2. Магистрально-модульный принцип построения ПК. Основы информатики: Учебник для вузов
3.2. Главный принцип построения компьютера
Компьютер — это электронная машина, которая автоматически хранит, обрабатывает и передает данные.
Компьютерный проект был создан в 1946-1948 годах в Принстонском университете в США под руководством Джона фон Неймана. Этот проект используется и по сей день. Машина фон Неймана, также известная как Принстонская машина, является этим начинанием. Она включала в себя схему (о которой речь пойдет ниже) и принципы работы компьютера:
2) Концепция программного управления: программа управляет работой компьютера и позволяет решать различные вопросы. Команды, составляющие программу и используемые в схеме управления устройством. Работа двух членов команды организована следующим образом:
<код операции> <операнды>, где <код операции> определяет, какая операция должна выполняться,.
<операнды> — список (возможно, одноэлементный) тех констант, адресов или имен переменных, над которыми выполняется данная операция.
Количество операндов различается между одно-, двух- и трехадресными машинами. Объем компонентов инструкции выражается в битах.
Благодаря тому, что этот принцип гарантирует универсальность компьютера, он является наиболее прогрессивным из использованных в проекте. Любой компьютер представляет собой совокупность аппаратных (технических) и программных компонентов в соответствии с принципом программного управления;
2) Принцип условного перехода, который гласит, что команды программы не всегда выполняются. В программе есть команды условного перехода, которые могут изменять порядок выполнения команд в зависимости от значений входных данных;
3) Идея хранения программы в памяти: Программа, необходимая для работы компьютера, а также другие важные файлы хранятся в памяти и не подвергаются командам.
4) Гетерогенность компьютерной памяти — это принцип иерархии памяти. Выделяется меньше памяти, но она быстрее используется для часто используемых данных; выделяется меньше памяти, но она быстрее используется для редко используемых данных.
4) Принцип двоичных чисел: Внутреннее представление данных и программ в памяти компьютера использует двоичную систему чисел.
Рисунок 3.1 Схема принстонской машины
Подумайте о функции каждого компонента схемы и о том, как они взаимодействуют друг с другом во время работы компьютера.
Программа записывается в компьютер и передается через серию команд с помощью устройства ввода (IVD). Программа вводится во внутреннее представление, которое компьютер выбрал перед вводом данных.
Устройство управления выбирает последовательность команд из своей памяти после загрузки программы, и интерпретирует ее следующим образом:
Когда выбрана команда ввода данных, UU передает управляющий сигнал (звено 3) на устройство управления. Информация вводится через звено 1 и помещается на P;
Сигнал (ссылка 4) посылается из UU в память P для выбора нужных данных, если выбранная команда предполагает выполнение арифметических и логических операций. Переданные операнды подвергаются арифметическим и логическим операциям АЛУ. АЛУ возвращает результат в память P после выполнения необходимых операций (ссылка 6);
Если выбранная команда является командой вывода, UU инициирует операцию вывода данных, посылая управляющий сигнал на устройство вывода (ссылка 8). данных по ссылке 9 из памяти Р.
U W преобразует данные, полученные от ЭМ, во внешнее представление.
Блок памяти на рис. 1 работает в соответствии с принципом иерархии памяти. 3.1 разделен на два блока: внешняя память и внутренняя память. Внешняя память обычно отводится для долгосрочного хранения данных и программ, в то время как внутренняя память используется для оперативной обработки.
В современных компьютерах блоки CU и ALU объединены в процессор. Процессор также имеет ряд регистров, которые он использует для хранения дополнительной информации и промежуточных результатов.
Под архитектурой компьютера понимается логическая организация, структура и ресурсы вычислительного процесса за определенный промежуток времени. Магистрально-модульный принцип лежит в основе архитектуры современных персональных компьютеров (рис. 3.2)
Рисунок 3.2 Магистрально-модульная теория компьютерной архитектуры
Магистраль (системная шина) — это группа электрических линий, которая соединяет основную память и процессор, образуя единый информационный поток. Покупатель может модернизировать компьютер и выбрать конфигурацию, наиболее соответствующую его потребностям.
Модульная структура системы основана на принципе магистрали обмена информацией (шина-канал). Процессор выполняет логические и математические операции, взаимодействует с памятью и управляет периферийными устройствами.
Для передачи информации между различными устройствами компьютера используются три многобитные шины (многопроводные линии связи), соединяющие все модули. Количество битов, передаваемых по одному каналу, определяет битовую глубину шины.
Многоразрядные шины данных, адреса и управления образуют магистраль.
