Аппаратное обеспечение

Кафедра

Вычислительная система

Кафедра

Архитектура компьютера

информатики

информатики

УГАТУ

УГАТУ

При рассмотрении принципов организации компьютеров принято

различать их архитектуру и структуру.

Вычислительная система – конкретный набор

Архитектура компьютера – это общие принципы построения

взаимодействующих между собой устройств и программ,

компьютера, реализующие программное управление работой и

предназначенных для обслуживания одного компьютера.

взаимодействием основных его функциональных узлов:

Состав вычислительной системы называется

1.

Структура памяти компьютера;

конфигурацией. Аппаратные (HardWare) и программные

2.

Способы доступа к памяти и внешним устройствам;

3.

Возможность изменения конфигурации компьютера;

средства (SoftWare) вычислительной системы принято

4.

Система команд;

рассматривать раздельно.

5.

Форматы данных;

6.

Организация интерфейса;

Структура компьютера – это совокупность его функциональных

элементов и связей между ними.

Классической архитектурой считается фоннеймановская структура.

1

2

Кафедра

Архитектура ЭВМ, построенная на

Кафедра

Память

информатики

информатики

принципах фон Неймана

УГАТУ

УГАТУ

Структурно основная память состоит из пронумерованных

ячеек, в которые в форме цифрового двоичного кода

записываются информационные объекты – данные или

команды

Большинство из этих ячеек имеет одинаковую длину n, т.е.

они используются для хранения n бит двоичных кодов.

Информационный объект, хранимый в такой ячейке,

называется словом. Слово обрабатывается компьютером

целиком, как единый элемент информации.

В большинстве случаев, словом называют группу из

четырех соседних байт, группу из двух соседних байт –

полусловом, группу из восьми соседних байт – двойным

словом.

3

4

Кафедра

Процессор

Кафедра

Процессор

информатики

информатики

УГАТУ

УГАТУ

Процессор – это основной рабочий компонент компьютера

Существует несколько типов регистровой памяти,

(«мозг компьютера»), который выполняет логические и

отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые

арифметические операции, определяет порядок

важные регистры имеют свои названия:

выполнения операций, указывает источники данных и

приемники результатов

Счетчик команд – регистр УУ, его содержимое соответствует

В составе процессора имеется ряд специализированных

адресу очередной выполняемой команды; служит для

ячеек памяти, называемых регистрами.

автоматической выборки программы из последовательных

Регистры – специализированные быстродействующие

ячеек памяти.

ячейки памяти различной длины, выполняют функцию

Регистр команд – запоминающий регистр УУ, в котором

кратковременного хранения числа или команды.

Регистровая память размещена внутри процессора.

хранится код команды на период времени, необходимый

Триггер – электронная схема, способная хранить один

для ее выполнения. Часть его разрядов используется для

хранения кода выполняемой операции, остальные – для

двоичный разряд, основной элемент регистра.

хранения кодов адресов операндов.

5

6

Кафедра

Память - Процессор

Кафедра

Память - Процессор

информатики

информатики

УГАТУ

УГАТУ

Условно структуру процессора и взаимодействие его с

Регистры операндов – запоминающие регистры

информацией (программой и данными) в памяти

АЛУ, в которых хранятся адреса операндов,

компьютера можно представить так:

участвующих в операции.

Сумматор – вычислительная схема АЛУ,

Память

Процессор

Счетчик команд

выполняющая процедуру сложения поступающих

Программа

УУ

на ее вход двоичных кодов, имеет разрядность

Регистр команд

двойного слова.

Регистры операндов

Данные

АЛУ

Сумматор

7

8

Кафедра

Память - Процессор

Кафедра

Принципы фон Неймана

информатики

информатики

УГАТУ

УГАТУ

Схема взаимодействия процессора с информацией в

1. Принцип программного управления. Программа состоит из

памяти компьютера:

набора команд, которые выполняются процессором

•

Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в

автоматически друг за другом в определенной

последовательности. Обеспечивает автоматизацию процессов

память компьютера вводится программа.

вычислений в компьютере.

•

УУ считывает содержимое ячейки, где находится первая

2. Принцип однородности памяти (принцип хранимой команды).

команда и организует ее выполнение в АЛУ.

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти.

•

После выполнения одной команды УУ выполняет

Компьютер не различает, что храниться в данной ячейке

следующую команду, находящуюся непосредственно за

памяти – число, текст или команда. Над командами можно

выполнять такие же действия, как и над данными.

только что выполненной.

Обеспечивает организацию циклов и возможность изменения

Этот порядок может быть изменен с помощью команд

порядка выполнения программы.

передачи управления.

3. Принцип адресности. Процессору в произвольный момент

Таким образом, АЛУ и УУ исполняют программу

времени доступна любая ячейка. Обеспечивает возможность

обращения к произвольной ячейке по адресу.

автоматически, без вмешательства человека.

9

10

Кафедра

Кафедра

информатики

информатики

Изменение в классической архитектуре

Изменение в классической архитектуре

УГАТУ

УГАТУ

Начало изменений в классической архитектуре относится к

Схема взаимодействия устройств с контроллером :

3-му поколению ЭВМ (БИС), так как возникло

противоречие между высокой скоростью обработки

Центральный процессор при необходимости обмена

данных внутри компьютера и медленной работой

данными с внешним устройством выдает задание

устройств ввода-вывода. Поэтому стало необходимо

контроллеру на его осуществление;

освободить центральный процессор от функции обмена

данными с внешними устройствами.

Контроллер создает канал связи между оперативной

В современных ЭВМ эта функция передана контроллеру.

памятью и внешним устройством;

Контроллер (адаптер) – устройство, которое связывает

Дальнейшая передача идет под управлением контроллера

без использования центрального процессора.

периферийное оборудование и каналы связи с

центральным процессором, освобождая его от

управления функционированием данного оборудования.

11

12

Кафедра

Кафедра

информатики

информатики

Изменение в классической архитектуре

Изменение в классической архитектуре

УГАТУ

УГАТУ

Следующие изменение архитектуры произошло в

Системная шина включает:

IV поколении ЭВМ. Появилось принципиально

1. Шину данных – служит для параллельной передачи

новое устройство – общая шина (магистраль,

всех разрядов числового кода данных. Что передается.

системная шина) для связи между отдельными

2. Шину адреса – служит для параллельной передачи всех

функциональными узлами ЭВМ.

разрядов кода адреса ячейки основной памяти или

Принцип шинной организации означает, что

порта в/в внешнего устройства. Именно из этой шины

обмен информацией между процессором и

процессор считывает адреса команд, которые

необходимо выполнить. Откуда берется и куда

всеми периферийными устройствами в ЭВМ

передается.

происходит через один канал связи –

3. Шину управления – служит для передачи

системную шину. По шине передаются как

данные, так и команды.

управленческих сигналов во все блоки компьютера. Как

передается.

13

14

Кафедра

Кафедра

информатики

информатики

Изменение в классической архитектуре

Изменение в классической архитектуре

УГАТУ

УГАТУ

Т.О. по шинам циркулируют управляющие сигналы, данные,

Видеопамять. Появление этого блока связано с разработкой

особого устройства вывода – дисплея (монитора).

адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода.

Видеопамять необходима для хранения экранного

Каждый из функциональных элементов компьютера

изображения. Конструктивно она может быть выполнена

(память, монитор, и др.) связан с шиной определенного

как часть оперативной памяти или содержаться в

типа: адресной, управляющей или шиной данных.

контроллере монитора (контроллер ПДП).

Можно сделать образное сравнение работы системной

Контроллер ПДП. Осуществляет режим прямого доступа к

шины с работой почты. По шине данных письма

памяти (ПДП), при котором внешнее устройство

пересылаются в места, адреса которых указаны на шине

обменивается непосредственно с оперативной памятью

адреса. Шина управления следит, чтобы письма при

без участия ЦП.

движении не мешали друг другу и перемещались по

Например, воспроизведение звуков с точки зрения процессора очень

очереди. Под письмами нужно понимать значения

медленное (процессор – частота 500 МГц, частота дискретизации CD –

операндов (данные и команды), которыми обмениваются

44 Гц). Процессор помещает в ОЗУ необходимые данные и сообщает

отдельные блоки компьютера.

контроллеру ПДП их адрес и количество. Последний, обеспечивает

передачу данных, которая требуется звуковой карте.

15

16

Кафедра Шинная (магистральная) архитектура

Кафедра Шинная (магистральная) архитектура

информатики

компьютера

информатики

компьютера

УГАТУ

УГАТУ

Все блоки (устройства) компьютера

подключаются к шине через соответствующие

унифицированные разъемы одинаково:

непосредственно или через контроллеры.

Контроллер

Контроллеры и адаптеры осуществляют

непосредственное управление периферийными

устройствами по запросам микропроцессора.

17

18

Кафедра

Тенденции в развитии структуры

Кафедра

Схема фон Неймана

информатики

современных ЭВМ

информатики

УГАТУ

УГАТУ

Постоянное расширение и совершенствование набора

Все это приводит к тому, что происходит

пересмотр традиционной фон Неймановской

внешних устройств, приводит к усложнению связей между

архитектуры.

узлами ЭВМ.

Вычислительные машины перестают быть

однопроцессорными. Для осуществления параллельных

вычислений одна операция выполняется сразу

несколькими процессорами.

Быстродействующие ЭВМ используются не только для

вычислений, но и для логического анализа данных.

Возрастает роль межкомпьютерных коммуникаций,

компьютеры объединяются в сети для совместной

обработки данных.

19

20

Кафедра

Многопроцессорная магистральная

Кафедра

Многопроцессорная векторная схема

информатики

(конвейерная) схема

информатики

УГАТУ

УГАТУ

В конвейерной

В векторной архитектуре

архитектуре

все процессоры

процессоры

одновременно

одновременно

выполняют одну команду

выполняют разные

над различными

операции над

данными.

последовательным

потоком

обрабатываемых

данных.

многократный поток команд и однократный

однократный поток команд и

поток данных.

многократный поток данных.

21

22

Кафедра

Многопроцессорная матричная схема

Кафедра

Аппаратное обеспечение ПК

информатики

информатики

УГАТУ

УГАТУ

В матричной архитектуре

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

описание принципа действия компьютера и его конфигурация

все процессоры

(определенная совокупность аппаратных средств и

одновременно выполняют

соединений между ними) определена в специальных

разные операции над

стандартах (правилах), называемых протоколами.

несколькими

Из этого следует:

последовательными

• Компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей,

потоками обрабатываемых

разработанных и изготовленных независимыми фирмами-

данных.

изготовителями.

• Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт

наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые

пользователь может вставлять разнообразные устройства,

многократный поток команд и

удовлетворяющие стандарту (увеличить объем оперативной

памяти, заменить процессор или винчестер и т.д.).

многократный поток данных

23

24

Кафедра Общая структура персонального компьютера с

Кафедра

информатикиподсоединенными периферийными устройствами

УГАТУ

информатики Аппаратное обеспечение

УГАТУ

К аппаратному обеспечению относятся устройства

и приборы, образующие аппаратную

конфигурацию.

По способу расположения устройств относительно

системного блока различают внешние и

внутренние устройства.

Внешними, как правило, являются большинство

устройств ввода-вывода данных (их также

называют периферийными) и некоторые

устройства для длительного хранения

информации.

25

26

Кафедра

Кафедра

информатики Аппаратное обеспечение

УГАТУ

информатики Аппаратное обеспечение

УГАТУ

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют

Существуют последовательные и параллельные

с помощью переходных аппаратно-логических устройств,

интерфейсы.

называемых аппаратными интерфейсами.

Через последовательный интерфейс данные передаются

Аппаратный интерфейс – это средство сопряжения двух

последовательно бит за битом. Их производительность

устройств, в котором все физические и логические параметры

оценивают бит/сек. Применяют для подключения

согласуются между собой.

«медленных» устройств.

Физически аппаратные средства согласуются друг с другом с

При параллельном интерфейсе данные передаются

помощью механических и электрических разъемов и

контактов.

одновременно группами битов, их производительность

Логически они согласуются друг с другом с помощью программ,

оценивают байт/сек. Применяют там, где важна

называемых драйверами устройств.

скорость передачи данных.

Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной

Если интерфейс является общепринятым для данного

технике называют протоколами.

Протоколы представляют собой некие правила, которые должны

типа устройств, например, утверждённым на уровне

международных соглашений, то он называется

соблюдать разработчики устройств для успешного

согласования их работы с другими устройствами.

стандартным.

27

28

Кафедра

Аппаратное обеспечение

Кафедра

Аппаратное обеспечение

информатики

информатики

УГАТУ

УГАТУ

Каждый из функциональных элементов компьютера

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы

(память, монитор или другое устройство) связан с шиной

электронных цепей, которыми снабжаются устройства

определённого типа – адресной, управляющей или

компьютера с целью совместимости их интерфейсов.

шиной данных.

Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное

управление периферийными устройствами по запросам

Для согласования интерфейсов периферийные устройства

микропроцессора.

подключаются к шине не напрямую, а через свои

Порты устройств представляют собой некие электронные

контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой

схеме:

схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-

вывода и позволяющие подключать периферийные устройства

компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного

интерфейса: последовательный, параллельный и игровой.

29

30

Кафедра

Аппаратное обеспечение

Кафедра

Аппаратное обеспечение

информатики

информатики

УГАТУ

УГАТУ

Последовательный порт обменивается данными с

процессором побайтно, а с внешними устройствами –

Основные электронные компоненты, определяющие

побитно.

архитектуру процессора, размещаются на основной

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно

плате компьютера, называемой системной или

действующие или достаточно удалённые устройства, такие,

материнской (MotherBoard).

как мышь и модем.

Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

Контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо

К параллельному порту подсоединяют более «быстрые»

сами эти устройства, выполняются в виде плат

устройства – принтер и сканер.

расширения (DаughterBoard – дочерняя плата) и

Через игровой порт подсоединяется джойстик.

подключаются к шине с помощью разъёмов расширения,

называемых также слотами расширения (англ. slot –

Клавиатура и монитор подключаются к своим

щель, паз).

специализированным портам, которые представляют собой

просто разъёмы.

31

32

Кафедра

Аппаратное обеспечение

Кафедра

информатики

УГАТУ

информатики

УГАТУ

По назначению устройства делятся на:

•

Управляющие устройства (материнская плата).

•

Устройства обработки информации (процессор,

видеокарта, звуковая карта).

• Устройства хранения информации (жесткий диск,

оперативная память, приводы лазерных дисков,

дисковод и т.д.)

•

Устройства ввода информации (клавиатура, мышь,

сканер и т.д.).

•

Устройства вывода информации (монитор, принтер,

плоттер и т.д.).

•

Устройства приема/передачи информации (модем,

сетевая карта, беспроводные адаптеры).

33

34

Кафедра

Базовый состав компьютера

Кафедра

Системный блок

информатики

информатики

УГАТУ

УГАТУ

Современный персональный компьютер состоит

В системном блоке размещаются:

из нескольких основных (базовых)

•

системная плата;

конструктивных компонент, без которых его

•

платы расширения;

работа невозможна:

•

блок питания;

•

системного блока;

•

накопитель на жёстких магнитных дисках;

•

монитора;

•

накопитель на гибких магнитных дисках;

•

клавиатуры;

• накопитель CD-ROM;

манипуляторов (мышь, джойстик и т.д.).

•

•

и др.

Тестирование компьютера на наличие и работоспособность

Корпус системного блока может иметь горизонтальную

базовых компонент происходит автоматически при его

(DeskTop) или вертикальную (Tower — башня)

включении с помощью совокупности программ, «вшитых» в

компоновку.

BIOS (базовая система ввода-вывода).

35

36

Кафедра

Материнская плата

Кафедра

Материнская плата

информатики

информатики

УГАТУ

УГАТУ

Материнская (системная) плата является основной в

Системные платы исполняются на основе наборов

системном блоке. Это фундамент компьютера, все

микросхем, которые называются чипсетами

устройства подключаются к ней. Она выполняет роль

(ChipSets). Часто на системных платах

связующего звена.

устанавливают и контроллеры дисковых

Материнская плата содержит компоненты, определяющие

накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и

архитектуру компьютера:

др.

•

центральный процессор;

В гнёзда расширения системной платы

• постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-

устанавливаются платы таких периферийных

память;

•

интерфейсные схемы шин;

устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и

•

гнёзда расширения;

т.п.

•

обязательные системные средства ввода-вывода и др.

37

38

Кафедра

Материнская плата

Кафедра

Материнская плата

информатики

информатики

УГАТУ

УГАТУ

Процессор

Основные характеристики системной платы:

Слоты для

Слот

•

Набор микросхем основной логики (чипсет – chipset),

оперативной

видеокарты

памяти

Число и типы разъемов (PCI, PCI Express, AGP),

•

•

Тип поддерживаемого процессора (Athlon, Semron,

Celeron, Core),

•

Максимальный объем и поддерживаемые типы

Слоты

оперативной памяти,

PCI

• Тип контроллера жестких дисков (IDE, SATA, SCASI),

•

Наличие встроенных устройств (видеокарта, звуковая

карта, сетевая карта и т.д.).

39

40