Лекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура»




НазваниеЛекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура»
страница1/14
Дата публикации24.02.2014
Размер1.31 Mb.
ТипЛекция
zadocs.ru > Информатика > Лекция
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14
Содержание

1 Лекция 3

2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера 4

2.1 Эволюция архитектуры компьютера 4

2.1.1 Гарвардская архитектура 4

2.1.2 Фон-неймановская архитектура (первое поколение ЭВМ) 5

2.1.3 Архитектура компьютеров 2 поколения 5

2.1.4 Архитектура компьютеров 3-го поколения 6

2.1.5 Архитектура компьютеров 4-го поколения. 9

2.1.6 Современная ЭВМ 10

3 История развития и архитектура современных микропроцессоров 14

3.1 Микропроцессор. 14

3.2 Архитектура фон Неймана применительно к микропроцессору. 16

3.3 Общая структура процессора 16

3.4 Архитектура микропроцессора 17

3.4.1 Архитектура как совместимость с кодом 17

3.4.2 Архитектура как совокупность аппаратных решений, присущих определённой группе процессоров. 21

3.4.3 Суперскалярность и внеочередное исполнение команд 22

3.5 Потребительские характеристики микропроцессоров 24

3.5.1 Частота работы ядра микропроцессора 24

3.5.2 Частота и разрядность системной шины 25

3.5.3 Количество ядер( потоков) 25

3.5.4 Размер кэш-памяти 26

3.5.5 Процессорный разъём 26

3.5.6 Тепловой пакет 27

3.5.7 Наличие встроенной графики 28

3.6 Методы повышения производительности 28

3.7 Разгон микропроцессора 39

3.7.1 История вопроса 39

3.7.2 ав 46

4 Материнские платы. Чипсет и его назначение 51

4.1 Северный и южный мосты 51

5 Системы охлаждения ЭВМ 55

5.1 Виды охлаждения 55

5.2 Особенности реализации воздушного охлаждения. 60

5.2.1 Радиаторы 60

5.2.2 Тепловые трубки 61

5.2.3 Вентилятор 71

6 Современные носители данных и их потребительские характеристики 78

6.1 Накопители на жёстких магнитных дисках 78

6.1.1 Устройство жёсткого диска 78

Пластины 79

Магнитные головки 80

Привод головок 81

Управляющая электроника 82

Общие концепции работы кеша жесткого диска 84

Технология SMART 88

6.1.2 Потребительские характеристики жёсткого диска 101

6.1.3 Как ввести новый диск в работу 102



^

1Лекция

2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера


Термин «архитектура» довольно часто встречается в литературе по вычислительной технике. Попыток определить его множество( едва ли не каждый автор даёт свою трактовку), но все авторы сходятся в том, что описание архитектуры включает в себя:

описание компонент компьютера ( функциональных, логических, физических, или всё сразу)

описание структуры управляющих и информационных связей между ними

Описание взаимного соединения компонент.

принципы действия компонент ( с учётом тенденции к усложнению компонент правильнее говорить об архитектуре компоненты определённого типа: видеоускоритель, носитель данных микропроцессор и т.п.)

Описание принципа действия ПК в целом, его характеристик( в идеале, который недостижим...)
^

2.1Эволюция архитектуры компьютера

2.1.1Гарвардская архитектура




Исторически первой появилась гарвардская структура, разработанная Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете и реализованныя в компьютере Марк-1. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это главный отличительный признак – раздельное хранение и обработка команд и данных (использование раздельных адресных пространств). Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие. Принципиально невозможно производить операцию записи в память программ, что исключает возможность случайного разрушения управляющей программы в случае неправильных действий над данными. Она почти не использовалась до конца 70-х годов. Однако оказалось, что в микрокомпьютерах объем данных очень невелик по сравнению с управляющей программой. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствует сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных. Гарвардская архитектура применяется в микроконтролерах, где требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры. Однако такая схема имеет очевидный(это ещё вопрос) недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных процессор должен иметь почти в два раза больше выводов (раздельно для шины адреса и шины данных).
^

2.1.2Фон-неймановская архитектура (первое поколение ЭВМ)




