Архитектура ЭВМ.
Архитектура
ЭВМ - комплекс аппаратных и программных средств, с помощью которых обеспечивается
выполнение задач пользователя и программирование задач. Архитектура разделяется
на внешнюю и внутреннюю (то, из чего состоит ЭВМ).
В основу положен модульно-магистральный принцип. Модульный принцип позволяет
комплектовать нужную конфигурацию, модернизировать ее. Модульная организация
опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией. Обмен информацией
между устройствами производится по трем многоразрядным шинам (многопроводные
линии связи).
Процесс взаимодействия процессора и памяти сводится в основном
к двум операциям: запись информации в память и чтение информации из памяти.
При записи процессор по специальным проводникам (они называются шиной
адреса) передает биты, кодирующие адрес; по другим проводникам передает
управляющий сигнал - "запись" и по еще одной группе проводников (она называется
шиной данных) передает записываемую информацию. При
чтении также по шине адреса передается соответствующий адрес оперативной памяти
и с шины данных считывается требуемая информация.
Число одновременно передаваемых по шине адреса и шине данных разрядов (битов)
называется разрядностью соответствующей шины и является важной характеристикой
ЭВМ. Разрядность шины данных определяет максимальное общее количество доступной
памяти (адресное пространство процессора); разрядность шины данных -
максимальную порцию информации, которую можно получить из памяти за один раз.
Для процессора i8088, на котором работал первый персональный компьютер корпорации
IBM, разрядность адресной шины равнялась 20 и, соответственно, максимальное
количество доступной памяти равнялось 1Мбайту. Современные процессоры Pentium
могут адресовать до 1Гбайта памяти. Следует заметить, что в компьютере, как
правило, объем оперативной памяти меньше, чем максимально возможный для процессора.
Процессор и основная память находятся на большой плате, которая называется материнской.
Для подключения к ней периферийных устройств (дисководов, манипуляторов типа
мыши, принтеров и т.д.) служат специальные платы - контроллеры. Они вставляются
в разъемы (слоты) на материнской плате, а к их концу (порту),
выходящему наружу компьютера, подключается дополнительное устройство. Таким
образом, периферийные устройства подключаются к системной магистрали не непосредственно,
а через специальные устройства - контроллеры.
Магистраль можно сравнить с телефонным кабелем, к которому параллельно подключены
абоненты - блоки компьютера. "Обращение" процессора к внешнему устройству похоже
на вызов абонента. Все устройства пронумерованы. Когда нужно обратиться к какому-нибудь
из них, в магистраль посылается его адрес. Как и телефон, устройство может быть
свободно или занято. Приняв сигнал "свободно", процессор посылает ему информацию.
Контроллер внешнего устройства можно сравнить с телефонным аппаратом, который
принимает сигнал от процессора и дешифрует его. Например, контроллер экрана,
приняв от процессора сигнал 01000001 (код буквы "А"), преобразует его в указание
электронно-лучевой трубке изобразить на экране букву "А".
Процессор
Основа вычислительной машины
- процессор. В нем расположены арифметико-логическое устройство - АЛУ, устройство
управления - УУ и регистры для временного хранения информации. АЛУ осуществляет
непосредственную обработку данных: сложение двух чисел, умножение одного числа
на другое, перенос информации из одного места в другое и т.д. Данные процессор
считывает из ОЗУ (оперативной памяти) компьютера, туда же он пересылает результат
действия над этими данными.
Устройство управления координирует взаимодействие различных частей ЭВМ.
Важнейшими характеристиками процессора являются:
Разрядность процессора. Обычно команда выполняется не по одному биту, а одновременно группами по 8, 16, 32, 64 бита. Число одновременно обрабатываемых битов и называется разрядностью процессора. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обработать в единицу времени, тем выше его эффективность.
Тактовая частота процессора характеризует быстродействие компьютера. Режим работы процессора задается микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты. Это своеобразный метроном внутри компьютера. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Ясно, что если метроном "стучит быстрее", то и процессор работает быстрее. Микропоцессор фирмы Intel, разработанный для первого персонального компьютера корпорации IBM (1981 год) - i8088 - имел тактовую частоту всего 4,77 МГц и выполнял 0,33 миллионов инструкций в секунду. Современные процессоры Pentium имеют тактовую частоту 100 и более МГц.
Каждый конкретный процессор может работать не более чем с определенным количеством оперативной памяти. Максимальное количество памяти, которое процессор может обслужить, называется адресным пространством процессора и является важной характеристикой компьютера. Определяется адресное пространство разрядностью адресной шины.
ПЗУ используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержимое памяти специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения.
Из ПЗУ можно только читать.
Основной обязанностью системной
шины является передача информации между процессором и остальными компонентами
компьютера. По этой шине осуществляется не только передача информации, но и
адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Таким
образом, упрощенно системную шину (магистраль) можно представить как совокупность
сигнальных линий, объединенных по их назначению (данные, адреса, управление).
Основной характеристикой этих линий является их разрядность - разрядность
адресной шины, шины данных.