Структурная схема ЭВМ

 

 

 

 

 

 

Часть 1

Реферат на тему: Структурная схема ЭВМ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

1. Магистрально модульный принцип построения компьютера  4 стр.

2. Магистраль ……………………………………………………………………………….7 стр.

3. Процессор и оперативная память ……………………………………………8 стр.

4. Аппаратная реализация компьютера ………………………………………9 стр.

5. Системный блок компьютера …………………………………………………13стр.

6. Внешняя долговременная память …………………………………………14 стр.

7. Устройства ввода информации ……………………………………………..17 стр.

8. Устройства вывода информации …………………………………………..19 стр.

9. Заключение …………………………………………………………………………….22 стр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магистрально модульный  принцип построения компьютера 

Компьютер (ЭВМ) — электронно-вычислительная машина — это программируемое электронное устройство, предназначенное для обработки и хранения (накопления) информации. По размеру, быстродействию, объему памяти современные ЭВМ принято делить на следующие классы:

1. Супер ЭВМ (CRAY и Эльбрус);
2. Большие ЭВМ;
3. Мини ЭВМ (персональные компьютеры);
4. Микро ЭВМ. 
      

Современные ПК используются для автоматизации  отдельных рабочих мест, обработки  деловой информации, обучения и т.д. Все ЭВМ, за небольшим исключением, имеют общую принципиальную схему  или, как говорят, архитектуру.    

Архитектура ЭВМ — комплекс аппаратных и программных средств, с помощью которых обеспечивается выполнение задач пользователя и программирование задач. Архитектура разделяется на внешнюю и внутреннюю (то, из чего состоит ЭВМ).    

 В основу положен модульно-магистральный  принцип. Модульный принцип позволяет  комплектовать нужную конфигурацию, модернизировать ее. Модульная организация  опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией. Обмен  информацией между устройствами  производится по трем многоразрядным  шинам (много проводные линии  связи).

 
 Рис. 1 Магистрально-модульное устройство компьютера    

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора (т.е. количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт). Шина данных двунаправленная от процессора к устройству и наоборот. Код адреса формируется процессором и передается по шине адреса. Шина однонаправленная (от процессора к устройству). Разрядность определяет объем адресуемой памяти и может не совпадать с разрядностью шины данных. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод) и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств.    

Системная ШИНА — это аппаратная реализация стандартов взаимодействия различных узлов. Ее разрядность во многом определяет производительность компьютера, поскольку она связывает между собой процессор, ОЗУ, слоты (т.е. специальные разъемы) расширения. Существуют различные стандарты системной шины, которые сложились по мере развития техники: MCA, ISA, VESA, EISA, PCI и SCSI. В компьютерах типа Pentium используется, как правило, шина PCI.   

 Подключение отдельных модулей  ЭВМ к магистрали на физическом  уровне осуществляется с помощью  контроллеров, адаптеров, а на  программном обеспечивается драйверами. Их совокупность называется интерфейсом.     

Принцип открытой архитектуры — это возможность постоянного усовершенствования компьютера IBM PC в целом и его отдельных частей с использованием новых устройств, которые полностью совместимы друг с другом независимо от фирмы-изготовителя. Это дает наибольшую выгоду пользователям, которые могут расширять возможности своих машин, покупая новые устройства и вставляя их в свободные разъемы (слоты) на системной (материнской) плате. Материнская плата — самая большая в ПК плата, на которой размещены микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ (BIOS), видеокарта, звуковая карта и другие устройства. Указанные устройства подключаются к материнской плате через специальные разъемы — слоты расширения.   

 Принципы построения  компьютеров   

 В основу построения подавляющего  большинства компьютеров положены  следующие общие принципы, сформулированные  в 1945 г. американским ученым  Джоном фон Нейманом.    

Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. 
Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека. 
    Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. 
    Принцип адресуемости. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. 
    Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магистраль

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой много проводные линии (рис. 4.1). К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством  двоичных разрядов, которые могут  обрабатываться или передаваться процессором  одновременно. Разрядность процессоров  постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

 
    Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые  могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2^I , где I - разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно  увеличивалась и в современных  персональных компьютерах составляет 36 бит. Таким образом, максимально  возможное количество адресуемых ячеек  памяти равно:

N = 2³⁶ = 68 719 476 736.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

 

 

Процессор и оперативная память

Центральный процессор — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор  в общем случае содержит в себе:

• арифметико-логическое устройство;
• шины данных и шины адресов;
• регистры;
• счетчики команд;
• кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Архитектура процессора

Процессор состоит из ячеек. В ячейках  процессора данные не хранятся, а обрабатываются. Во время обработки они могут  изменяться самыми разными способами. Ячейки процессора называются регистрами.

Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над  содержимым некоторых регистров  специальные электронные схемы  могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные  части команды для последующего их использования или выполнять  определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд).

Оперативная память

Оперативная память — часть системы  компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые  процессору для выполнения им операции и время доступа к которой  не превышает одного его такта. Обязательным условием является адресуемость (каждое машинное слово имеет индивидуальный адрес) памяти. Передача данных в/из оперативную память процессором производится непосредственно, либо через сверхбыструю память.

Оперативное запоминающее устройство, ОЗУ — техническое устройство, реализующее функции оперативной  памяти.

ОЗУ может изготавливаться как  отдельный блок или входить в  конструкцию, например однокристальной  ЭВМ или микроконтроллера.

Память динамического  типа (англ. DRAM (Dynamic RAM))

Экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариациях конденсаторов два). Такой вид памяти решает, во-первых, проблему дороговизны (один конденсатор и один транзистор дешевле нескольких транзисторов) и во-вторых, компактности (там, где в SRAM размещается один триггер, то есть один бит, можно уместить восемь конденсаторов и транзисторов).

Так как для регенерации памяти периодически приостанавливаются все  операции с памятью, это значительно  снижает производительность данного  вида ОЗУ.

 Память статического  типа (англ. SRAM (Static RAM))

ОЗУ, собранное на триггерах, называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической  памятью. Достоинство этого вида памяти — скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях, а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень  быстро. Данный вид памяти не лишён  недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится  дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку  между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии  связи. Используется для сверхбыстрого  ОЗУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аппаратная  реализация компьютера

Современный персональный компьютер  может быть реализован в настольном (desktop), портативном (notebook) или карманном (handheld) варианте.

Системный блок компьютера

Все основные компоненты настольного  компьютера находятся внутри системного блока: системная плата с процессором  и оперативной памятью, накопители на жестких и гибких дисках, CD-ROM и  др. Кроме этого, в системном блоке  находится блок питания.

Системная плата. Основным аппаратным компонентом компьютера является системная плата (рис. 4.4). На системной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора и оперативной памяти, а также слоты для установки контроллеров внешних устройств.

Частота процессора, системной  шины и шин периферийных устройств. Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост) - рис. 2

Северный мост обеспечивает обмен  информацией между процессором  и оперативной памятью по системной  шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота  процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В  современных компьютерах частота  процессора может превышать частоту  системной шины в 10 раз (например, частота  процессора 1 ГГц, а частота шины - 100 МГц).

Рис. 2 Логическая схема системной платы

К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus - шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше - 33 МГц. Контроллеры периферийных устройств (звуковая плата, сетевая плата, SCSI-контроллер, внутренний модем) устанавливаются в слоты расширения системной платы.

По мере увеличения разрешающей  способности монитора и глубины  цвета требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port - ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI.