Архитектура ЭВМ

Реферат по информатике на тему:

«Архитектура  ЭВМ»

 

Содержание:

- Архитектура  ЭВМ,

-Классификация  ЭВМ;

- Виды, назначение, функции, специфика периферийных  устройств;

- История поколений  ЭВМ.

 

 

 

Введение

       Уровень архитектуры необходим каждому специалисту.

        Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных функциональных узлов. На этом уровне не требуется знание схемных решений современной радиотехники и микроэлектроники. Последнее вообще выходит за пределы информатики, оно требуется лишь разработчикам физических элементов компьютеров.

         Уровень архитектуры достаточно глубок, он включат вопросы управления работой ЭВМ (программирования) на языке машинных команд (ассемблера). Такой способ управления гораздо сложнее, чем написание программ на языках высокого уровня и, тем не менее, без представления о нем невозможно понять реальную работу компьютера.

         Объектом изучения является вычислительная техника.

         Предметом исследования является архитектура ЭВМ.

         Целью работы является изучение архитектуры ЭВМ.

 

 

 

Архитектура ЭВМ

         Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

         Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.

         Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рисунке.

 

         Положения фон Неймана:

         Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода)

         Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти

Управляющее устройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие  сигналы указаны пунктирными  стрелками)

         Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме

Программа, которая  задает работу компьютера, и данные хранятся  в одном и том же запоминающем устройстве

Для ввода и  вывода информации используются устройства ввода и вывода

Один из важнейших  принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация.

 

Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который  состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.

Запоминающие  устройства обеспечивают хранение исходных и промежуточных данных, результатов  вычислений, а также программ. Они включают разные виды устройств.Оперативные (ОЗУ), сверхоперативные (СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ) запоминающие устройства.

Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступна процессору.

Внешние запоминающие устройства (накопители на магнитных  дисках, например, жесткий диск или  винчестер) с емкостью намного больше, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом, используются для длительного хранения больших объемов информации. Например, операционная система (ОС) хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть ОС загружается в ОЗУ и находится там до завершения сеанса работы ПК.

ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и ППЗУ (перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства) предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при ее изготовлении, например, ППЗУ для BIOS.

В качестве устройства ввода информации служит, например, клавиатура. В качестве устройства вывода – дисплей, принтер и т.д.

В построенной  по схеме фон Неймана ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в устройстве управления.

 

 

Классификация ЭВМ

Чтобы судить о  возможностях ЭВМ, их принято разделять на группы по определенным признакам, т.е. классифицировать. Сравнительно недавно классифицировать ЭВМ по различным признакам не составляло большого труда. Важно было только определить признак классификации, например: но назначению, по габаритам, по производительности, по стоимости, по элементной базе и т.д.

Классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом:

- сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ);

- большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);

- средние ЭВМ;

- малые или мини-ЭВМ;

- микро-ЭВМ;

- персональные компьютеры;

- микропроцессоры.

Отметим, что понятия "большие", "средние" и "малые" для отечественных  ЭВМ весьма условны и не соответствуют  подобным категориям зарубежных ЭВМ.

Исторически первыми появились  большие ЭВМ (универсальные ЭВМ  общего назначения), элементная база которых  прошла путь от электронных ламп до схем со сверхвысокой степенью интеграции. В процессе эволюционного развития больших ЭВМ можно выделить отдельные периоды, связываемые с пятью поколениями ЭВМ. Поколение ЭВМ определяется элементной базой (лампы, полупроводники, микросхемы различной степени интеграции), архитектурой и вычислительными возможностями.

Основное назначение больших  ЭВМ - выполнение работ, связанных с обработкой и хранением больших объемов информации, проведением сложных расчетов и исследований в ходе решения вычислительных и информационно-логических задач. Такими машинами, как правило, оснащаются вычислительные центры, используемые совместно несколькими организациями. Большие машины составляли основу парка вычислительной техники до середины 70-х годов и успешно эксплуатируются поныне. К ним относят большинство моделей фирмы IBM (семейства 360, 370, 390) и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ.

В настоящее время высказываются  полярные мнения о перспективах развития больших машин. Согласно одному из них, возможности больших машин полностью  перекрываются, с одной стороны, супер-ЭВМ, а с другой - мини-ЭВМ  и, выработав свой ресурс, этот класс прекратит свое существование. Другая сторона убеждает в необходимости развития универсальных больших и супер-ЭВМ, которые обладают способностью работать одновременно с большим количеством пользователей, создавать гигантские базы данных и обеспечивать эффективную вычислительную работу. К этому следует добавить, что большие ЭВМ обеспечивают устойчивость вычислительного процесса, безопасность информации и низкую стоимость ее обработки.

Производительность больших  ЭВМ норой оказывается недостаточной  для ряда приложений, например, таких как прогнозирование метеообстановки, ядерная энергетика, оборона и т.д. Эти обстоятельства стимулировали создание сверхбольших или суперЭВМ. Такие машины обладают колоссальным быстродействием в миллиарды операций в секунду, основанном на выполнении параллельных вычислений и использовании многоуровневой иерархической структуры ЗУ (запоминающих устройств), требуют для своего размещения специальных помещений и крайне сложны в эксплуатации. Стоимость отдельной ЭВМ такого класса достигает десятков миллионов долларов. Представители этого класса ЭВМ - компьютеры фирм CrayResearch, ControlDataCorporation (CDC) и отечественные супер-ЭВМ семейства Эльбрус.

Средние ЭВМ  представляют некоторый интерес  в историческом плане. На определенном этапе развития ЭВМ, когда их номенклатура и, соответственно, возможности были ограниченными, появление средних машин было закономерным. Вычислительные машины этого класса обладают несколько меньшими возможностями, чем большие ЭВМ, но зато им присуща и более низкая стоимость. Они предназначены для использования всюду, где приходится постоянно обрабатывать достаточно большие объемы информации с приемлемыми временными затратами. В настоящее время трудно определить четкую грань между средними ЭВМ и большими с одной стороны и малыми - с другой. К средним могут быть отнесены некоторые модели ЕС ЭВМ, например: ЕС-1036, ЕС-1130, ЕС-1120. Зарубежомсредние ЭВМ выпускаютфирмы IBM (International Business Machinery), DEC (Digital Equipment Corporation), Hewlett Packard, СОМРАРЕХ и др.

Малые ЭВМ составляют самый многочисленный и быстроразвивающийся  класс ЭВМ. Их популярность объясняется  малыми размерами, низкой стоимостью (по сравнению с большими и средними ЭВМ) и универсальными возможностями.

Класс мини-ЭВМ  появился в 60-е годы (12-разрядная  ЭВМ PD5-5 фирмы DEC). Их появление было обусловлено развитием элементной базы и избыточностью ресурсов больших и средних ЭВМ для ряда приложений. Для мини-ЭВМ характерно представление данных с узким диапазоном значений (машинное слово - 2 байта), использование принципа магистральности в архитектуре и более простое взаимодействие человека и ЭВМ. Такие машины широко применяются для управления сложными видами оборудования, создания систем автоматизированного проектирования и гибких производственных систем. К мини-ЭВМ относятся машины серии PDP (затем VAX) фирмы DEC и их отечественные аналоги - модели семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ).

При переходе от схем с малой и средней степенями  интеграции к интегральным микросхемам с большой и сверхбольшой степенями интеграции оказалось возможным создание на одной БИС или СБИС функционально законченного устройства обработки информации, выполняющего функции процессора. Такое устройство принято называть микропроцессором. Изобретение микропроцессора привело к появлению еще одного класса ЭВМ - микро-ЭВМ. Определяющим признаком микро-ЭВМ является наличие одного или нескольких микропроцессоров. Создание микропроцессора не только изменило центральную часть ЭВМ, но и привело к необходимости разработки малогабаритных устройств ее периферийной части. Микро-ЭВМ, благодаря малым размерам, высокой производительности, повышенной надежности и небольшой стоимости нашли широкоеpacпpocтpaнение во всех сферах народного хозяйства и оборонного комплекса. С появлением микропроцессоров и микро-ЭВМ становится возможным создание так называемых интеллектуальных терминалов, выполняющих сложные процедуры предварительной обработки информации.

Успехи в  развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ  привели к появлению персональных ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники. Все оборудование персональной ЭВМ размещается в пределах стола. ПЭВМ, выпускаемые в сотнях тысяч и миллионах экземпляров, вносят коренные изменения в формы использования вычислительных средств, в значительной степени расширяют масштабы их применения. Они широко используются как для поддержки различных видов профессиональной деятельности (инженерной, административной, производственной, литературной, финансовой и др.), так и в быту, например для обучения и досуга. Персональный компьютер позволяет эффективно выполнять научно-технические и финансово-экономические расчеты, организовывать базы данных, подготавливать и редактировать документы и любые другие тексты, вести делопроизводство, обрабатывать графическую информацию и т.д. Выполнение многих из указанных функций поддерживается многочисленными эффективными универсальными функциональными пакетами программ. На основе ПЭВМ создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) для представителей разных профессий (конструкторов, технологов, административного аппарата и др.). Рынок персональных и микро-ЭВМ непрерывно расширяется за счет поставок ведущих мировых фирм: IBM, DEC, HewlettPackard, Apple (США), COMPARE/, Siemens (Германия), ICL (Англия) и др. Отечественная промышленность, к сожалению, здесь не представлена.

Рынок персональных и микро-ЭВМ непрерывно расширяется  за счет поставок ведущих мировых фирм: IBM, DEC, HewlettPackard, Apple (США), COMPARE/, Siemens (Германия), ICL (Англия) и др.Отечественная промышленность, к сожалению, здесь не представлена.

 

 

 

 

 

 

 

Виды, назначение, функции, специфика периферийных устройств

Периферийные устройства (внешние) — это устройства ввода/вывода информации в компьютер или из него. Условно их можно разделить на основные. К основным устройствам относятся клавиатура, монитор и дисковод.

 Клавиатура - клавишное устройство управления  персональным компьютером. (Рис .1) Служит для ввода алфавитно-цифровых (знакомых) данных, а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее оклик. Принцип действия. Клавиатура относится к стандартным средствам персонального компьютера. Ее основные функции не нуждаются в поддержке специальными системными программами (драйверами). Необходимое программное обеспечения для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS), и поэтому компьютер реагирует на нажатия клавиш ОЗУ после включения.