Архитектура построения современных ЭВМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Расчётная часть

2. Конструкторская часть

3. Архитектура современного ПК

4. Теоретическая часть

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Появление понятия «Персональный компьютер» относится к концу 70-х годов, когда распространение ПК вызвало некоторое снижение спроса набольшие и мини ЭВМ. Компания IBM (International Bussines Machines Corporation) - ведущий производитель больших ЭВМ, решила попробовать свои силы на этом новом для нее рынке оборудования. Одно из подразделений компании получило задание на разработку проекта ПК. Новый компьютер было решено строить по модульной схеме. Также было разрешено использовать комплектующие и блоки как разработанные IBM, так и изготовленные другими фирмами. Эти факторы сыграли важную роль в дальнейшем развитии рынка ПК, заложив основу так называемой «открытой архитектуры».

В качестве основы нового компьютера был выбран 16-разрядныймикропроцессор Intel-8088 (разработка 1979 г.), позволявший работать с 1Мбпамяти. Учитывая тот факт, что другие микропроцессоры, существовавшие в то время, были ограничены 64Кб, использование Intel-8088 значительно увеличивало потенциальные возможности проектируемого ПК. Заказ на разработку программного обеспечения для ПК получила фирма Microsoft.

Проект был завершен в августе 1981 г. Компьютер, получивший название IBM PC, произвел настоящую информационную революцию, вытеснив с рынка в течение нескольких лет старые, 8-битовые модели ПК. IBM PC стал фактически стандартом для производителей компьютерной техники. Относительно низкая стоимость (1000-1500 долларов) в сочетании с наличием разъемов подключения дополнительных устройств расширения, а также возможность несложной замены устаревших или вышедших из строя частей ПК обусловили широкий спрос на IBMPC, который привел к лавинообразному нарастанию производства ПК, совместимых с оригинальной моделью. Это семейство микрокомпьютеров получило название “клона” IBM, следующим из которых стал ПК IBM PC AT на основе микропроцессора 80286 (разработка 1981 г.).

1. Расчётная часть

Данный пункт моей работы включает в себя некоторые вычисления.

Выполним вычисление в двоичной системе счисления по данным формулам.

Nж₍₂₎ - Номер по журналу переведенный с десятичной системы счисления в двоичную.

№ по журналу 6-ой:

6₍₁₀₎=110₍₂₎;

110₍₂₎ + 10₍₂₎= 1000₍₂₎;

110₍₂₎ -10₍₂₎ = 100₍₂₎;

110₍₂₎*10₍₂₎ = 1100₍₂₎;

110₍₂₎ / 10₍₂₎= 11₍₂₎.

Далее произведем сложение всех результатов вычислений, присвоив полученному значению индекс N_‡”(2).

N_‡”(2)= 1000₍₂₎ + 100₍₂₎ + 1100₍₂₎+ 11₍₂₎ = 11011₍₂₎.

Выполним вычисления в восьмеричной системе счисления по формулам указанным ниже.

Nж₍₈₎ - C номер по журналу переведенный с десятичной системы счисления в восьмеричную. № по журналу 6-ой.

6₍₁₀₎ = 6 ₍₈₎;

6₍₈₎ + 10₍₈₎ =16 ₍₈₎;

6₍₈₎ - 10₍₈₎ = 1777777777777777777776 ₍₈₎;

6₍₈₎ * 10₍₈₎ = 60₍₈₎;

6₍₈₎ / 10₍₈₎ = 0₍₈₎.

Далее мы произведем сложение всех результатов вычислений, присвоив полученному значению индекс N_‡”(8).

N_‡”(8) = 16₍₈₎ + 1777777777777777777776₍₈₎ + 60₍₈₎ + 0₍₈₎ = 74 ₍₈₎.

Выполним вычисление в шестнадцатеричной системе счисления по формулам:

Где:

Nж₍₁₆₎ - номер по журналу переведенный с десятичной системы счисления в шестнадцатеричную.

№ по журналу 6-ой.

6₍₁₀₎ = 6₍₁₆₎;

6₍₁₆₎ + 10₍₁₆₎ = 16₍₁₆₎;

6₍₁₆₎ - 10₍₁₆₎ = FFFFFFFFFFFFFFF6₍₁₆₎;

6₍₁₆₎ * 10₍₁₆₎ = 60₍₁₆₎;

6 ₍₁₆₎ / 10₍₁₆₎ = 0₍₁₆₎.

Далее мы произведем сложение всех результатов вычислений, присвоив полученному значению индекс N_‡”(16).

N_‡”(16) = 16₍₁₆₎ + FFFFFFFFFFFFFFF6₍₁₆₎+ 60₍₁₆₎+ 0₍₁₆₎ =6₍₁₆₎.

Следующим этапом вычислений необходимо выполнить сложение N_‡”(2), N_‡”(8)и N_‡”(16), предварительно переведя их в десятичную систему счисления. Ответ представим в шестнадцатеричной системе счисления.

2. Конструкторская часть

Целью минимизации логической функции является минимизация стоимости ее технической реализации. Критерии, в соответствии с которыми осуществляют минимизацию ФАЛ, не однозначны. Основным критерием минимизации ФАЛ является критерий уменьшения количества элементарных логических элементов при использовании только однородных элементов, например, только типа И-НЕ (ИЛИ-НЕ).

Минимизация функции:

F=X₂X₁X₀+X₂X₁X₀+X₂X₁X₀+X₂X₁X₀

Произведём минимизацию алгебры логики (ФАЛ), с объединением в области «1».



Y = X₀ + X₁X₂

Произведём минимизацию алгебры логики (ФАЛ), с объединением в области «0».

Y = X₂X₁ + X₀

Следующим этапом данного раздела является выполнение технической реализации заданной исходной функции на формате А4 в соответствии с требованиями ЕСКД и ГОСТ.

В данном пункте курсовой работы составим таблицу истинности для всех случаев уровня сигнала технической реализации заданной исходной функции.

Данный пункт содержит описание альтернативы условно технического обозначения вида логической операции на электронный вид логической операции. Выполненную электронную схему заданной исходной функции отображаем на формате А4 в соответствии с требованиями ЕСКД и ГОСТ.



Далее составим истинность для всех случаев уровня, существующих сигналов технической реализации, с учетом заданной исходной функции.

3. Архитектура современного ПК

Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов. Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина - это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.

Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули, - шине данных, шине адресов и шине управления. Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает - это функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой вверенного ему устройства по специальным встроенным программам обмена. Он имеет свою систему команд. Например, контроллер дисковода умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор и т. п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Разрядность шины данных задается разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода. Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ - код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т.е. эта шина является однонаправленной. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией. Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса. Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют контроллеры. Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (Interrupts). Система прерываний позволяет компьютеру приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, а с другой - необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.

В состав ЭВМ входят следующие компоненты:

- центральный процессор (CPU);

- оперативная память (memory);

- устройства хранения информации (storagedevices);

- устройства ввода (inputdevices);

- устройства вывода (outputdevices);

- устройства связи (communicationdevices).

Во всех вычислительных машинах до середины 50-х годов устройства обработки и управления представляли собой отдельные блоки, и только с появлением компьютеров, построенных на транзисторах, удалось объединить их в один блок, названный процессором. Процессор - это мозг ЭВМ. Он контролирует действия всех остальных устройств (devices) компьютера и координирует выполнение программ. Процессор имеет свою внутреннюю память, называемую регистрами, управляющее и арифметико-логическое устройства. Процесс общения процессора с внешним миром через устройства ввода-вывода по сравнению с информационными процессами внутри него протекает в сотни и тысячи раз медленнее. Это связано с тем, что устройства ввода и вывода информации часто имеют механический принцип действия (принтеры, клавиатура, мышь) и работают медленно. Чтобы освободить процессор от простоя при ожидании окончания работы таких устройств, в компьютер вставляются специализированные микропроцессоры-контроллеры (от англ. controller - управляющий). Получив от центрального процессора компьютера команду на вывод информации, контроллер самостоятельно управляет работой внешнего устройства. Окончив вывод информации, контроллер сообщает процессору о завершении выполнения команды и готовности к получению следующей. Число таких контроллеров соответствует числу подключенных к процессору устройств ввода и вывода.

Таким образом, использование специальных контроллеров для управления устройствами ввода-вывода, усложняя устройство компьютера, одновременно разгружает его центральный процессор от непроизводительных трат времени и повышает общую производительность компьютера. Существует два типа оперативной памяти - память с произвольным доступом (RAM или randomaccessmemory) и память, доступная только на чтение (ROM или readonlymemory). Процессор ЭВМ может обмениваться данными с оперативной памятью с очень высокой скоростью, на несколько порядков превышающей скорость доступа к другим носителям информации, например дискам. Оперативная память с произвольным доступом (RAM) служит для размещения программ, данных и промежуточных результатов вычислений в процессе работы компьютера. Данные могут выбираться из памяти в произвольном порядке, а не строго последовательно, как это имеет место, например, при работе с магнитной лентой. Память, доступная только на чтение (ROM) используется для постоянного размещения определенных программ (например, программы начальной загрузки ЭВМ). В процессе работы компьютера содержимое этой памяти не может быть изменено. Оперативная память - временная, т. е. данные в ней хранятся только до выключения ПК. Для долговременного хранения информации служат дискеты, винчестеры, компакт-диски и т. п. Конструктивно элементы памяти выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить объем общей оперативной памяти компьютера. Основными характеристиками элементов (микросхем) памяти являются: тип, емкость, разрядность и быстродействие.

В настоящее время отдельные микросхемы памяти объединяются в специальных печатных платах, образуя вместе с некоторыми дополнительными элементами модули памяти (SIMM- и DIMM-модули).

Устройства хранения информации используются для хранения информации в электронной форме. Любая информация - будь это текст, звук или графическое изображение, представляется в виде последовательности нулей и единиц. Ниже перечислены наиболее распространенные устройства хранения информации. Винчестеры (harddiscs) - жесткие диски - наиболее быстрые из внешних устройств хранения информации. Кроме того, информация, хранящаяся на винчестере, может быть считана с него в произвольном порядке (диск - устройство с произвольным доступом). Емкость диска современного персонального компьютера составляет десятки-сотни гигабайт. В одной ЭВМ может быть установлено несколько винчестеров. Оптические диски (cdroms) Лазерные диски, как их еще называют, имеют емкость около 600 мегабайт и обеспечивают только считывание записанной на них однажды информации в режиме произвольного доступа. Скорость считывания информации определяется устройством, в которое вставляется компакт-диск (cdromdrive). Магнитооптические диски -в отличие от оптических дисков позволяют не только читать, но и записывать информацию. Флоппи диски (floppydiscs) В основе этих устройств хранения лежит гибкий магнитный диск, помещенный в твердую оболочку. Для того чтобы прочитать информацию, хранящуюся на дискете, ее необходимо вставить в дисковод (floppydiscdrive) компьютера. Емкость современных дискет всего 1.44 мегабайта. По способу доступа дискета подобна винчестеру. Устройства ввода передают информацию в ЭВМ от различных внешних источников. Информация может быть представлена в весьма различных формах: текст - для клавиатуры (keyboard), звук - для микрофона (microphone), изображение - для сканера (scanner). Клавиатура - одно из самых распространенных на сегодня устройств ввода информации в компьютер. Она позволяет нажатием клавиш вводить символьную информацию. Ключевой принцип работы клавиатуры заключается в том, что она воспринимает нажатия клавиш и преобразует их в двоичный код, индивидуальный для каждой клавиши.

Но указывать место на экране монитора, в котором компьютер что-то должен изменить, с помощью клавиатуры неудобно. Для этого существует специальное устройство ввода - мышь. Принцип ее действия основан на измерении направления и величины поворота шарика, находящегося в нижней части мыши. Когда мы перемещаем мышь по поверхности стола, шарик поворачивается. Специальные датчики измеряют поворот шарика. После преобразования результатов измерения в двоичный код они передаются в компьютер. По ним процессор выводит на экран условное изображение указателя (обычно в форме стрелки). Существуют разновидности этого устройства - оптические мыши, принцип действия которых основан на отслеживании перемещения луча света. Мышь не позволяет вводить числовую и буквенную информацию, но удобна для работы с графическими объектами, изображенными на экране. Сканер - устройство ввода графической информации. Его особенность - способность считывать изображение непосредственно с листа бумаги. Принцип действия сканера напоминает работу человеческого глаза. Освещенный специальным источником света, находящимся в самом сканере, лист бумаги с текстом или рисунком "осматривается" микроскопическим "электронным глазом". Диаметр участка изображения, воспринимаемого таким "глазом", составляет 1/20 миллиметра и соответствует диаметру человеческого волоса. Яркость считываемой в данный момент точки изображения кодируется двоичным числом и передается в компьютер. Для того чтобы осмотреть стандартный лист бумаги, "электронному глазу" приходится строку за строкой обходить его, передавая закодированную информацию об освещенности каждой точки изображения в компьютер.

Монитор - устройство вывода на экран текстовой и графической информации. Мониторы бывают цветными и монохромными. Они могут работать в одном из двух режимов: текстовом или графическом. В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные участки - знакоместа, чаще всего на 25 строк по 80 символов (знакомест). В каждое знакоместо может быть выведен один из 256 заранее определенных символов. В число этих символов входят большие и малые латинские буквы, цифры, определенные символы, а также псевдографические символы, используемые для вывода на экран таблиц и диаграмм, построения рамок вокруг участков экрана и так далее. В число символов, изображаемых на экране в текстовом режиме, могут входить и символы кириллицы. На цветных мониторах каждому знакоместу может соответствовать свой цвет символа и фона, что позволяет выводить красивые цветные надписи на экран. На монохромных мониторах для выделения отдельных частей текста и участков экрана используется повышенная яркость символов, подчеркивание и инверсное изображение. Графический режим предназначен для вывода на экран графической информации (рисунки, диаграммы, фотографии и т. п.). Разумеется, в этом режиме можно выводить и текстовую информацию в виде различных надписей, причем эти надписи могут иметь произвольный шрифт, размер и др. В графическом режиме экран состоит из точек, каждая из которых может быть темной или светлой на монохромных мониторах и одного или нескольких цветов - на цветном. Количество точек на экране называется разрешающей способностью монитора в данном режиме. Следует заметить, что разрешающая способность не зависит напрямую от размеров экрана монитора. Принтер - устройство для вывода результатов работы компьютера на бумагу. Само название произошло от английского слова printer, означающего "печатник" (печатающий). Первые принтеры создавали изображение из множества точек, получающихся под действием иголок, ударяющих через красящую ленту по бумаге и оставляющих на ней след. Иголки закреплены в печатающей головке и приводятся в движение электромагнитами. Сама же головка движется горизонтально, печатая строку за строкой. Количество иголок составляет 8 или 24 при одной и той же высоте печатающей головки. Во втором случае их делают тоньше, а получаемое изображение оказывается более "мелкозернистым". Такой принтер преобразует электрические сигналы, выдаваемый компьютером, в движение иголок. Принтеры, использующие для получения изображения механический (ударный) принцип, называют матричными. Матричные принтеры создают сильный шум и требуют частой замены красящей ленты, поэтому в 80-х годах был предложен другой способ печати на бумаге - струйный. Принцип, лежащий в основе струйной печати с использованием жидких чернил, состоит в нанесении капелек чернил непосредственно на поверхность бумаги, пленки или ткани. Импульсная печатающая головка струйного принтера, подобно головке матричного принтера, состоит из вертикального ряда камер, способных нанести на бумагу одну или несколько вертикальных полосок. Число камер, входящих в состав головки, может достигать 48. Это позволяет получать очень качественное изображение. Существуют как черно-белые, так и цветные струйные принтеры. Последние, кроме головки с черными чернилами, имеют еще печатную головку с чернилами трех цветов. Кроме матричных и струйных принтеров, широкое распространение получили и, так называемые, лазерные принтеры. Принцип их работы достаточно сложен и требует глубокого знания физики, поэтому нами рассматриваться не будет. Эти принтеры при своей относительно высокой стоимости очень экономичны в эксплуатации и намного менее требовательны к качеству бумаги, по сравнению со струйными принтерами.