Команды и данные представляются в двоичном коде. Выполняемая программа и оперативные данные выполняемой программы хранятся в оперативной памяти (ОЗУ). Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) используется для хранения постоянных данных и программ. Так, например, в ПЗУ хранятся служебные программы, обеспечивающие взаимодействие оператора (пользователя) с компьютером при помощи устройств ввода-вывода ( УВВ) и устройства управления (УУ). При вводе и выводе данных в компьютерах первого поколения процессор простаивает. Среди устройств ввода-вывода важное место занимает пульт управления, предназначенный для оператора. Оператор может прервать выполнение программы, внести необходимые изменения, и вновь выполнить программу или перейти к решению другой задачи. Пульт управления связан с процессором при помощи устройства управления, формирующего необходимые управляющие сигналы.
^

2.1.3Архитектура компьютеров 2 поколения


В структуру ЭВМ второго поколения был введен специализированный процессор, управляющий обменом данных между устройствами ввода/вывода и основной памятью. Это управление осуществляется программой ввода/вывода, которая считывается из основной памяти и выполняется процессором ввода/вывода автономно. Для обеспечения возможности совместной работы процессора ввода/вывода и центрального процессора были введены прерывания работы центрального процессора по сигналу от процессора ввода/вывода об окончании операции.

В командах можно было указывать адрес операнда непосредственно или использовать команды, формирующие адрес при помощи индексного регистра.



В архитектуре ЭВМ второго поколения можно отметить следующие особенности:

применение специальных устройств преобразования адресов;

использование индексного регистра;

применение иерархической структуры памяти;

обособленное управление вводом / выводом;

использование системы прерываний для работы с устройствами ввода/вывода;

использование принципов микропрограммного управления;

Процессор пересылает данные в определенную область памяти и передает управление контроллеру канала ввода /вывода (КВВ), при этом он продолжает вычисления. После обработки устройством ввода вывода принятых данных или после передачи данных устройством ввода/вывода (УВВ), контроллер канала ввода/вывода ( КВВ) формирует сигнал прерывания, при этом возможно прерывание работы процессора и обслуживание запроса устройства ввода/вывода.

Сущность микропрограммного управления состоит в том, что любая машинная операция выполняется как последовательность микроопераций, вместо аппаратного формирования управляющих сигналов используется микропрограмма. Сигналы управления последовательно читаются из памяти микропрограмм и устанавливаются на соответствующих линиях управления. Для передачи сигналов управления используется специальная шина - шина управления.

Среди ЭВМ второго поколения появились и первые суперкомпьютеры, предназначенные для решения сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений, в них были применены методы параллельной обработки, увеличивающие число операций, выполняемых в единицу времени - конвейеризация команд, во время выполнения одной команды вторая считывается из памяти и готовится к выполнению и параллельная обработка нескольких программ. ЭВМ, выполняющие параллельно несколько программ при помощи нескольких микропроцессоров, получили название мультипроцессорных систем.
^

2.1.4Архитектура компьютеров 3-го поколения


Третье поколение ЭВМ разрабатывалось с 1964 по 1974год на новой элементной базе, осуществился переход к интегральной технологии.

Совершенствование технологии позволило усложнить микросхемы, появились микросхемы средней интеграции (СИС). Затем из всего многообразия микросхем были выделены функционально - полные комплекты интегральных схем, предназначенные для построения контроллеров и вычислительных машин. Для вычислительной техники характерно использование большого количества однотипных логических элементов, особенно в устройствах памяти. Технология изготовления интегральных схем памяти проще, отличается повторяемостью соединений, поэтому первыми большими интегральными схемами стали БИС памяти. БИС содержали от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч элементов на кристалле. Благодаря интегральным схемам удалось значительно улучшить технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ. В ЭВМ третьего поколения появился расширенный набор внешних устройств. Были разработаны устройства внешней памяти с увеличенной емкостью и скоростью передачи данных.

Для повышения быстродействия в супер-ЭВМ использовались методы конвейерной и параллельной обработки при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи и управляет потоком данных в системе.

