Архитектура современной вычислительной техники. Принципы фон Неймана. Устройства персонального компьютера. Внутренние устройства системного блока.

АРХИТЕКТУРА СОВРЕМЕННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Содержание лекции:

1.Архитектура современной вычислительной техники. Принципы фон Неймана. Устройства персонального компьютера. Внутренние устройства системного блока.

2. Устройства хранения данных. Устройства обмена данными. Иерархия памяти. Обзор современного состояния. Логическая память. Дефрагментация

3.Устройства ввода знаковых данных. Устройства вывода данных.

Цель лекции:

-изучитьосновные устройства компьютера, их характеристики и назначение; структуру микропроцессора и его основные характеристики; функциональные характеристики ПК.

Архитектура современной вычислительной техники. Принципы фон Неймана. Устройства персонального компьютера. Внутренние устройства системного блока.

Компьютер — это многофункциональное электронное уст­ройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.

Существуют различные классификации компьютеров, одной из которых является классификация по областям применения, согласно которой различают:

· персональные компьютеры,

· рабочие станции,

· серверы,

· Х-терминалы,

· мейнфреймы,

· кластерные архитектуры.

Или несколько иная классификация компьютеров:

• Калькулятор
• Консольный компьютер
• Миникомпьютер
• Мэйнфрейм
• Персональный компьютер
• Настольный компьютер
• Ноутбук (Лэптоп)
• Игровая приставка (Игровая консоль)
• Карманный компьютер (КПК)
• Коммуникатор
• Смартфон
• Надеваемый компьютер (носимый компьютер)
• Планшетный персональный компьютер («Чистый планшетник», планшетный ноутбук, UMPC)
• Рабочая станция
• Сервер
• Суперкомпьютер

По размерам и области применения все компьютеры можно разделить на 4 основных класса:

1) суперкомпьютеры - очень мощные, многопроцессорные, вычислительные машины, предназначенные для решения задач, требующих огромных объемов вычислений;

2) большие компьютеры (мейнфреймы) - многопользовательские, многопроцессорные, вычислительные машины, предназначенные для обработки больших объемов информации;

3) малые компьютеры - многопроцессорные вычислительные машины, занимающие промежуточное положение между мейнфреймами и ПК. Область применения - использование в крупных организациях и научных учреждениях, для которых недостаточно производительности обычных ПК;

4) микрокомпьютеры - включают несколько типов компьютеров:

4.1 ПК - однопользовательские микрокомпьютеры, выделяют две основные группы:

а) стационарные

б) портативные (ноутбуки, нетбуки, КПК)

4.2 рабочие станции - однопользовательские микрокомпьютеры, подключенные к компьютерной сети;

4.3 серверы - высокопроизводительные, многопользовательские микрокомпьютеры в вычислительных сетях.

Под архитектурой персонального компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделе­ны процессу обработки данных на определенный интервал вре­мени.

В первых ЭВМ для генерации нужных сигналов необходимо было с помощью переключателей выполнить ручное программирование всех логических схем. Использовалась десятичная логика, при которой каждый разряд представлялся десятичной цифрой и моделировался 10 электронными лампами. В зависимости от нужной цифры одна лампа включалась, остальные девять оставались выключенными.

Известный немецкий математик Джон фон Нейман предложил схему ЭВМ с программой в памяти и двоичной логикой вместо десятичной.

Логически машину фон Неймана составляли пять блоков (рисунок 1):

· оперативная память,

· арифметико-логическое устройство (АЛУ) с аккумулятором,

· блок управления,

· устройства ввода,

· вывода.

Рисунок 1 – Схема машины фон Неймана

В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом:

1) принциппрограммного управления - программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автомати­чески друг за другом в определенной последовательности.

2) принциподнородности памяти - программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выпол­нять те же действия, что и над данными.

3) принципадресности- основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек.

Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют класси­ческую архитектуру.

Современные компьютеры, базируясь на тех же принципах, имеют некоторые отличия, обусловленные развитием техники и служащие решению важных для пользователя задач (рис. 2).

Рис.2 . Структурная схема современного ПК
Компьютер состоит из :

· АЛУ – арифметическое логическое устройство. Преобразует информацию, выполняя сложение, вычитание и основные логические операции «И», «ИЛИ», «НЕ»;

· УУ – устройство управления. Организует процесс выполнения программ;

· ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, или память;

· УВВ – устройства ввода и вывода. Получают информацию извне, выводят ее получателю.

Достижения микроэлектроники позволили объединить в одной сверхбольшой интегральной схеме, называемой микропроцессором (МП) или процессором, АЛУ и УУ. Уменьшение габаритов ОЗУ позволило разместить МП и ОЗУ на одной электронной плате, называемой системной, или материнской. Все связи между отдельными устройствами объединены в пучок параллельных проводов – локальную или системную шину. В состав этой шины входят шина данных, по которой передаются из ОЗУ в МП также и команды, шина адреса и шина управления. УВВ включают УВВ и управляющие ими контроллеры (карты), включаемые в системную плату или установленные прямо на ней.

В современных ПК возможна также параллельная работа нескольких процессоров. За счет распараллеливания выполнения одной задачи или параллельного выполнения многих задач достигается увеличение общей производительности компьютера. Для этого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные процессоры. Двухпроцессорные машины отличаются от однопроцессорных прежде всего именно более «мягкой» реакцией на действия пользователя, особенно если в системе одновременно запущено несколько задач.

Важным элементом структуры современного компьютера и принципа его действия являются сигналы и понятия прерываний. Если в микропроцессор извне поступает сигнал запроса на прерывание, выполнение текущей программы приостанавливается, в заранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес останова в программе, и микропроцессор выполняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. После ее завершения восстанавливаются все промежуточные результаты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.

Архитектура компьютера определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логичес­ких узлов компьютера, к которым относятся:

· центральный процессор,