Устройства связи необходимы для организации взаимодействия отдельных компьютеров между собой, доступа к удаленным принтерам и подключения локальных сетей к общемировой сети Интернет. Примерами таких устройств являются сетевые карты (ethernetcards) и модемы (modems). Скорость передачи данных устройствами связи измеряется в битах в секунду (а также в кбит/с и мбит/с). Модем, используемый для подключения домашнего компьютера к сети Интернет, обычно обеспечивает пропускную способность до 56 кбит/c, а сетевая карта - до 100 мбит/с и более.

4. Теоретическая часть

Введение в теоретическую часть.

Архитектор, проектируя здание, обязан не только позаботиться о его красоте и форме, но и представить подробный план здания (структуры), предусмотреть надежность, безопасность, удобство его эксплуатации и использование эффективных технологий. Таким образом он решает вопросы взаимодействия проектируемого здания с окружающей средой, с людьми, для которых здание строится. Подобное можно сказать и об архитектуре компьютера, которая связана с набором качеств, влияющих на ее взаимодействие с пользователем. Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, совокупность его свойств и характеристик, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные. Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Одним из существенных достоинств современного ПК является гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования и в быту.

Основные принципы функционирования ПК:

Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной ЁC ЭВМ. Структура такого устройства была описана знаменитым математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г. Современные компьютеры, базируясь на тех же принципах, имеют некоторые отличия, обусловленные развитием техники и служащие решению важных для пользователя задач.

Компьютер состоит из:

- АЛУ C арифметическое логическое устройство. Преобразует информацию, выполняя сложение, вычитание и основные логические операции «И», «ИЛИ», «НЕ».

- УУ C устройство управления. Организует процесс выполнения программ.

- УВВ C устройства ввода и вывода. Получают информацию извне, выводят ее получателю.

- ОЗУ C оперативное запоминающее устройство, или память.

Достижения микроэлектроники позволили объединить в одной сверхбольшой интегральной схеме, называемой микропроцессором (МП) или процессором, АЛУ и УУ. Уменьшение габаритов ОЗУ позволило разместить МП и ОЗУ на одной электронной плате, называемой системной, или материнской. Все связи между отдельными устройствами объединены в пучок параллельных проводов ЁC локальную или системную шину. В состав этой шины входят шина данных, по которой передаются из ОЗУ в МП также и команды, шина адреса и шина управления. УВВ включают УВВ и управляющие ими контроллеры (карты), включаемые в системную плату или установленные прямо на ней.

В современных ПК возможна также параллельная работа нескольких процессоров. За счет распараллеливания выполнения одной задачи или параллельного выполнения многих задач достигается увеличение общей производительности компьютера. Для этого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные процессоры. Двух процессорные машины отличаются от однопроцессорных прежде всего именно более «мягкой» реакцией на действия пользователя, особенно если в системе одновременно запущено несколько задач.

Важным элементом структуры современного компьютера и принципа его действия являются сигналы и понятия прерываний. Если в микропроцессор извне поступает сигнал запроса на прерывание, выполнение текущей программы приостанавливается, в заранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес останова в программе, и микропроцессор выполняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. После ее завершения восстанавливаются все промежуточные результаты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.

В основу архитектуры современных ПК положен магистрально-модульный принцип. Этот принцип позволяет самим комплектовать нужную конфигурацию компьютера и при необходимости производить ее модернизацию. Модульная организация опирается на шинный метод обмена информацией между модулями (устройствами). Этот принцип также называют принципом открытой архитектуры.

Структура современного ПК:

Структура компьютера ЁC это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Рисунок 1. - Структурная схема ПК:

Рассмотрим принципы взаимодействия основных устройств ПК.

Материнская (системная) плата C важнейший элемент ПК, к которому подключено всё то, что составляет сам компьютер. В нее устанавливается процессор, оперативная память, микропроцессорный комплект (чипсет), с ней связаны жесткий диск и CD-ROM, к ней подключаются различные дополнительные устройства.

