II. Тема лекции: аппаратные средства современных компьютеров (4 час).

Конспект лекции:

2.1 Компьютер. Магистрально-модульный принцип построения. Понятие архитектуры. Структура компьютеров, назначение основных узлов. (2 часа).

Компьютер — это универсальное (многофункциональное) электронное автоматическое устройство, предназначенное для на­копления, обработки и передачи информации. Основные блоки компьютера: процессор, память, периферийные устройства,

Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, то есть средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки дан­ных на определенный интервал времени. В основу архитектуры со­временных персональных компьютеров положен магистрально модульный принцип (рис.1).

Магистраль (системная шина) — это набор электронных ли­ний, связывающих центральный процессор, основную память и пе­риферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти. Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать ком­пьютер нужной ему конфигурации и производить при необходи­мости ее модернизацию.

	Системный блок Процессор Оперативная память
М а г и с т р а л ь
Периферийные (внешние) устройства НГМД НЖМД Дисплей Клавиатура Принтер Мышь Сканер

Рис.1

Конструктивно составные части системного блока и магистраль располагаются на системной плате. Большая часть компьютеров имеет системные платы, которые содержат лишь основные узлы, а элементы связи, например, с приводами на­копителей, дисплеем и другими периферийными информации, передаваемых по шине параллельно.

Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, или наоборот, от устройства к процессо­ру, то есть шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием устройствами на ней отсутствуют. В таком случае эти отсутствующие элементы располагаются на отдельных печатных платах, которые вставля­ются в специальные разъемы расширения, предусмотренные для этого на системной плате. Эти дополнительные платы называют дочерними, а системную плату — материнской.

Функциональные устройства, выполненные на дочерних пла­тах, часто называют контроллерами или адаптерами, а сами дочерние платы — платами расширения. Таким образом, подклю­чение отдельных модулей компьютера к магистрали, находящейся непосредственно на материнской плате, на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответ­ствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно от­реагировать на него. За его выполнение процессор не отвечает, отвечает лишь соответствующий контроллер, поэтому периферий­ные устройства компьютера заменяемы и набор таких модулей произволен. Большая часть периферийных устройств подсоединя­ется очень просто — снаружи, через разъемы на корпусе системно­го блока к выходам соответствующих контроллеров — портам (периферийные устройства еще называются внешними, так как осуществляют связь ЭВМ с «внешним миром»).

Модульная организация системы опирается на магистральный (щинный) принцип обмена информации. Процессор выполняет арифметические и логические операции, взаимодействует с памя­тью, управляет и согласует работу периферийных устройств.

Обмен информацией между отдельными устройствами компь­ютера производится по образующим магистраль трем многораз­рядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули — шине данных, шине адресов, шине управления. Разрядность шины определяется количеством битов шины передачи данных можно отнести:

• запись/чтение данных из оперативной памяти (оперативное запо­минающее устройство — ОЗУ);

• запись/чтение данных из внешних запоминающих устройств (ВЗУ);

• чтение данных с устройств ввода;

• пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, формируя код адреса данного устройства, а для ОЗУ — код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к устройствам (однонаправленная шина).

По шине управления передаются сигналы, определяющие ха­рактер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизи­рующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

2. Процессор компьютера. Основные характеристики (разрядность, адресное пространство и др.)

Процессор — это центральное устройство компьютера. Он вы­полняет находящиеся в оперативной памяти команды программы и «общается» с внешними устройствами благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенными на специальные контакты корпуса микросхемы.

К обязательным компонентам процессора относятся арифме­тико-логическое (исполнительное) устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Выполнение процессором команды предусмат­ривает: арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную), перемещение данных из одного места памяти в другое и координацию взаимодействия различных устройств ЭВМ. Выделяют четыре этапа обработки команды процессором: выборка, декодирование, выполнение и за­пись результата. В ряде случаев, пока первая команда выполняет­ся вторая может декодироваться, а третья выбираться.

У компьютеров четвертого поколения функции центрального процессора выполняет микропроцессор (МП) — сверхбольшая интегральная схема (СБИС), реализованная в едином полупровод­никовом кристалле (кремния или германия) площадью меньше 0,1 см².

Знание модели МП, установленного на системной плате ком­пьютера, позволяет судить, к какому классу оборудования принад­лежит компьютер. Микропроцессоры различаются рядом важных характеристик:

• тактовой частотой обработки информации;

• разрядностью;

• интерфейсом с системной шиной;

• адресным пространством (адресацией памяти).

Разрядность процессора. Это число одновременно обраба­тываемых процессором битов, то есть количество внутренних битовых (двоичных) разрядов — важнейший фактор производи­тельности МП. Процессор может быть 8-, 16-, 32- и 64-разрядным. Вместе с быстродействием разрядность характеризует объем информации, перерабатываемый процессором компьютера за еди­ницу времени.

Адресное пространство (адресация памяти). Одна из функ­ций процессора состоит в перемещении данных, в организации их обмена с внешними устройствами и оперативной памятью. При этом процессор формирует код устройства, а для ОЗУ — адрес ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине. Объем физически адресуемой микропроцессором оперативной памяти на­зывается его адресным пространством. Он определяется раз­рядностью внешней шины адреса. Действительно, пусть N — разрядность адресной шины, тогда количество различных двоич­ных чисел, которые можно по ней передать, равно 2^. Известно, что число, передаваемое по адресной шине при обращении процес­сора к оперативной памяти, есть адрес ячейки ОЗУ (ее порядковый номер). Значит, 2^м — это количество ячеек оперативной памяти, к которым, используя адресную шину, может обратиться (адресо­ваться) процессор, то есть 2^м — объем адресного пространства процессора. Следовательно, при 16-, 20-, 24- или 32-разрядной ши­не адреса создается адресное пространство соответственно 2¹⁶ = 64 Кбайта, 2²⁰ = 1 Мбайт, 2²⁴ = 16 Мбайт, 2³² = 4 Гбайта. Поэтому раз­рядность процессора часто уточняют, записывая, например, для 180386 — 32/32, что означает: МП имеет 32-разрядную шину Данных и 32-разрядную шину адреса, то есть одновременно обра­батывает 32 бита информации, а объем адресного пространства микропроцессора составляет 2³² == 4 Гбайта.

Основная литература: [1] – 1-638 c, [2] 1- 432 c.

Дополнительная литература: [3] – c, [4] – c, [5] – c.

Контрольные вопросы:

1. Что называют архитектурой компьютера?

2. В чем смысл модульного принципа организации современной ЭВМ?

3. Что такое магистраль?

4. Какова функция процессора при работе компьютера?

5. Как происходит выбор абонента для обмена данными?

6. Какова роль шины управления ?

7. Какие основные блоки входят в состав компьютера?

8. Почему возможен модульный принцип построения компьютера?