Шина данных Данные передаются между устройствами с помощью этой шины. Количество двоичных битов, обрабатываемых процессором в течение каждого тактового цикла, определяет битовую глубину шины данных. За 25 лет с момента создания первого персонального компьютера (1975 год) емкость шины данных увеличилась на 8 бит. Основные режимы работы процессора с использованием шины данных включают:
Захват данных из RAM (оперативная память);
Записи информации с внешних устройств памяти (ВЗУ);
Прочитать информацию из входных устройств;
Передача данных на выходные устройства.
Определите шину. Каждая ячейка оперативной памяти имеет уникальный адрес. По шине адреса осуществляется передача адреса. Адресное пространство процессора определяется пропускной способностью шины адреса, т.е. общим количеством ячеек оперативной памяти, каждая из которых может иметь свое имя
M — бит адресной шины, поэтому N = 2m.
Первые персональные компьютеры использовали 16-разрядную адресную шину и имели N = 216=65 536 адресов ячеек памяти.
Максимальное количество ячеек памяти в современных персональных компьютерах составляет 4 294 967 396, а количество адресов — N=232. Обмениваясь данными, системный процессор устанавливает абонента и создает код адреса для этого устройства, а также адрес для ячейки памяти. Адрес передается от процессоров к устройствам с помощью шины адреса (однонаправленный путь).
Командная шина. Сигналы, передаваемые по шине управления, определяют, как будет происходить обмен информацией на линии шины. Необходимые операции для чтения или записи данных из памяти и т.д. определяются управляющими сигналами.
Классификация электронно-вычислительных машин
Назначение следующих типов компьютеров отличается:
Б) универсальные — созданные для решения разнообразных задач, характер которых не уточняется. Компьютеры различают по:
Разнообразие форматов обрабатываемых данных (таких как числовой, символьный и т.д.)
большой объем внутренней памяти;
Современная система ввода/вывода, обеспечивающая подключение к различным устройствам.
Вместо контроля над технологическими устройствами проблемно-ориентированные решения больше сосредоточены на управлении их использованием и проведении расчетов в соответствии с четкими инструкциями. Их программные и аппаратные ресурсы ограничены.
В) специализированные — используются для решения очень специфического набора проблем. В результате они могут специализироваться, сокращая затраты и сложность при сохранении высокой производительности. Компьютеры этого класса управляют работой устройств ввода-вывода и внешней памяти. Эти устройства называются контроллерами или адаптерами.
Существует четыре различные категории компьютеров: суперкомпьютеры, большие, маленькие и функциональные.
Суперкомпьютеры работают с невероятной скоростью. Решение задач может осуществляться параллельно с помощью многопроцессорной обработки, что значительно ускоряет процесс. Иногда они используются для решения экспериментальных задач, например, для проведения шахматных соревнований между людьми.
На больших компьютерах, также известных как мэйнфреймы, могут одновременно работать до 1 000 пользователей. Основное внимание уделяется научным исследованиям, а также управлению ресурсами компьютерных сетей.
Управление технологическими процессами предполагает использование малых компьютеров. Они применяются в многопользовательских системах, автоматизации проектирования и программном обеспечении искусственного интеллекта для расчетов.
Микрокомпьютеры могут быть общего назначения или нишевыми. Многопользовательский относится к числу пользователей, одновременно использующих компьютер. Мощные компьютеры, известные как специализированные многопользовательские микрокомпьютеры (серверы), предназначены для обработки запросов от каждого пользователя сети. В компьютерных сетях специализированные однопользовательские (рабочие) станции используются для выполнения прикладных задач. Мощные компьютеры с большим количеством терминалов известны как универсальные многопользовательские микрокомпьютеры. Микрокомпьютеры для одного пользователя, как правило, доступны. К ним относятся ПК, или персональные компьютеры. IBM-PC (International Business Machines — Personal Computer) — это класс компьютеров, который лучше всего представляет ПК в нашей стране.
П К можно классифицировать как портативные или стационарные (настольные, например, типа «DeskTop»).
Рис. 3.3 Классификация персональных компьютеров по элементам дизайна
Руководители компаний, менеджеры и журналисты больше всего нуждаются в портативных компьютерах в командировках.
Размер ноутбука больше сопоставим с размером широкоформатной книги. Его вес составляет около 3 кг. Без труда помещается в портфель-дипломат! Обычно он оснащен модемом для связи с офисом. Многие ноутбуки поставляются с приводами CD-ROM.
Современные ноутбуки оснащены блоком питания и сетевыми разъемами. Модули могут использоваться для различных целей. В один и тот же разъем можно установить проигрыватель компакт-дисков, магнитный дисковод или дополнительную батарею. Ноутбук может выдерживать перебои в подаче электроэнергии. Он сразу же переключается на питание от аккумулятора, если он работает от основного источника питания.
Самый маленький компьютер в мире — наладонник. На ладони, тонкий. Электронная память, которая не является волатильной, заняла место магнитных дисков. Дисков и данных на них нет; вместо этого для обмена информацией с обычными компьютерами используются линии связи. Мы можем создать персонального цифрового помощника, добавив к наладоннику набор бизнес-приложений, которые хранятся в его постоянной памяти.
Этот текст является ознакомительным фрагментом.
Как устроен центральный процессор?
Принцип магистрально-модульной конструкции ПК подразумевает, что существует не только трехшинная архитектура. Материнская плата объединяет различные компоненты компьютера в логическое целое.
Но единая частота, на которой будет работать вся система, выбирается центральным процессором. Каждый элемент и компонент будет работать на своей частоте и со своим временным интервалом. И что тогда? Тогда компьютер работал бы в миллион раз медленнее, что сделало бы его работу бесполезной.
Центральный процессор (ЦП) представляет собой микросхему. Он выполняет машинный код, в котором написаны некоторые программы. Инструкции, определяющие работу компьютера как единого механизма, выполняются центральным процессором, если хотите.
Центральный процессор — это, по сути, не что иное, как «мозг», только он может дать разрешение на выполнение программы. Он управляет тем, что происходит в памяти компьютера под руководством материнской платы и компьютера.
Магистраль
Шина, также известная как системная шина, — это группа электрических линий, которые связывают процессор и память.
Канал, связывающий процессор или оперативную память с контроллерами внешних устройств компьютера, известен как системная магистраль.
Три многоразрядные шины, соединяющие все модули, используются для ввода данных между различными компонентами компьютера.
- шине данных,
- шине адресов ;
- шине управления .
Линии шины имеют несколько проводов. Шина ISA используется в низкопроизводительных компьютерах. Это дешевая шина с небольшим интеллектом. Она может взаимодействовать с дисководами гибких дисков, клавиатурами и алфавитно-цифровыми дисплеями.
Более продуктивным, но несовместимым с ISA, является M CA.
Шина EISA совместима с шиной ISA, стоит дороже, чем ISA, и иногда не обладает необходимой скоростью обмена.
Более доступным по цене, чем ISO или EISA, является V ESA (VL).
I ISA или EESA используются совместно с шиной PCI, конкурирующей шиной VESA.
Рис 2. Магистрально-модулярный принцип
Как уже было сказано, контроллеры и программное обеспечение драйверов осуществляют физические соединения между различными компьютерными модулями и магистралью. Для того чтобы соответствующее устройство отреагировало на сигнал, контроллер получает его от процессора и декодирует.
Магистраль: шина данных шина адреса и шина управления. шины периферийных устройств
Давайте продолжим урок. В предыдущем уроке мы обсудили материнскую плату и рассмотрели ее в целом. В этом разделе мы рассмотрим типы логических устройств, которые могут быть установлены на материнской плате, и принцип их работы.
Кроме того, поскольку материнская плата используется для реализации различных типов шин, необходимо более подробно ознакомиться с ней. Периферийные устройства, такие как модем и видеокарты, устанавливаются в слоты расширения материнской платы.
Скорость каждого отдельного компонента может значительно отличаться в зависимости от различных частей компьютера. Для согласования скоростей контроллер оперативной памяти и процессор периферийных устройств устанавливаются на материнской плате в виде специальных наборов микросхем (чипсетов). Рис. 1
На системной шине северный мост облегчает обмен данными между процессором и оперативной памятью. Системная частота значительно выше, чем частота системной шины, поскольку процессор внутренне перемножает частоты. В современных компьютерах частота процессора может быть в десять раз выше частоты шины (например, от 100 МГц до 1 ГГц.
Северный мост связан с шиной PCI (Priipherial Component Interconnect bus). Частота системной шины выше частоты контроллеров, которая составляет 33 мбит/с, если частота системы составляет 100 МГц или выше.
Шина, соединяющая видеокарту с процессором и оперативной памятью, должна двигаться быстрее по мере увеличения разрешения монитора и глубины цвета. Северный мост подключен к шине AGP (Accelerated Graphic Port), которая намного быстрее, чем шина PCI.
Южный мост обрабатывает информацию о движении и подключениях вспомогательного оборудования.
Шина UDMA используется для подключения устройств хранения данных (жестких дисков, CD-ROM, DVD-Rom или DVD-Rom) к южному мосту.
Последовательные порты, используемые для подключения мыши и внешнего модема к южному мосту, последовательно передают электрические импульсы, закодированные машинным кодом. Аппаратная реализация последовательных портов, известных как COM1 и COM2, осуществляется через 25-контактный разъем на задней панели системы.
Параллельный порт, который обеспечивает более высокую скорость передачи данных и одновременно передает 8 электрических импульсов, является местом подключения принтера. На задней панели материнской платы имеется 25-контактный разъем, который служит аппаратной реализацией параллельного порта, поставляемого как LPT.
Порт USB (универсальная последовательная шина) компьютера используется для подключения цифровых фотокамер и сканеров.
Для подключения к компьютеру используйте порт USB или PS/2.
Магистрали соединяют каждый из компонентов компьютера, или модулей. Процессор и оперативная память, однако, могут быть напрямую подключены к магистрали. С помощью специализированных согласующих устройств, таких как контроллеры (контроллер дисковых накопителей) и видеоадаптеры, подключаются остальные устройства.
Системная шина — это модульная структура системы, которая основывает обмен информацией по принципу магистрали (шины).
Типы fsb
B SB — Использование двойной шины DIB для соединения процессора и кэш-памяти второго уровня.
Логика до 1,6 ГГц для G TL и GTC. Первый вариант, изготовленный для процессоров Pentium II, отличается от первого тем, что при работе на низком напряжении потребляет меньше электроэнергии. Вторая версия, совместимая с Pentium IV, является усовершенствованной.
D MI — это мост для материнской платы и комбинации сокетов LGA 1156. Он имеет пропускную способность 2 ГБ/с.
Самая распространенная FSB, P B, может передавать 4 блока данных за тактовый цикл. За тактовый цикл можно передать до 256 байт данных, используя 64-битную ширину. Скорость может достигать 8,5 ГБ/с.
Двунаправленная последовательность AMD с низкой задержкой называется HyperTransport. В общем случае она имеет уникальный план туннельных и мостовых соединений.
Последовательная FSB от Intel под названием uickPath Interconnect (чипсет) позволяет соединять процессоры в многопроцессорных системах. обновленная версия HyperTransport, созданная, чтобы занять место NuregTransport. Материнские платы с разъемами LGA 1366 и 1156.
M CA, EISA и ISA являются недействующими альтернативными интерфейсами.
P CI, PCIe и USB — это местные шины.
Типы системных шин.
В современных компьютерах используются различные шины. Шина типа PB встречается на материнских платах с процессорами Intel. Хотя они могут передавать данные четыре раза за тактовый цикл, шины типа EV6 используются на платах процессоров AMD.
Эффективная частота цифровой шины, которая передает данные несколько раз за тактовый цикл, находится в диапазоне тысяч мГц. Ее необходимо знать, чтобы оценить производительность шины и рассчитать потенциал разгона.
Помните, что системная шина имеет ограничения по разгону; если превысить допустимый уровень тактовой частоты, могут возникнуть проблемы. При указанных значениях системная шина будет работать на частотах ниже указанных на упаковке.
Шина адреса
Адреса аппаратных средств (или мест памяти), к которым обращается процессор, предназначены для передачи по шине адреса. Процессор — единственный, кто может обращаться к ней. Вся информация переносится по шине данных. При записи данных на шину адреса процессор задает адрес удерживающего устройства (например, принтера). При выполнении операции чтения данных устройство, чей адрес находится на шине адреса, устанавливает данные. Выполняя операцию чтения, процессор действует.
Каждый компонент или ячейка оперативной памяти имеет уникальный адрес. однонаправленный канал, по которому сигналы от процессоров передаются к оперативной памяти и другим устройствам.
В зависимости от размера и количества внутренних информационных линий адресуемые ячейки памяти могут иметь различные адреса. Формула для расчета адресуемых ячеек памяти выглядит следующим образом:
N = 2 I, где II — разрядность шины адреса.
Каждая шина имеет свое адресное пространство, или наиболее адресуемую память, которая может быть использована:
Битовая глубина шины адреса постоянно увеличивалась, и сейчас в современных персональных компьютерах используется 32 бита:
N == 2 32 = 4 294 967 296 = 4 Гб
В персональных компьютерах адресное пространство процессора и объем оперативной памяти почти всегда имеют разный размер. Тем не менее, даже если максимальный объем адресуемой памяти составляет 4 ГБ, а минимальный — 32 МБ (32-бит).
Аппаратное обеспечение материнской платы реализует различные шины. Архитектура Industry Standard Architecture (ISA) и шины использовались в компьютерах PC/286. Компьютеры с шиной EISA (Extended Industry Standard) включают модели PC/386 и C/484.
Шина данных
Данные передаются между устройствами с помощью этой шины. Например, небольшой объем оперативной памяти может быть обработан процессором, а затем отправлен обратно в оперативную память. Таким образом, шина данных может перемещаться от устройства к устройству в любом направлении.
Количество двоичных битов, обрабатываемых процессором в течение каждого тактового цикла, определяет битовую глубину шины данных. По мере развития компьютерных технологий битовая глубина процессора неуклонно возрастала.
После разработки в 1975 году, первый персональный компьютер теперь может содержать 64 бита благодаря развитию битной шины данных.
Шина данных в основном используется процессором для записи и чтения из оперативной памяти и внешних устройств памяти, а также для чтения данных с устройств ввода.