Таким образом, материнская плата, центральный процессор, оперативная память составляют основу ПК, от их производительности зависит производительность компьютера в целом. На материнской плате находятся специальные перемычки C джамперы, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавливаемых на ней. На материнской плате устанавливаются разъемы для установки дополнительных устройств C слоты расширения. Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных C шину. Виды слотов расширения различаются по типу шины.

Аппаратно-логические устройства, отвечающие за совместное функционирование различных компонентов, называют интерфейсами.

Современный компьютер заполнен разными интерфейсами, обеспечивающими всеобщее взаимодействие. В основе построения интерфейсов лежат унификация и стандартизация (использование единых способов кодирования данных, форматов данных, стандартизация соединительных элементов C разъемов и т. д.). Именно совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, образует архитектуру компьютера.

Центральной частью компьютера является системный блок с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью. Системный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к источнику питания C сети переменного тока. В современных компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируются в едином корпусе.

В системном блоке располагаются все основные устройства компьютера: микропроцессор, оперативная память, контроллеры, накопители, дисководы для компакт-дисков, блок питания, счетчик времени и другие устройства. Все компоненты ПК по их функциональному отношению к работе с информацией можно условно разделить на:

- устройства обработки информации (центральный процессор, специализированные процессоры);

- устройства хранения информации (жесткий диск, CD-ROM, оперативная память и др.);

- устройства ввода информации (клавиатура, мышь, микрофон, сканер и т. д.);

- устройства вывода информации (монитор, принтер, акустическая система и т. д.).

Характеристики основных компонентов современного ПК

Устройства обработки.

Микропроцессор (центральный микропроцессор, CPU) C программно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации под управлением программы, находящейся сейчас в оперативной памяти.

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему C тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных сантиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Микропроцессор установлен на материнской плате и связан с ней интерфейсом процессорного разъема (Socket).

Следующие два года AMD готовят нам встречу с тремя новыми процессорными разъёмами: Socket AM2+, Socket AM3 и Socket F+.С ними будут выпускаться чипы, основанные на архитектуре, условно названной K8L. В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние регистры. УУ вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд, АЛУ ЁC арифметические и логические операции над данными. Оно может состоять из нескольких блоков, например блока обработки целых чисел и блока обработки чисел с плавающей запятой.

Директор по технологиям Intel Патрик Гелсингер, отметил, что процессоры Intel следующего поколения будут поддерживать новый набор векторных инструкций AVX (Advanced Vector Extensions), которые позволят ускорить выполнение операций с плавающей запятой.

В современных микропроцессорах в основу работы каждого блока положен принцип конвейера. Если в микропроцессоре имеется несколько блоков обработки, в основу работы которых положен принцип конвейера, то его архитектуру называют супер скалярной. Серия процессоров NVIDIA GeForce 6 имеет новую супер скалярную архитектуру, которая удваивает количество операций на такт по сравнению с традиционными архитектурами. В результате производительность становится значительно выше скалярного проектирования. Также, новая архитектура обеспечивает полноценную 32-битную точность операций с плавающей запятой, сохраняя при этом 16-битный режим сохранения в памяти.

Основными характеристиками процессора являются: быстродействие, тактовая чистота и разрядность. По результатам тестирования, проведенного журналом «Железо», неплохие характеристики имеет четырех ядерный процессор IntelCore 2 Extreme QX6700 (частота процессора 2,66 ГГц, кэш второго уровня L2 8192 Кб, частота шины 1066 Мгц).

Важным этапом в развитии аппаратных платформ Intel, по словам П. Гелсингера, станет появление новой архитектуры Nehalem. В Intel отмечают, что переход на архитектуру Nehalem позволит добиться значительного повышения производительности при одновременном снижении энергопотребления. Платформа Nehalem будет использовать новую системную архитектуру Quick Path Interconnect, включающую встроенный контроллер памяти и усовершенствованные каналы связи между компонентами. Процессоры на основе Nehalem получат от двух до восьми ядер и благодаря технологии Simultaneous Multithreading смогут одновременно обрабатывать от четырех до шестнадцати потоков инструкций.

Объем кэш-памяти третьего уровня сможет достигать 12 Мб.

Процессоры Nehalem получат новый набор инструкций SSE4 и поддержку технологии SmartCache для работы нескольких ядер с общим КЭШем.

Гелсингер также заметил, что позднее Intel планирует показать чип, разрабатывающийся в рамках проекта Larrabee. Larrabee будет предназначен, прежде всего, для ускорения различных расчетов, а также повышения производительности вычислительных систем, обрабатывающих данные научного, финансового характера и пр. Инициатива Larrabee предполагает создание многоядерного процессора, построенного на основе усовершенствованной архитектуры х86. Первые версии чипа, предположительно, будут насчитывать от 16 до 24 ядер и работать на тактовой частоте около 2 ГГц. Производительность процессора теоретически будет достигать одного триллиона операций с плавающей запятой в секунду. Ожидать появления продуктов на основе Larrabee следует ближе к концу 2009 года или в 2010 году.

Связь между устройствами ПК осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.

В персональном компьютере, как правило, используется структура с одним общим интерфейсом, называемым также системной шиной. При такой структуре все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через системную шину. Физически она представляет собой систему функционально объединенных проводов, по которым передаются три потока данных: непосредственно информация, управляющие сигналы и адреса.

Несомненными достоинствами ПК с шинной структурой являются ее простота, а, следовательно, и невысокая стоимость; гибкость, так как унификация связи между устройствами позволяет достаточно легко включать в состав ПК новые модули, т. е. менять конфигурацию компьютера. К недостаткам следует отнести снижение производительности системы из-за задержек, связанных со временем ожидания устройствами возможности занять шину, пока осуществляется передача информации между устройствами с более высоким приоритетом. Для преодоления этого недостатка в персональных суперкомпьютерах используется архитектура с несколькими шинами.

Максимальное количество одновременно передаваемой информации называется разрядностью шины. Чем больше разрядность шины, тем больше информации она может передать в единицу времени.

При работе с оперативной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина данных.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек памяти. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная.

Шина данных предназначена для передачи команд и данных, которые могут передаваться в любом направлении. В современных компьютерах разрядность шины данных составляет 64 бита.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. В большинстве современных процессоров шина управления 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Шина работает циклами. Количество циклов срабатывания шины в единицу времени называется частотой шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины. Корпорация Intel официально представила новые серверные процессоры Itanium серии 9100 (кодовое название Montvale). Процессор Itanium 9110N имеет тактовую частоту 1,6 ГГц, частота системной шины - 533 МГц. Для каждого устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет, - контроллер.

Все контроллеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную плату.

Устройства хранения:

Центральный процессор (ЦП) взаимодействует с внутренним ЗУ, называемым оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или оперативной памятью (ОП). ОП предназначена для приема, хранения и выдачи всей информации, необходимой для выполнения операций в ЦП. Кроме оперативной памяти во всех компьютерах обычно имеется внутренняя постоянная память, используемая для хранения постоянных данных и программ.

Оперативная память (ОП, англ. RAM C Random Access Memory C память с произвольным доступом) C это быстродействующее запоминающее устройство с прямым доступом процессора, которое предназначено для записи, считывания и временного хранения выполняемых программ и данных. Она ограничена по объему. ОП C электрическое устройство, и при выключении ПК все его содержимое пропадает.

В связи с этим на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», так называемая СMOS-память (изготовленная по технологии CMOS C Comple Mentary Metal Coxidesemiconductor), которая предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.

Данные записываются и считываются под управлением команд, содержащихся в другом виде памяти C BIOS (BasicInput - OutputSystem), которая является базовой системой ввода-вывода C содержит наборы групп команд, называемых функциями, для непосредственного управления различными устройствами ПК.

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш-память (cache C запас). Это сверх быстрая оперативная память, предназначенная для временного хранения текущих данных и помещенная между оперативной памятью и процессором. У современных микропроцессоров может быть кэш-память первого уровня, которая обычно встроена в тот же кристалл и работает на одинаковой с микропроцессором частоте. Для некоторых микропроцессоров предусмотрена еще кэш-память второго и третьего уровня (от 8 Мб до 24 Мб). Существуют два способа организации такой памяти: общая, когда команды и данные хранятся вместе, и разделенная, когда они хранятся в разных местах. Наличие разделенной кэш-памяти увеличивает производительность микропроцессора, сокращая среднее время доступа к используемым командам и данным.

Для хранения больших объемов информации, которые не используются в данный момент времени процессором, предназначаются внешние запоминающие устройства (ВЗУ). К ним относятся: винчестеры (жесткие магнитные диски), оптические диски, магнитно-оптические диски, флоппи диски, Zipand Jaz Iomegadiscs (относительно новые носители информации, которые призваны заменить гибкие магнитные диски. Они быстрые и большие по емкости (100 мегабайт - Zip, 1 гигабайт - Jaz), магнитные ленты.

Ученые из Центра прикладной нано иконки (CANi) при Университете штата Аризона (США) сообщили о создании нового типа памяти, позволяющей выпускать крошечные накопители емкостью до 1 Тб. Кроме столь впечатляющей емкости при малых размерах, чипы памяти на базе новой технологии смогут похвастаться низким энергопотреблением, превзойдя по этому показателю даже распространенную флэш-память.

В современных ПК реализована виртуальная память, которая предоставляет пользователю возможность работы с расширенным пространством оперативной памяти. Виртуальная память представляет собой совокупность оперативной памяти и внешних запоминающих устройств, а также комплекса программно-аппаратных средств, обеспечивающих динамическую переадресацию данных, в результате чего пользователь не должен заботиться о том, где располагаются необходимые ему данные (в ОЗУ или ВЗУ), а функции по требуемому перемещению данных берет на себя вычислительная система.

Конструктивно элементы памяти выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить объем общей оперативной памяти компьютера. В настоящее время отдельные микросхемы памяти не устанавливаются на материнскую плату. Они объединяются в специальных печатных платах, образуя вместе с некоторыми дополнительными элементами модули памяти (SIMM- и DIMM-модули).

Для подключения к системной шине различных внешних устройств существуют устройства C порты. Различают несколько типов портов: внутренний (таймерный), клавиатурный, коммуникационный, игровой (джойстик).

