектура и структура компьютера
При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.
Архитектурой компьютера называется его описание на общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем.
Наиболее распространены следующие архитектурные решения:
Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Данная архитектура может быть реализована на однопроцессорном компьютере, рис 6.1.
Р ис. 6. 1. Однопроцессорный компьютер.
К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью, (рис. 6. 2.) .
Генератор тактовой частоты
Центральный процессор
Рис. 6. 2. Структура персонального компьютера с общей шиной
ША – шина адреса
ШД – шина данных
ШУ- шина управления
Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем, представляющих собой различные устройства и память компьютера. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса ША, шину данных ШД и шину управления ШУ.
Для управления компьютером существует пульту управления, в качестве которого служит клавиатура, а вся работа центрального процессора осуществляется по импульсам тактового генератора, представляющего собой «сердце» компьютера. Конструктивно центральный процессор, оперативная память, магистраль и другие устройства объединены в системном блоке (рис.6.3.), к которому подключены все остальные периферийные устройства. Для подключения этих устройств в системном блоке располагают контроллеры и адаптеры.
Контроллер — это устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.
Адаптер – это устройство, которое обеспечивает только канал связи.
Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров называется многопроцессорной и представлена на рис. 6. 4.
Рис. 6. 4. Структура многопроцессорного компьютера
Если несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). При этом каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, то такая структура называется многомашинная вычислительной системой.
Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
Если несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Такая структура называется системой с параллельными процессорами.
Высокое быстродействие такой структуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рис. 6. 5.
Рис. 6. 5. Структура с параллельным процессором
В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов структурных решений.
От процессора до периферийных устройств: компоненты, формирующие архитектуру вычислительных систем
Процессор — это центральный элемент любой вычислительной системы. Он выполняет основные математические и логические операции, управляет выполнением программы, осуществляет обработку информации.
Оперативная память
Оперативная память — это устройство, в котором хранятся данные и команды, необходимые для работы процессора. Она быстро доступна для процессора, но не сохраняет информацию после отключения питания.
Жесткий диск
Жесткий диск — устройство для хранения данных, которые сохраняются даже после отключения питания. Он используется для длительного хранения больших объемов информации, таких как файлы, программы, мультимедиа.
Видеокарта
Видеокарта — устройство, которое обрабатывает графическую информацию и выводит изображение на монитор. Она имеет свой процессор и оперативную память, что позволяет разгрузить основной процессор и увеличить производительность при работе с графикой.
Звуковая карта
Звуковая карта — устройство, которое обеспечивает воспроизведение и запись звуковой информации. Она имеет свой процессор и оперативную память, что позволяет осуществлять обработку звука без нагрузки на основной процессор.
Сетевая карта
Сетевая карта — устройство, которое обеспечивает подключение компьютера к сети. Она имеет интерфейс для подключения к сети и свой процессор, что позволяет осуществлять обработку сетевого трафика без нагрузки на основной процессор.
Клавиатура и мышь
Клавиатура и мышь — устройства ввода, которые используются для управления компьютером. Клавиатура позволяет вводить текст и команды, а мышь — управлять курсором и осуществлять выбор объектов на экране.
Вывод на монитор
Вывод на монитор — процесс, по которому изображение, обработанное видеокартой, отображается на экране монитора.
Звуковой вывод
Звуковой вывод — процесс, по которому звуковая информация, обработанная звуковой картой, воспроизводится на колонках или наушниках.
Подключение к сети
Подключение к сети — процесс, по которому сетевая карта устанавливает соединение с сетью и обеспечивает передачу данных между компьютерами.
Все эти компоненты совместно формируют архитектуру вычислительной системы и обеспечивают выполнение различных задач. Их взаимодействие и оптимальное использование позволяют достигать высокой производительности и удобства использования компьютера.
- Задержка в играх с G-Sync: миф или реальность?
- Как G-Sync влияет на задержку в играх: результаты тестов и измерений
- Программный G-Sync и задержка в играх: что говорят производители и пользователи?
- Опасные подмены: как вирусы попадают в драйвера от Defender
- Скрытые угрозы: как защититься от вирусных атак на драйверы Defender
- Хакерский трюк: как заразить драйверы от Defender и что с этим делать
- Windows 11: где посмотреть текущую тему и как её изменить
- Архитектура вычислительных систем: основные компоненты и их роли
- Структура компьютера: что входит в архитектуру вычислительной машины
3.1. Архитектура эвм. Принципы работы компьютера.
ЭВМ определяется как комплекс взаимодействующих программно-управленческих технических устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных в целью получения результатов решения вычислительных и информационных задач.
Архитектура ЭВМ – ее логическая организация, структура и ресурсы, т.е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.
Схема архитектуры ЭВМ.
П – процессор
АЛУ – арифметико-логическое устройство
УУ – устройство управления
ЗУ – запоминающее устройство
ПУ – пульт управления
ВУ – внешнее устройство
Основным устройством управления (УУ) и координации работы всех основных внутренних устройств ЭВМ является процессор.
Основные функции центрального процессора:
Формирование синхронизирующих сигналов.
Формирование исполнительных адресов для обращения оперативной памяти.
Организация обмена информации между оперативной памятью и внешними устройствами.
Организация многопрограммной работы.
В основе работы ЭВМ лежит программный принцип, согласно которому все вычисления выполняются путём последовательного выполнения команд программы ЭВМ.
Принцип хранимой программы означает, что программа и данные во время выполнения программы хранятся в одном адресном пространстве в оперативной памяти и различаются не по способу кодирования, а по способу использования.
Использование двоичного кодирования при хранении и обработке данных. Слова и данные размещаются в ячейках памяти. Каждая ячейка памяти имеет адрес, по которому происходит запись или считывание слов данных и программ.
Открытая архитектура, т.е. в основе разработки новых ЭВМ лежат общедоступные стандарты, которые унифицируют взаимодействия различных типов оборудования и отдельных технических узлов ЭВМ.
Модульность построения технической архитектуры.
Стандартизация технических устройств ЭВМ.
Принцип микропрограммирования, т.е. процессор в своём составе имеет блок микропрограммного управления.
3.2. Основные устройства компьютера, их назначение и взаимодействие.
Компьютер— это электр. вычислительная машина, предназначенная для автоматической обработки ин-ции, представленной в виде цифровых данных.Сущ. много разл. моделей комп. с разным быстродействием и разн. воз-ми для пользователя,однако независимо от модели все они имеют базовый набор устройств., обеспеч. автоматич. решение задач. Процесс реш-ия задачи назыв. вычеслит. процессомВ вычисл. процессе комп. должен: ввести исходные данные в машиу, выполнить их обработку, сохранить данные, вывести рез-ты в форме удобной для пользователя. Что и определяет базовый набор устройств для ЭВМ:устр-ва ввода/вывода, запомин. устр-ва,арифметико-логическое устр-во, утр-во управления.
устр. ввода→осн. память→ус. вывода
центр. Процессор (АЛУ,УУ)
Главное место в обработке данных занимает ариф. и логич. операции, кот. выполняются в АЛУ,кот. хар-ся 3 факторами:1.набор операций, кот. может выполнять;2.время выполнения аждой операции3.среднее быстродействие машины(кол0во операций в сек)
Объем машины зависти от тактовой частоты генератораВремя выполнения каждой команды занимает четко опед. кол-во тактов.(пентиум2:1 такт-2команды)В комп. есть тактовый генератор, кот. задает тактовый ритм с опред. частотойЧем больше частота генерации импульсов, тем больше операций может выполнять за 1 сек.Соврем. АЛУ реализуются в виде больших интегральных схем
Центральный процессор(ЦП):Устройство, непосредственно, осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. В состав ЦП входят: 1. центральное устройство управления,2. арифметическое устройство,3. внутренняя память процессора,4. специальные системные средства.Основные фун-и:1.выработка централизованных сигналов,2.формирование исполнительных адресов для обращения к оперативной памяти,3. организация отмены инф-и между оперативной памятью и внешними устройствами,4.организация многопрограммной работы.Внутренняя память (ВП):Состоит из оперативной и постоянной памяти. Оперативная память включает ассоциативное запоминающее устройство, адресное запоминающее устройство, где поиск инф-и осуществляется на основе инф-и, указанной в команде. Постоянная память или постоянное запоминающее устройство делиться на 3 класса:А) программирование в процессе изготовления, т.е запись производиться однократно,Б) однократное программирование заказчиком ПЗУ(постоянное запоминающее устройство),В) многократное программное ПЗУ.
При подготовке материала использовались источники:
https://studfile.net/preview/7733324/
https://ru.anyquestion.info/a/ot-protsessora-do-periferiynyh-ustroystv-komponenty-formiruyuschie-arhitekturu-vychislitelnyh-sistem
https://studfile.net/preview/6195512/page:6/