В начале 70-х годов были выпущены первые машины класса мини-ЭВМ, предназначенные для управления технологическими процессами, семейства PDP11, объединенные единой архитектурой , отличающиеся не очень высокой производительностью и, соответственно, ценой. Эта архитектура стала образцовой в классе мини-ЭВМ.

Подведем итог и обсудим особенности архитектуры компьютеров 3-го поколения:

Это, прежде всего введение системы совместимых ЭВМ, реализация программной совместимости и аппаратной совместимости.



Основные изменения в архитектуре:

многофункциональность центрального процессора. центральный процессор включает в себя несколько сопроцессоров ( для вычислений с удвоенной точностью, для работы с символьной информацией). В таком процессоре возможна оптимизация вычислительного процесса за счет совмещения операций, выполняемых в разных устройствах. В устройстве управления центрального процессора появляется устройство формирования адресов для обеспечения многопользовательского режима работы;

усложнение структуры иерархии памяти. вводится дополнительная память между внешним запоминающим устройством и оперативной памятью, что обеспечивает организацию обращений к единой памяти (виртуальной памяти, появляется возможность распределять виртуальные ресурсы между пользователями, организовать работу в многопользовательском режиме, когда каждый пользователь имеет в распоряжении свою виртуальную машину);

введение мультиплексных и селекторных каналов. Мультиплексный канал обеспечивает обмен с однородными устройствами (терминалами). Обслуживается несколько медленных устройств одновременно. Селекторный канал служит для скоростного обмена между основной памятью и быстродействующими внешними устройствами. Особенно важно организовать быстрый обмен с видеосистемой компьютера при обработке графической информации. Селекторный канал работает в монопольном режиме и обслуживает только одно устройство;

развитие устройств ввода/вывода (периферии). Разработаны устройства внешней памяти с увеличенной скоростью и емкостью, введены стандарты на связь с внешними устройствами (интерфейсы), широкое применение получили терминальные устройства, обеспечившие доступ к компьютеру широкого числа пользователей. Основная концепция: совместное использование ресурсов и введение принципов виртуального распределения ресурсов, ресурсы предоставляются пользователю по его потребностям.

Режимы использования ресурсов:

однопрограммный (вычислительная система обслуживает одного пользователя и решает только одну задачу);

многопрограммный (несколько программ одновременно выполняются в системе,при этом выполнение любой программы может быть на некоторое время прервано для выполнения другой).

В многопрограммном режиме (мультипрограммном) должны быть четко определены правила перехода от одной программе к другой. Используются два режима работы:

Режим разделения времени- вычислительная система работает с различными пользователями. На каждое устройство (каждому пользователю) выделено определенное время работы процессора С Т. С учетом инерции человека - пользователя время ответа системы равно времени ответа при индивидуальной работе. Возрастает эффективность использования вычислительной системы;

Режим реального времени - применяется в информационно-поисковых системах. При этом вычислительная система выполняет фоновую задачу. К системе имеет доступ несколько удаленных терминалов. При обращении пользователя фоновая задача прерывается, система переходит к обработке программы прерывания (к обслуживанию данного пользователя ) и по окончании возвращается в фоновый режим.
^

2.1.5Архитектура компьютеров 4-го поколения.


Впервые была применена концепция открытой архитектуры, которая позволила пользователям добавлять новые компоненты к их компьютерам без замены всего устройства. Две тенденции - распределение вычислительных ресурсов , оснащение персональными компьютерами рабочих мест и необходимость объединения вычислительных ресурсов для решения общих задач большого объема - привели к сетевому буму. Для объединения рабочих групп (вычислительных станций, в качестве которых чаще всего используют персональные компьютеры) в вычислительные сети необходимы специализированные машины - серверы.

В архитектуре серверов и суперсерверов используется несколько процессоров, высокоскоростная система шин.

Технология заказных СБИС позволила перейти к ЭВМ на специализированных процессорах, процессорах ассоциативного типа, основной операцией которых является операция сравнения.

Подведем итог:

Компьютеры 4-го поколения строятся на СБИС, с дальнейшим увеличением интеграции без изменения технической базы;

расширется многофункциональность процессора (используются принципы конвейерной обработки данных и команд);

для согласования скорости работы процессора и памяти вводится буферная память (кэш 1-го уровня) между регистровой памятью процессора (СОЗУ) и оперативной памятью (ОЗУ);

используются устройства логического предсказания последующих переходов; используются специальные устройства формирования адресов для работы с кэш памятью 1-го уровня;

используется модульный принцип построения вычислительных систем, позволяющий наращивать их мощность;

для реализации режимов реального времени и разделения времени используются сети ЭВМ ;

используется режим мультипрограммирования, многозадачности, реализованный аппаратно и программно;

разрабатываются новые архитектуры многомашинных и многопроцессорных систем.

Можно сказать, что процесс развития вычислительных систем четвертого поколения продолжается.
^

2.1.6Современная ЭВМ


Работа над первым персональным компьютером IBM PC была закончена в 1981 году компанией IBM. Разработчикам была предоставлена полная сводоба действий и очень ограниченный бюджет. Свобода состояла в том, чтобы не заниматься разработкой персонального компьютера (ПК) «с нуля», а воспользоваться готовыми блоками других фирм. Сотрудники подразделения стали выбирать лучшие предложения, имеющиеся на тот момент. В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новенький тогда микропроцессор Intel-8088 (известнейшей на сегодняшний день фирмы Intel). Японский зеленый экран монитора (нет пореключаталя «вкл/выкл - ») (24 строки, 80 позиций), «кликающая» клавиатура с небольшими клавишами Shift и Return и дисковая операционная система DOS малоизвестной фирмы Microsoft.

Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. Существовал некий базовый состав блоков, необходимый для работы ПК (осуществляет обработку информации). Он смонтирован на основной электронной плате компьютера IBM PC (системной, или материнской, плате). Узлы, управляющие всеми остальными устройствами компьютера – монитором, дисками, принтером – реализованы на отдельных платах (контроллерах), которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате – слоты. К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в общий металлический или пластмассовый корпус – системный блок. Ни эти компоненты, ни система ввода-вывода не были лицензированы. Более того, методы сопряжения устройств с компьютером IBM PC не только не держались в секрете, но и были доступны всем желающим, принцип соединения частей в целое был подробно описан.

Компьютер получается модульным. Он легко расширяется и модернизируется с использованием этих гнезд, к которым пользователь может подключать разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым конфигурировать свою машину в соответствии с личными предпочтениями.

Это возможно потому, что каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) подсоединяется к единой общей для всего компьютера магистрали – системной шине. Можно сказать, что это провод с ответвлениями, идущими к слотам. Для согласования работы (интерфейсов) периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры или адаптеры (наборы электронных цепей, узлы), которые и соединяются со слотами.

Открытая архитектура позволяет другим производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с такой архитектурой. Детали компьютера совместимы и взаимозаменяемы, компьютер легко модернизировать, приобретая и устанавливая новые устройства, заменять вышедшие из строя и устаревшие детали новыми. Наибольшую выгоду от открытости архитектуры IBM PC получили пользователи, поскольку открытость архитектуры IBM PC привела к появлению множества производителей «IBM PC-совместимых компьютеров» и росту конкуренции между производителями комплектующих, что привело к удешевлению деталей компьютеров и их широкому распространению.



Эта схема во многом характерна как для микроЭВМ, так и для мини ЭВМ и ЭВМ общего назначения.

Рассмотрим устройства подробнее.

Основная часть— микропроцессор (МП) или CPU (Central Processing Unit), он управляет работой всех узлов ПК и программой, описывающей алгоритм решаемой задачи. МП имеет сложную структуру в виде электронных логических схем. В качестве его компонент можно выделить:

АЛУ- арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными и адресами памяти.

Регистры или микропроцессорная память — сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с ними;

УУ - устройство управления - управление работой всех узлов МП посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой (100 МГц, 200-400 МГц). Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;

СПр - система прерываний - специальный регистр, описывающий состояние МП, позволяющий прерывать работу МП в любой момент времени для немедленной обработки некоторого поступившего запроса, или постановки его в очередь; после обработки запроса СПр обеспечивает восстановление прерванного процесса;

Устройство управления общей шиной — интерфейсная система.

