Архитектура и функционирование персонального компьютера

Общие принципы работы ЭВМ:
Двоичное кодирование информации.
Программное управление работой ЭВМ (идея Ч. Беббиджа)
Хранимая программа (идея Дж. фон Неймана: каждая команда программы работы компьютера, кодируемая последовательностью из 0 и 1, помещается как число в одной из ячеек оперативной памяти).

Магистрально-модульный принцип построения ЭВМ

Процессор. Функции и состав
Процессор (processor – продвижение, Central Processing Unit, CPU ) - центральное устройство компьютера.
Назначение процессора (функции):
Управлять работой ЭВМ по заданной программе
Выполнять операции обработки данных
Микропроцессор (МП) - сверхбольшая интегральная схема (СБИС) реализованная в едином полупроводниковом кристалле (кремния или германия) площадью менее 0.1 см2 или нескольких путем применения сложной микроэлектронной технологии. Степень интеграции определяется размером кристалла и количеством транзисторов в нем.
Пример: INTEL i80486 DX - 1,2 млн. транзисторов
INTEL Pro- 5,5 млн. транзисторов (Pro-профессиональная версия чего-либо)

Характеристики некоторых моделей микропроцессоров, отражающих основные этапы развития этой отрасли

УУ
АЛУ
УУ
АЛУ
СОСТАВ МП:
Устройство управления (УУ) - управляет работой всех
устройств ЭВМ по заданной программе (дирижер в оркестре, программа-партитура).
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - выполняет арифметические и логические операции по командам программы (основа АЛУ – сумматор, логическая схема).
Регистры процессорной памяти - ячейки внутренней быстродействующей памяти МП для временного хранения информации при прохождении данных через МП (черновик МП). У каждого типа процессора свой состав регистров.
Основной цикл работы МП:
Считывание очередной команды из оперативной памяти.
Выполнение операций по этой команде.

Характеристики микропроцессора
МП при обработке информации выполняет операции:
Арифметические ( сложение, вычитание, умножение , деление)
Логические
Этих операций достаточно, чтобы выполнить любое преобразование информации
Основная характеристика МП – производительность, определяемая количеством элементарных операций за 1 секунду.
Минимальная по времени исполнения операция (элементарная) для определения производительности МП – сложение.
Основные характеристики МП:
Тактовая частота.
Разрядность процессора.
Адресное пространство.

Темп работы компьютера задается генератором тактовых импульсов (метроном).
Такт – интервал времени между началами тактовых импульсов
Последовательность импульсов генератора тактовой частоты:

Адресное пространство
Одна из функций МП состоит в перемещении данных, организации их обмена с внешними устройствами и оперативной памятью. При этом МП формирует код устройства, а для ОЗУ - адрес ячейки памяти, код адреса передается по адресной шине.
Адресное пространство – это диапазон адресов (множество адресов), к которым может обратиться МП, используя адресный код. Если адресный код содержит n бит, то размер адресного пространства равен 2n байтов. Обычно размер адресного кода равен количеству линий в адресной шине (разрядность адресной шины).
Например, если компьютер имеет 16-ти разрядную адресную шину, то адресное пространство его процессора равно 216=64 Кб, а при 32-разрядной шине – 232=4Гб.

Для повышения быстродействия МП используются:
Математический сопроцессор - микросхема для выполнения арифметических операций над числами с плавающей тоской. Необходим для работы с электронными таблицами, с трехмерной графикой, пакетами САПР, специальными программами по математическому моделированию.
Поэтому все МП фирмы Intel, начиная с i486, имеют встроенные сопроцессоры, что заметно повышает их производительность.
КЭШ-память – сверхоперативная память (до 256 Кб или 512 Кб), специальное устройство для ускорения доступа к данным. В ней хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти (ОП). При обращении МП к ОП, сначала производится поиск нужных данных в КЭШ-памяти, время доступа к которой в несколько раз меньше, чем к ОП. КЭШ-память предназначена для согласования скорости работы медленных устройств с относительно быстрым МП ⇒ исключаются простои МП.

Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через информационную магистраль (общая шина).
Магистраль - набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передаче данных и служебных сигналов центральный процессор, системную (внутреннюю) память и периферийные устройства.
Магистраль состоит из:
Шины данных
Шины адреса
Шины управления
В современном компьютере реализован принцип открытой архитектуры, который позволяет менять состав устройств (модулей) персонального компьютера (ПК). К магистрали могут подключаться дополнительные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие. Возможно увеличение внутренней памяти, замена МП на более совершенный.

Шина данных используется для передачи обрабатываемых данных от процессора к какому-либо устройству, или наоборот, от устройства к процессору, т.е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести:
запись/чтение данных из оперативной памяти (ОЗУ);
запись/чтение данных из внешних запоминающих устройств (ВЗУ);
чтение данных с устройств ввода;
пересылка данных на устройства вывода.

2. Шина адреса используется для передачи кода адреса памяти и внешних устройств, к которым обращается микропроцессор. Причем сигналы передаются в одном направлении - от процессора к устройствам (однонаправленная шина). Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины (8, 16, 32, 64). Разрядность шины данных и шины адреса может быть различна.
3. Шины управления используется для передачи управляющих сигналов (например, сигнал готовности устройства к работе). Сигналы синхронизируют работу устройств, участвующих в обмене информацией.

МП
Шина данных
Шина адреса
Шина управления
8/16/32/36
Всякая информация, передаваемая от МП к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом, передаваемым по шине адреса (письмо с адресом). Это может быть адрес ячейки памяти, адрес (номер) периферийного устройства.
8/16/32/64
?



???
?

Основная память находится на системной плате и включает в себя:
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory - память только для чтения) - быстрая, энергонезависимая память, предназначенная только для чтения. Информация заносится в нее только один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно. В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере:
a) тестовые программы, проверяющие при каждом включении ЭВМ правильность включения его блоков.
б) программы драйверы основных устройств (клавиатуры, монитора, дисков)
в) программу начальной загрузки ЭВМ (информация о том, где на диске расположена ОС).
чтения/записи для всех ячеек одинаково.

2. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или RAM (Random Access Memory - память с произвольным доступом) - быстрая полупроводниковая, энергозависимая память для временного хранения программ и данных, чтения и записи информации. Процессор может обращаться к ячейкам памяти в произвольном порядке, при этом время
Оперативная память обладает двумя основными свойствами:
Дискретность.
Адресуемость.
Структурно память состоит из некоторых “частиц”, которые называются битами. Один бит - это двоичный разряд памяти, хранит двоичный код (0 или 1). Память ЭВМ - упорядоченная последовательность двоичных разрядов, которая делится на группы по 8 разрядов; каждая такая группа образует байт памяти. Следовательно, слова “бит”, “байт” не только названия единиц измерения количества информации, но и дискретные структурные единицы памяти ЭВМ.

Оперативная память – совокупность пронумерованных ячеек, разбитых на разряды, для хранения в каждом их них бита информации.
Ячейка - группа последовательных байтов внутренней памяти, вмещающая в себя информацию, доступную для обработки отдельной командой МП. Количество бит (разрядов), содержащихся в ячейке памяти называется Машинным словом.
Разрядность ячейки памяти и размер машинного слова в битах = разрядности МП.
Длина машинного слова у различных ПЭВМ от 8 до 64 бит.
Байты внутренней памяти пронумерованы начиная с нуля. Порядковый номер байта называется адресом этого байта (как номер квартиры в доме есть адрес этой квартиры).
Принцип адресуемости памяти означает то, что любая информация заносится в память и извлекается из нее по адресам.
Адрес ячейки памяти равен адресу младшего байта (с наименьшим номером), входящего в ячейку. Адресация как байтов, так и ячеек памяти начинается с нуля. Адреса ячеек кратны количеству байтов в машинном слове (изменяются через 1, или 2, или через 4).

При записи информации в ячейку старая стирается.
При считывании содержимое ячейки не изменяется.
0 1 2 3 4 5 6
0 2 4 6
В примере: верхний ряд цифр - это нумерация байтов ( 0 - адрес младшего байта, 1 - адрес старшего байта), нижний ряд - нумерация ячеек памяти ЭВМ, в которой длина машинного слова (размер ячейки памяти) равна 2 байтам (адрес первой ячейки – 0 и равен адресу младшего байта этой ячейки - 0, адрес следующей ячейки - 2 ).
одна ячейка памяти