Коммуникационные порты обеспечивают подключение таких внешних устройств, как мышь, принтер, сканер, внешний модем и др. Эти порты подразделяются на последовательные (COM1, COM2, СОМ3, СОМ4) и параллельные (LPT1, LPT2,LPT3). Последовательные порты обеспечивают двусторонний побайтовый обмен последовательными кодами, они обычно используются для подключения мыши и модема.

Параллельные порты могут реализовать либо однонаправленную побайтовую передачу параллельных кодов, либо двунаправленную. Параллельный порт имеет более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, и используется для подключения принтера.

Широкое распространение получил порт USB (Universal Serial Bus C универсальная последовательная шина). Он обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств (сканера, цифровых камер и т. п.). Также высокоскоростное подключение до 7 устройств (винчестеров, сканеров, СD-ROM и DVD-ROM дисководов и др.) к компьютеру реализует интерфейс малых вычислительных систем (Small Computer System Interface). SCSI-адаптеры размещаются в слотах расширения системной платы.

Устройства ввода и вывода:

Совокупность ВЗУ и устройств ввода-вывода информации образует периферийную часть ЭВМ. Так как существует достаточно много разнообразных периферийных устройств, каждый ПК может быть укомплектован по-разному и иметь в своем составе те или иные периферийные устройства. Поэтому принято говорить о конфигурации ЭВМ, понимая под этим термином конкретный состав ее устройств с учетом их характеристик.

Передача информации из периферийных устройств в центральные называется операцией ввода, а передача информации из центральных устройств в периферийные ЁC операцией вывода.

Производительность и эффективность использования ПК определяются не только возможностями его процессора и характеристиками ОП, но в большей степени составом его периферийных устройств, их техническими данными, а также способом организации их совместной работы с центральной частью ПК.

Внешними называются устройства, обеспечивающие ввод, вывод и накопление информации в ПК и взаимодействующие с процессором и оперативной памятью через системную шину, а также через порты ввода-вывода.

К ним относятся как устройства, находящиеся вне системного блока (клавиатура, мышь, трекбол, монитор, принтер, плоттер и другие), так и устройства, размещаемые внутри него (накопители на дисках, контроллеры устройств, внутренние факс-модемы и другие).

К устройствам вывода относятся: монитор, видеокарта, принтер, плоттер, сетевая карта. Устройства ввода информации: клавиатура, мышь, трекбол, тачпад (Touch Pad), сканер, цифровая камера, ТВ-тюнер, звуковая карта, микрофон и т. п.

Архитектура ПК в будущем:

Современный ПК используется в таких приложениях, для которых первоначально и не предназначался. 3D графика, потоковое видео, многоканальное аудио и высокоскоростные коммуникации стали настолько привычными и обязательными, что компьютерные системы находятся под постоянным напором новых требований к их архитектуре. К сожалению, ПК, которые мы видим в настоящее время, с их древними форм-факторами и унаследованной из поколения в поколение уродливостью, не могут в полной мере соответствовать требованиям, предъявляемым к современным ПК. Новая архитектура от NVIDIA - nForce, разработана фактически с чистого листа на основе нескольких новейших технологий, в результате чего получилась воистину современная платформа XXI века.

Архитектура NVIDIA nForce обладает самой производительной на сегодняшний день платформой; новой шиной AMD Hyper Transport, связывающей обе части чипсета nForce - IGP и MCP, позволяющей добиться в шесть раз большей производительности, чем принятые в настоящие время внешние шинные соединения; многоканальным, высокопроизводительным аудио движком, позволяющим декодировать аудио по схеме DolbyDigital 5.1 в реальном времени. NVIDIA nForce составлена из двух "сопроцессоров": nForce Integrated Graphics Processor (IGP) и nForce Media and Communications Processor (MCP).

Продолжая совершенствовать концепции дизайна персональных компьютеров, компании Microsoft и Hewlett-Packard недавно познакомили нас с еще одним вариантом ПК будущего. Разработка носит кодовое название Athens и с виду напоминает Tablet PC, подключенный проводом к стоящей отдельно док-станции небольшого размера. Прототип, демонстрировавшийся на конференции WinHEC в Новом Орлеане, предстал перед аудиторией в виде сравнительно небольшого по размерам «системного блока», соединенного с плоско-панельным монитором с диагональю 23 дюйма. Этот дисплей оснащен телефонной гарнитурой и видеокамерой, размещенными с разных сторон, в дисплейном модуле могут также размещаться медиа порты и приводы для оптических дисков. Все остальные компоненты ПК, в том числе процессор и системная плата, помещены в компактное шасси, соединенное с дисплеем одним кабелем. По этому кабелю, как поясняют разработчики, осуществляются и подача питания на экран, и передача различных данных. Устройство работает с беспроводными клавиатурой и мышью. Таким образом прототип Athens представляет настольную систему, которая дает пользователю также возможность участвовать в видеоконференциях и разговаривать по телефону наряду с выполнением привычной работы с Web и электронной почтой.

Как подчеркнул Байрон Сэндз, директор по вопросам передовых технологий подразделения персональных компьютеров HP, Athens разрабатывается не как элитное устройство, а как стандарт для настольных систем будущего. В целях продвижения на рынок новой эталонной архитектуры Microsoft намерена оказывать активную помощь производителям аппаратного обеспечения.

Создание качественно новых вычислительных систем с более высокой производительностью и некоторыми характеристиками искусственного интеллекта, например с возможностью самообучения,- очень актуальная тема. Последние десять лет такие разработки ведутся во многих направлениях - наиболее успешными и быстро развивающимися из них являются квантовые компьютеры, нейрокомпьютеры и оптические компьютеры, поскольку современная элементная и технологическая база имеет все необходимое для их создания.

Носителем информации в оптических компьютерах будет световой поток. Весь набор полностью оптических логических устройств для синтеза более сложных блоков оптических компьютеров реализуется на основе пассивных нелинейных резонаторов интерферометров. Элементы памяти оптического компьютера представляют собой полупроводниковые нелинейные оптические интерферометры, в основном, созданными из арсенида галлия (GaAs).

К настоящему времени уже созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических компьютеров C оптические процессоры, ячейки памяти, однако до полной сборки еще далеко.

Основной строительной единицей квантового компьютера является кубит (qubit, QuantumBit). Классический бит имеет лишь два состояния - 0 и 1, тогда как состояний кубита значительно больше. Для описания состояния квантовой системы было введено понятие волновой функции, ее значение представляется в виде вектора с большим числом значений. Для того чтобы практически реализовать квантовый компьютер, существуют несколько важных правил, которые в 1996 г. привел Дивиченцо. Без их выполнения не может быть построена ни одна квантовая система: точно известное число частиц системы, возможность приведения системы в точно известное начальное состояние, высокая степень изоляции от внешней среды, умение менять состояние системы согласно заданной последовательности элементарных преобразований. Выполнение этих требований вполне реально с помощью существующих квантовых технологий.

Нейрокомпьютеры - это совершенно новый тип вычислительной техники, иногда их называют биологическими компьютерами. Нейрокомпьютеры можно строить на базе «нейро» чипов, которые функционально ориентированы на конкретный алгоритм, на решение конкретной задачи. Возможна эмуляция нейрокомпьютеров (моделирование) - как программно на ПЭВМ и суперЭВМ, так и программно - аппаратно на цифровых больших интегральных схемах. Искусственная нейронная сеть построена на нейронных, подобных элементах - искусственных нейронах и связях. Один искусственный нейрон может использоваться в работе нескольких (приблизительно похожих) алгоритмов обработки информации в сети, и каждый алгоритм осуществляется при помощи некоторого количества искусственных нейронов.

Недавно американская фирма Nantero из Бостона, разработала технологию, позволяющую серийно производить чипы памяти на трубках до 10Гб данных. Память нового поколения, использующая массив фуллереновых трубок на поверхности чипа кремния (NRAM, NanoscaleRandomAccessMemory) будет хранить данные даже после отключения питания устройства. Резко может измениться структура компьютера. Загрузка компьютеров, оснащенных такой памятью, при включении будет происходить мгновенно. Да и быстродействие компьютеров значительно возрастет, так как не будет обращения к винчестеру. Винчестеры как таковые будут не нужны! Можно будет отказаться от системного блока!

Компьютер недалекого будущего состоит из следующих частей: жидкокристаллический дисплей 19 дюймов на котором сзади располагается системная плата с процессором и памятью. Сейчас Intel выпустила наборы системной логики 865 и 875, с двухканальным контроллером памяти. Наверное, будет 4-х и 8-ми канальная организация памяти. Емкость памяти компьютера 100-200 Гб. От южного моста можно оставить 6-канальный звук. От CD и DVD приводов можно будет отказаться так, как данные удобней будет переносить на компактной флэш-памяти.

Заключение

В курсовой работе, на тему «Архитектура построения современных ЭВМ», первым этапом мы представляли число «1» в различных системах счисления. Мы узнали, что C счислением называется совокупность приёмов наименования и обозначения чисел.

Существуют разные системы счисления. Прежде всего они различаются по количеству используемых знаков, то есть цифр. При выполнении курсовой работы мы использовали три системы счисления: двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную. Переведя число «1» в двоичную систему счисления мы производим над ним математические действия. Также мы представили число «1» в восьмеричной системе счисления и в шестнадцатеричной, произведя над ним математические действия.

Вторым этапом курсовой работы мы научились минимизации функции и составления «Карты Карно». программный компьютер информация

Также мы выполняли техническую реализацию заданной исходной функции.

Список использованной литературы

1. Брусенцов Н.П. Начала информатики. - М.: Фонд "Новое тысячелетие", 2001;

2. Евгенев Г.Б. Основы компьютеризации инженерных знаний. - М.: МГТУ, 2003;

3. Ефимова О., Морозов В., Угринович Н. Курс компьютерной технологии с основами информатики. М.: Издательство ACT; ABF, 2000;

4. Использование Internet. Пер. с англ. / Дж. Хоникатт, М.Р. Браун. М.: Издат. дом Вильямс, 1998;

5. Кузнецов А.В. Исследование и компьютерное моделирование параллельности и мышления человека для построения компьютеров новой генерации. Журнал Деньги 4, 2005;

...