Для расширения возможностей ПК и повышения функциональных характеристик микропроцессора дополнительно может поставляться математический сопроцессор, служащий для расширения набора команд МП.

Интерфейсная система - это:

шина управления (ШУ) - предназначена для передачи управляющий импульсов и синхронизации сигналов ко всем устройствам ПК;

шина адреса (ША) - предназначена для передачи кода адреса ячейки памяти или порта ввода/вывода внешнего устройства;

шина данных (ШД) - предназначена для параллельной передачи всех разрядов числового кода;

шина питания - для подключения всех блоков ПК к системе электропитания.

Интерфейсная система обеспечивает три направления передачи информации:

- между МП и оперативной памятью;

- между МП и портами ввода/вывода внешних устройств;

- между оперативной памятью и портами ввода/вывода внешних устройств.

Память - устройство для хранения информации в виде данных и программ. Память делится прежде всего на внутреннюю (расположенную на системной плате) и внешнюю (размещенную на разнообразных внешних носителях информации).

Внутренняя память в свою очередь подразделяется на:

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (read only memory), которое содержит - постоянную информацию, сохраняемую даже при отключенном питании, которая служит для тестирования памяти и оборудования компьютера, начальной загрузки ПК при включении.

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, ОП — оперативная память) или RAM (random access memory), служит для оперативного хранения программ и данных, сохраняемых только на период работы ПК. Она энергозависима, при отключении питания информация теряется. Логическая организация памяти — адресация, размещение данных определяется ПО, установленным на ПК, а именно ОС.

Контроллеры служат для обеспечения прямой связи с ОП, минуя МП, они используются для устройств быстрого обмена данными с ОП - НГМД, НЖД, дисплей и др., обеспечения работы в групповом или сетевом режиме. Клавиатура, дисплей, мышь являются медленными устройствами, поэтому они связаны с системной платой контроллерами и имеют в ОП свои отведенные участки памяти.

Порты бывают входными и выходными, универсальными (ввод - вывод), они служат для обеспечения обмена информацией ПК с внешними, не очень быстрыми устройствами. Информация, поступающая через порт, направляется в МП, а потом в ОП. Выделяют два вида портов:

последовательный — обеспечивает побитный обмен информацией, обычно к такому порту подключают модем;

параллельный — обеспечивает побайтный обмен информацией, к такому порту подключают принтер. Современные ПК обычно оборудованы 1 параллельным и 2 последовательными портами.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Лекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура» icon1 Архитектура и состав ЭВМ. Основные характеристики современных персональных ЭВМ
Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора,...

Лекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура» iconА архитектура компьютера определяет (характеризует)
Основные функциональные возможности системы, сферу применения, режим работы, характеризует параметры, особенности структуры

Лекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура» iconМосковский архитектурный институт
...

Лекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура» iconКурс лекций (под редакцией профессора В. Ф. Беркова) 2-е издание...
Авторский коллектив: Н. С. Щекин (лекция 8); Г. И. Касперович (лекция 9); В. Ф. Берков (лекция 10); И. Г. Подпорин (лекция 11); В....

Лекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура» iconКраткие итоги Набор для практики Вопросы Упражнения
Лекция: Обзор функций ос: управление памятью, файлами, процессами, сетями, командными интерпретаторами, сервисы ос, системные вызовы....

Лекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура» icon1 Искусство Древнего мира до н э
Архитектура. Рельеф. Скульптура Др. Царства и её связь с заупокойным культом. Живопись. Фаюмские портреты. Каноны изображения. Жанры...

Лекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура» iconУчебно-методический комплекс по специальной дисциплине «Ландшафтная...
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Лекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура» iconАрхитектура Web-приложений
Рассматривается архитектура современных Web-приложений, взаимодействие клиентской и серверной частей таких приложений, принципы их...

Лекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура» iconЛекция 9 Тема: Архитектура и принципы построения сетей
Эталонная модель взаимосвязи открытых систем (модель osi), логическая структура коммуникационных сетей с маршрутизацией и селекцией...

Лекция 2 Лекция Архитектура и алгоритм работы современного компьютера Термин «архитектура» iconЛекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое...
Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов