Суббота , 14 декабря 2019
Главная / Студентам / ААС / Лекция 8. Основные блоки ЭВМ, их назначение и функциональные характеристики

Лекция 8. Основные блоки ЭВМ, их назначение и функциональные характеристики

8.1 Микропроцессор 

Микропроцессор (МП) – центральное устройство ПК, предназначенное для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией. 

В состав микропроцессора входят несколько компонентов: 

  1. Устройство управления (УУ) формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов. 
  2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор). 
  3. Микропроцессорная память (МПП) предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в ближайшие такты работы машины; МПП строится на регистрах для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие). 
  4. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. 

Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. 
Порты ввода-вывода (I/O ports) – элементы системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами. 

5. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту системной шины. Тактовая частота микропроцессора значительно больше: она равна тактовой частоте шины, увеличенной в N раз (N является множителем частоты). Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта, или, просто, такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется за определенное количество тактов. 

8.2 Системная шина 

Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя: 

  1. кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда; 
  2. кодовую шину адреса (КША), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства; 
  3. кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины; 
  4. шину питания, содержащую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания. 

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации: 

  • между микропроцессором и основной памятью; 
  • между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств; 
  • между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти). 

8.3 Основная память 

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). 

  • ПЗУ (ROM – Read Only Memory) предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации; позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя); 
  • ОЗУ (RAM – Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. 

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость). 

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая память CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), постоянно питающаяся от своего аккумулятора; в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК (обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы. 

8.4 Внешняя память 

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память представлена разнообразными видами запоминающих устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются показанные на структурной схеме накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. 

Назначение этих накопителей – хранение больших объемов информации, запись и выдача информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД конструктивно, объемами хранимой информации и временем ее поиска, записи и считывания. В качестве устройств внешней памяти широко используются также накопители на оптических дисках (CD – Compact Disk, DVD – Digital Versatile Disk), накопители на флэш-дисках и реже – запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (НКМЛ, стримеры) и накопители на магнитооптических дисках (НМОД). 

8.5 Источник питания 

Источник питания – блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК. 

8.6 Таймер 

Таймер – внутримашинные электронные часы реального времени, обеспечивающие, при необходимости, автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору и при отключении машины от электросети продолжает работать. 

8.7 Внешние устройства 

Внешние устройства (ВУ) ПК – важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса, достаточно сказать, что стоимость ВУ составляет до 80-85% стоимости всего ПК. 

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами. 

К внешним устройствам относятся: 

  • внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК; 
  • диалоговые средства пользователя; 
  • устройства ввода информации; 
  • устройства вывода информации; 
  • средства связи и телекоммуникаций.Разрыв страницы 

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав: 

  • видеомонитор (видеотерминал, дисплей) устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации; 
  • устройства речевого ввода-вывода – быстро развивающиеся средства мультимедиа. Это различные микрофонные акустические системы, «звуковые мыши» со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и кодировать; синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру. 

К устройствам ввода информации относятся: 

  • клавиатура – устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК; 
  • графические планшеты (дигитайзеры) – устройства для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК; 
  • сканеры (читающие автоматы) – оборудование для автоматического считывания с бумажных и пленочных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; 
  • устройства целеуказания (графические манипуляторы), предназначенные для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК (джойстик – рычаг, мышь, трекбол – шар в оправе, световое перо и т. д.); 
  • сенсорные экраны – для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с экрана дисплея в ПК. 

К устройствам вывода информации относятся: 

  • принтеры – печатающие устройства для регистрации информации на бумажный или пленочный носитель; 
  • графопостроители (плоттеры) – устройства для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель. 

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т. п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим компьютерам и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы и карты – сетевые адаптеры, «стыки», мультиплексоры передачи данных, модемы – модуляторы (демодуляторы)). 

8.8 Дополнительные интегральные микросхемы 

К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные интегральные микросхемы, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: 

  • математический сопроцессор; 
  • контроллер прямого доступа к памяти; 
  • сопроцессор ввода-вывода; 
  • контроллер прерываний и т. д. 

Математический сопроцессор используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с фиксированной и плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (одновременно) с основным МП, под его управлением. Ускорение операций происходит в десятки раз. Современные модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру. 

Контроллер прямого доступа к памяти (DMA – Direct Memory Access) обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и оперативной памятью без участия микропроцессора, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. 

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП существенно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплея, принтера, НЖМД, НГМД и т. д.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти. 

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания. Прерывание – временная приостановка выполнения одной программы с целью оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы. Контроллер принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. Микропроцессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым. Прерывания возникают при работе компьютера постоянно, достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям. Например, в компьютерах IBM PC прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (длятся эти прерывания тысячные доли секунды и поэтому пользователь их не замечает). 

8.9 Элементы конструкции ПК 

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы – стыки подключаются внешние устройства: дополнительные блоки памяти, клавиатура, дисплей, принтер и т. д. 

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами – адаптерами внешних устройств. На системной плате (часто ее называют материнской платой – motherboard), в свою очередь, размещаются: 

  • микропроцессор; 
  • системные микросхемы (чипсеты); 
  • генератор тактовых импульсов; 
  • модули (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ; 
  • микросхема CMOS-памяти; 
  • адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД; 
  • контроллер прерываний; 
  • таймер и т. д. 

Многие из них подсоединяются к материнской плате с помощью разъемов. 

8.10 Функциональные характеристики ЭВМ 

Основными функциональными характеристиками ЭВМ являются: 

  1. Производительность, быстродействие, тактовая частота системной платы и тактовая частота микропроцессора. 
  2. Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса. 
  3. Типы системного, локальных и внешних интерфейсов. 
  4. Тип и емкость оперативной памяти. 
  5. Наличие, виды и емкость кэш-памяти. 
  6. Тип и емкость накопителей на жестких магнитных дисках. 
  7. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках. 
  8. Вид и емкость накопителей CD и DVD. 
  9. Наличие и емкость накопителей на магнитной ленте. 
  10. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера. 
  11. Наличие и тип принтера. 
  12. Наличие и тип модема. 
  13. Наличие и виды мультимедийных аудио- и видеосредств. 
  14. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы. 
  15. Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров. 
  16. Возможность работы в вычислительной сети. 
  17. Возможность работы в многозадачном режиме. 
  18. Надежность. 
  19. Стоимость. 
  20. Габариты и вес. 

Производительность, быстродействие, тактовая частота 

Производительность современных компьютеров измеряют обычно в миллионах операций в секунду. Единицами измерения служат: 

  • МИПС (MIPS – Millions Instruction Per Second) – для операций над числами, представленными в форме с фиксированной запятой (точкой); 
  • Мфлопс (MFLOPS – Millions of FLoating point Operation Per Second) – для операций над числами, представленными в форме с плавающей запятой (точкой). 

Реже производительность компьютеров определяют с использованием следующих единиц измерения: 

  • Кфлопс (KFLOPS – KILOFLOPS) для низкопроизводительных компьютеров -тысяча неких усредненных операций над числами; 
  • Гфлопс (GFLOPS – GIGAFLOPS) – миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой. 

Для универсальных ЭВМ, выполняющих самые разные задания, эти оценки будут весьма неточными. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции. 

Например, при отсутствии конвейерного выполнения команд и увеличения внутренней частоты у микропроцессора, тактовый генератор с частотой 100 Мгц обеспечивает выполнение 20 млн коротких машинных операций (простые сложение и вычитание, пересылка информации и т. д.) в секунду; с частотой 1000 Мгц – 200 млн коротких операций в секунду. 

Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса 

Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК. 

Типы системного, локальных и внешних интерфейсов 

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды, используют беспроводные каналы связи. 

Емкость оперативной памяти 

Емкость оперативной памяти измеряется обычно в мегабайтах. Напоминаем, что 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 10242 байт. 

Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющей емкость меньше 16 Мбайт, просто не работают либо работают, но очень медленно. 

Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, увеличивает эффективную производительность компьютера при решении сложных задач (когда ощущается дефицит памяти) примерно в 1,41 раза (закон корня квадратного). 

Виды и емкость накопителей на жестких магнитных дисках 

Емкость НЖМД измеряется обычно в гигабайтах, 1 Гбайт = 1024 Мбайт. 

Винчестер объемом 50 Гбайт сегодня еще приемлем, но, по прогнозам специалистов, новые программные продукты будут требовать многие гигабайты внешней памяти. 

Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках 

Сейчас еще применяются накопители на гибких магнитных дисках с форм-фактором 3,5 дюйма, имеющие стандартную емкость 1,44 Мбайт (накопители для гибких дисков 5,25 дюйма, емкостью 1,2 Мбайт, в современные ЭВМ уже не устанавливаются). 

Наличие, виды и емкость кэш-памяти 

Кэш-память – это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая кэш-память в ядре микропроцессора (L1 – кэш-память первого уровня), на плате микропроцессора (L2 – кэш-память второго уровня ), на материнской плате (L3 – кэш-память третьего уровня ); для ускорения операций с дисковой памятью организуется кэш-память на ячейках оперативной памяти или на флэш-памяти внутри дисковода (L4 – кэш-память четвертого уровня). 

Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров 

Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров означает возможность использования на компьютере, соответственно, тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин. 

Возможность работы в многозадачном режиме 

Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет существенно увеличить эффективное быстродействие компьютера. 

Надежность 

Надежность – это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции