Раздел 3. Технические средства информационных технологий
Лекция 11. Функциональная и структурная организация
Компьютера
Связь между функциональной и структурной организацией
ЭВМ.
Структура персонального компьютера.
Литература: 1. Вычислительные машины, системы и сети: Учебник /
А.П.Пятибратов, С.Н.Беляев, Г.М.Козырева и др.; Под
ред. проф. А.П.Пятибратова. – М.: Финансы и статистика,
1991.
2. Могилев А.В. и др. Информатика: Учеб. пособие для
студ. пед. вузов / А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хеннер;
Под ред. Е.К.Хеннера. – 2-е изд., стер. – М.: Изд. центр
«Академия», 2001.
Связь между функциональной и структурной
Организацией ЭВМ
Существуют два взгляда на построение и функционирование ЭВМ. Первый — взгляд пользователя, не интересующегося технической реализацией ЭВМ и озабоченного только получением некоторого набора функций и услуг, обеспечивающих эффективное решение его задач; второй — разработчика ЭВМ, усилия которого направлены на рациональную техническую реализацию необходимых пользователю функций. С учетом этого обстоятельства и вводятся понятия функциональной и структурной организации ЭВМ.
Действительно, с точки зрения пользователя решение любой задачи на ЭВМ требует поэтапного выполнения некоторой последовательности действий: кодирования, программирования, ввода, обработки, документирования. На каждом из этих этапов учет запросов пользователя может потребовать расширения реализуемых ЭВМ функций и услуг. В частности, можно дополнительно предусмотреть:
на этапе кодирования данных — использование восьми-, шестнадца-теричной систем счисления, реализацию расширенного набора таблиц для кодирования текстовых сообщений (ASCII, UNICODE), представление чисел с повышенной (двойной) точностью;
на этапе программирования — включение нескольких алгоритмических языков высокого уровня (а в дальнейшем — речевого ввода), средств быстрого программирования стандартных расчетов (т. е. наличия пакетов прикладных программ); оптимизацию системы команд (по группам, количеству, типам) для задач заданного класса и даже использование определенных способов адресации данных с целью достижения более высокого быстродействия;
при вводе — удобный визуальный контроль процедуры, возможность оперативной коррекции ошибок (программные средства редактирования) и ввода заранее заготовленных данных с различных твердых носителей (магнитные ленты (МЛ), диски (МД));
на этапе обработки — управление ходом решения задачи с пульта оператора (программные средства прерывания);
на этапе документирования — применение определенных типов носителей для фиксации результатов расчета и др.
Эти и подобные вопросы решаются при проектировании ЭВМ и входят в понятие функциональной организации ЭВМ. В результате создается абстрактная модель ЭВМ, описывающая функциональные возможности машины и предоставляемые ею услуги.
Функциональная организация ЭВМ в значительной степени определяется предъявляемыми к ней требованиями, уровнем подготовки потенциальных пользователей, типом решаемых ими задач, потребностями в развитии ЭВМ (по емкости ЗУ, разрядности, составу УВВ и др.).
Предусматриваемые абстрактной моделью функции ЭВМ реализуются на основе реальных, физических средств (устройств, блоков, узлов, элементов) в рамках определенной структуры.
В общем случае под структурной организацией ЭВМ понимается некоторая физический модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей машины (без излишних деталей их технической реализации).
По степени детальности различают структурные схемы, составленные на уровне устройств, блоков, узлов и элементов.
Блок — функциональный компонент ЭВМ, состоящий из элементов и узлов и выполняющий операции над машинными словами или управляющий такими операциями (сумматор, блок регистров). Устройство — наиболее крупная функциональная часть ЭВМ, состоящая из элементов, узлов и блоков и выполняющая глобальные операции над кодированными данными (запоминание, обработку, преобразование).
Блоки и устройства часто изготавливаются в виде самостоятельных конструктивов — модулей.
Ввиду большой сложности современных средств ВТ принято представлять их структуру иерархически без жесткой фиксации понятий «элемент» и «система». На самом высоком уровне иерархии (системном) ЭВМ может быть «элементом» некоторой «системы» (локальной или глобальной сети, вычислительного комплекса и т. п.). На более низком уровне — ЭВМ сама становится «системой», «элементами» структуры которой являются составляющие ее устройства: процессор, память, УВВ и т. д. Любой элемент характеризуется при этом своей функцией и структурой.
Конкретная техническая реализация каждого элемента (принципиальная схема, технология изготовления) зависит от технических характеристик разрабатываемой ЭВМ, распределения функций между узлами и блоками, между аппаратными и программными средствами ЭВМ.
Функциональная организация ЭВМ играет ведущую роль и в значительной степени определяет структурную организацию машины, хотя и не дает жестких ограничений на конечную техническую реализацию структурных элементов. Вместе с тем функции и структура любого элемента находятся в диалектической взаимосвязи, взаимозависимости. С одной стороны, функциональным назначением устройства (блока, узла) ЭВМ определяется необходимый состав материальных объектов (реальных аппаратных и программных средств) и характер связей между ними. С другой стороны, одна и та же функция может быть реализована на совершенно разных технических средствах, а изменение состава или связей между элементами, изменение пропорций между аппаратными и программными средствами может сохранить неизменной функцию системы, сообщив ей новые свойства. Важнейшими факторами, определяющими функциональную и структурную организацию ЭВМ, являются выбор системы, форматов команд и способов адресации.
Основными функциональными характеристиками современных ЭВМ являются:
- производительность, быстродействие, тактовая частота;
- разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса;
- типы системного и локальных интерфейсов;
- емкость оперативной памяти;
- тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках;
- емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера);
- наличие, виды и емкость кэш-памяти;
- тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера;
- наличие и тип принтера;
- наличие и тип накопителя на CD-ROM;
- наличие и тип модема;
- наличие и виды мультимедийных аудио-видео средств;
- имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;
- аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров;
- возможность работы в вычислительной сети;
- возможность работы в многозадачном режиме;
- надежность;
- стоимость.
-
структура персонального компьютера
Рассмотрим архитектуру наиболее распространенного персонального компьютера – IBM PC. Под архитектурой ПК понимают структурную схему внутренней организации и взаимодействия основных функциональных модулей компьютера (центрального процессора, чипсетов, устройств системы памяти, контроллеров периферийных устройств и самих периферийных устройств).
ПЭВМ имеет модульную структуру (рисунок 1). Все модули связаны с центральным процессором и между собой посредством системной шины (системной магистрали). Компоненты, представленные на структурной схеме, имеют следующее назначение.
Рисунок 1 – Упрощенная структурная схема персонального компьютера
Системный блок является главным блоком в ПЭВМ. Он включает все основные составляющие персонального компьютера: системную плату, блок питания, накопители на дисках, системный динамик, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами внешних устройств.
Важнейшим компонентом системного блока является системная (или материнская) плата. Расположенные на ней электронные модули (чипсеты), а также центральный процессор (микропроцессор), основная память ( ОЗУ (RAM) и ПЗУ (ROM)) составляют базовый комплект электроники компьютера. Кроме этого на системной плате расположены контроллеры внешних (периферийных) устройств.
К системному блоку через разъемы, расположенные на его задней стенке, подсоединены все внешние устройства: монитор, клавиатура, мышь, принтер, сканер, звуковые колонки, модем и т. д. Состав, как внутренних устройств системного блока, так и внешних устройств существенно зависит от потребностей и возможностей пользователя. Поэтому в каждом конкретном случае он будет различным. Благодаря модульной структуре ПЭВМ, пользователь по своему желанию может изменять ее конфигурацию, подключая дополнительные периферийные устройства.
Рассмотрим более подробно основные компоненты компьютера.
Центральный процессор (микропроцессор)– это электронный модуль, выполняющий в компьютерной системе основную вычислительную работу. Он управляет взаимодействием между всеми блоками и системами компьютера, а также выполняет арифметические и логические операции над данными. Центральный процессор является ядром любой ПЭВМ.
Конструктивно центральный процессор, как правило, выполнен на одном кристалле (на одной СБИС). В состав микропроцессора входят:
1. Устройство управления (УУ): формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.
2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ): предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор).
3. Микропроцессорная память (МПП): предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации непосредственно в ближайшие такты работы машины, используемой в вычислениях; МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину один байт и более низкое быстродействие).
4. Интерфейсная система микропроцессора: предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.
Порт ввода-вывода (I/O port) — аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.
5. Генератор тактовых импульсов: формирует последовательность тактовых импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного машинного такта. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в ЭВМ выполняется за определенное количество тактов.
Чипсет – так называется комплект микросхем, предназначенный для поддержки в компьютерной системе функциональных возможностей, предоставляемых процессором, оперативной памятью, КЭШ-памятью, дисковой и видеопамятью, а также прочими компонентами системы. Микросхемы чипсета генерируют большинство сигналов для системных и периферийных компонентов, преобразуют сигналы между шинами, позволяют процессору и оперативной памяти работать с постоянной производительностью. В состав нескольких микросхем, из которых состоят чипсеты, входят узлы, называемые "обрамлением центрального процессора". Это – таймер, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти, контроллеры графической шины AGP, последовательного и параллельного портов и прочие устройства, поддерживающие системные процессы в ПЭВМ.
Основная память структурно объединяет оперативную память (ОЗУ) и постоянную память (ПЗУ). Оперативная память построена на БИС или СБИС и является энергозависимой: при отключении питания информация в ОЗУ теряется. В оперативной памяти хранятся исполняемые программы, исходные и промежуточные данные, а также результаты вычислений. Емкость ОЗУ измеряется в Мбайтах. В наиболее распространенных конфигурациях ПЭВМ емкость ОЗУ составляет 32 … 256 Мбайт и более. Постоянная память является энергонезависимой. Она используется для хранения неизменяемой программной и справочной информации (например, скэн-кодов клавиатуры и пр.). Программы, хранящиеся в ПЗУ, предназначены для постоянного использования центральным процессором.
Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется ИС ПЗУ, хранящая код BIOS компьютера, BIOS-карты расширения, конфигурацию периферийных устройств и пр.
Контроллеры – устройства, предназначенные для управления внешними (периферийными) устройствами. Каждое внешнее устройство имеет свой контроллер. В ПЭВМ широко используются контроллеры, встроенные непосредственно на материнскую плату. Встроенными, например, являются контроллеры клавиатуры, накопителей на гибких и жестких магнитных (оптических) дисках, параллельного и последовательного портов. Внешние контроллеры реализуются на отдельных печатных платах, вставляемых внутрь системного блока. Они могут состоять из нескольких микросхем. Внешние контроллеры часто называют адаптерами внешних устройств.
Как видно из рисунка 1, все электронные элементы ПЭВМ взаимосвязаны друг с другом с помощью шин – совокупности линий связи и микросхем, осуществляющих передачу электрических сигналов определенного функционального назначения. Совокупность всех шин информационно-вычислительной системы называется системной шиной (системной магистралью).
По шинам передаются сигналы трех групп: адресные, управляющие и данные. Соответственно различают следующие шины:
шина данных. Предназначена для передачи данных между электронными модулями ПЭВМ;
шина адреса. Обеспечивает пересылку кодов адресной информации к ОЗУ или электронным модулям ПЭВМ для доступа к ячейкам памяти или к устройствам ввода-вывода;
шина управления. Включает линии, по которым передаются сигналы управления: обмена, запросы на прерывания, синхронизации, передачи управления и т. д.
Каждая шина характеризуется разрядностью, т. е. количеством линий, составляющих шину (количеством одновременно передаваемых по линиям шины битов информации). В архитектуре ПЭВМ чаще всего встречаются 16-, 32- и 64-разрядные шины.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
- между микропроцессором и основной памятью;
- между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
- между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Все внешние устройства подключаются к системной шине единообразно: либо непосредственно, либо через контроллеры.
Управление системной шиной со стороны микропроцессора осуществляется либо непосредственно, либо через контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.
Источник питания ПЭВМ предназначен для формирования напряжений постоянного тока, необходимых для работы внутренних устройств и узлов системного блока. Внешние устройства, как правило, имеют отдельные источники питания. Типовые значения напряжений, формируемых источником питания – +3,3 В, +(-)5 В,
+(-)12 В. В настольных компьютерах мощность блока питания обычно бывает от 150 до 400 ватт.
Системный динамик предназначен для выдачи звуковых сообщений (сигналов) в случае каких-либо сбоев в работе оборудования ПЭВМ или в случае некорректных действий пользователя. Он позволяет пользователю следить за работой ПЭВМ, вовремя обращать внимание на возникшие сбои в отдельных устройствах или на возникновение необычной ситуации при решении задачи на ПЭВМ.
