что такое архитектура эвм в информатике
Понятие архитектуры и структуры ЭВМ
Архитектура ЭВМ –совокупность основных устройств, узлов и блоков ЭВМ, а также структура основных управляющих и информационных связей между ними, обеспечивающая выполнение заданных функций.
Архитектура в информатике– концепция взаимосвязи элементов сложной структуры, включает компоненты логической, физической и программной структур.
Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя.
Большинство современных ЭВМ функционируют на основе принципов, сформулированных в 1945 году американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом:
1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных символов (сигналов).
2. Принцип программного управления. Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
4. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых которая доступна процессору в произвольный момент времени.
Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков (рис 1.1.) устройства ввода/вывода информации; 2) памяти ЭВМ; 3) процессора, включающего устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ)
В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память. Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.
Память ЭВМ состоит из двух видов памяти: внутренняя (оперативная) и внешняя (долговременная) память. Оперативная память – это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. Внешняя память – это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски.
За прошедшие десятилетия процесс совершенствования ЭВМ шел в рамках приведенной структуры (Рис. 1.2).
ЦПУ– центральное процессорное устройство.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – для арифметических вычислений и принятия логических решений.
Запоминающее устройство (ЗУ) служит для хранения информации.
Устройство управления (УУ) – координация различных блоков ЭВМ.
АЛУ, ЗУ, УУ, устройства ввода/вывода нельзя отнести к категории только технического обеспечения, поскольку в них присутствует и программное. Такие составные части компьютера будем называть системами.
Рис. 1.2. Современная архитектура ЭВМ
Система— совокупность элементов, подчиняющихся единым функциональным требованиям.
Принцип открытой архитектуры— состоит в обеспечении возможности переносимости прикладных программ между различными платформами и обеспечения взаимодействия систем друг с другом. Эта возможность достигается за счет использования международных стандартов на все программные и аппаратные интерфейсы между компонентами систем. Это позволяет, во-первых, выполнять модернизацию ПК (upgrade), дополняя его новыми элементами и заменяя устаревшие блоки, во-вторых, дает возможность пользователю составлять самостоятельно структуру своего ПК в зависимости от конкретных целей и задач.
Структура компьютера– некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.
Урок по теме «Архитектура ЭВМ»
Развивающая: развитие гибкости мышления, умение выделить главную мысль из высказанного. Воспитание внимательности и аккуратности.
План урока ( лекция рассчитана на 4 урока)
На предыдущем уроке мы прошли историю развития ЭВМ. Вопрос: Что связывает картину «Джоконда» и ЭВМ?
Ответ: Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе колес с десятью зубцами принадлежит Леонардо да Винчи(1452— 1519).
По этим чертежам в наши дни фирма IBM в целях рекламы построила работоспособную машину.
В 1822 г. англичанин Чарльз Бэббидж построил счетное устройство, которое назвал разностной машиной. В эту машину вводилась информация на картах. Для выполнения ряда математических операций в машине применялись цифровые колеса с зубьями. Десять лет спустя Бэббидж спроектировал другое счетное устройство, гораздо более совершенное, которое назвал аналитической машиной.
Современные ЭВМ имеют одну и ту же внутреннюю организацию, которую принято назвать архитектурой ЭВМ. Любая ЭВМ – автоматическое устройство обработки информации, все они сконструированы на основе электронных схем обработки электрических сигналов. А принцип их работы основывается на законах физики, математики и логики.
Мы различаем внешнюю архитектуру и внутреннюю архитектуру. Во внешнюю архитектуру
входит то, что видят люди, которые используют машину для своих целей. Внутренняя архитектура
– это то, из чего состоит машина и на чем основывается накопление, обработка и передача информации внутри машины. В основе большинства современных и ранее разработанных ЭВМ лежит так называемый принцип фон Неймана, названный в честь Джона фон Неймана,
американского ученного (1903-1957), впервые изложивший принципиальные положения архитектуры ЭВМ во II-ой половине 40-х годов.
Главный принцип хранения информации в ЭВМ состоит в том, что любая информация кодируется в последовательность сигналов 2-х типов (намагниченный и ненамагниченный), которые соответствуют «0» и «1».
Главным хранилищем информации ЭВМ является память. Оперативная память
служит для хранения информации во время ее непосредственного использования или обработки. После выключения питания компьютера информация в оперативной памяти стирается. Долговременная память
служит для хранения информации на долгие сроки. После выключения питания компьютера информация в долговременной памяти не стирается. Для долговременного хранения информации используются магнитные носители (жесткие диски, гибкие диски, лазерные компакт-диски).
Объем памяти – важнейшая характеристика оперативной и долговременной памяти, она определяет максимальное количество информации, которая может храниться в оперативной или в носителях долговременной памяти. Объем памяти состоит из ячеек, которые нумеруются последовательными числами. Количество этих ячеек называется объемом памяти ЭВМ. В современных ЭВМ одна ячейка содержит 1 байт информации. Номер ячейки кодируется комбинацией из 16-ти единиц и нулей. Номер ячейки называется адресом.
Архитектура современных ПЭВМ основана на магистрально-модульном принципе. Этот принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.
Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Системная шина – набор электрических линий, связывающих воедино устройства ЭВМ и передающее сигналы между центральным процессором и периферийными устройствами. Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производиться между 3-мя шинами (многопроводным линиям связи), соединяющими все модули компьютера. Процессор выполняет арифметические и логические операции, взаимодействует с памятью, управляет и согласует работу периферийных устройств. Подключение отдельного модуля компьютера к магистрали на физическом уровне обеспечивают контроллеры, на программном уровне – драйверы. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно отреагировать на этот сигнал. За реакцию устройства процессор не отвечает, а отвечает только контроллер, поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы. Разрядность шины данных определяется разрядность процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.
Данные по шине данных могут передвигаться от процессора к любому устройству. К основным режимам работы процесса использования шины передачи данных можно отнести следующие: запись, чтение данных с устройств ввода, из ОЗУ, пересылка данных на устройства вывода.
Счетчик команд – место, где хранится адрес очередной выполняемой команды.
1. УУ – управляет работой всех устройств компьютера по заданной программе.
а) оно вызывает из памяти очередную команду программы и все участвующие в операции числа;
б) отправляет их в АЛУ, а полученный результат пересылает в память.
2. АЛУ-арифметико-логическое устройство предназначено для обработки данных. Оно выполняет над числами и командами необходимые арифметические и логические операции. Получив исходные данные и выполнив необходимые операции, АЛУ выдает промежуточный или конечный результат, компьютер затем отправляет в ЗУ.
3. Регистры – это внутренняя память процессора.. Каждая из регистров служит своего рода черновиком, используя который процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные результаты. У каждого регистра есть определенное назначение. В регистр – счетчик команд (СчК) помещается адрес той ячейки памяти ЭВМ, в кмпьютере хранится очередная исполняемая команда программы. В регистр команд (РК) помещается эта команда на время ее исполнения. Есть регистры, в которые помещают исходные данные и результаты выполнения команд. Полученный результат может быть переписан из регистра в ячейку ОЗУ.
Процессор состоит из устройства управления, которое управляет работой процессора с помощью электрических сигналов, арифметико-логического устройства, производящего операции над данными, и регистров для временного хранения этих данных и результаты операций над ними. Данные процессор считывает из ОЗУ. Туда же пересылает результат действия над этими данными. У компьютеров 4-го поколения функции центрального процессора выполняет микропроцессор. Выполнение микропроцессором команды предусматривает арифметические действия, логические операции, передача управления (условная или безусловная), перемещение из одного места памяти в другое, координация взаимодействия различных устройств ЭВМ. Процессоры характеризуются тактовой частотой (число машинных операции, орабатываемых процессором за секунду), разрядностью (число одновременно обрабатываемых битов).
Программные средства ЭВМ
Одна и та же последовательность «0» и «1», хранимая в ячейке памяти, может распознаваться как число и как команда. Это второй принцип работы ЭВМ, т.е. принцип хранения программы–
Программа последовательность указаний (инструкций) на понятном компьютеру языке, задающие те или иные способы ввода, преобразования, предоставления информации.
Интерпретатор – программа, позволяющая выполнять команды на языке программирования, которые не были переведены на машинный язык.
Компилятор – программа, переводящая тексты программ с языка программирования на машинный язык, понятный компьютеру.
Сканер (ввод графической информации с готового изображения)
Дигитайзер (графический планшет)
Цифровой на фотоаппарат (ввод графической информации с натуры в память или на гибкие магнитные диски).
Цифровая видеокамера (ввод видеоинформации непосредственно сразу в память компьютера).
Микрофон (ввод звуковой информации).
MIDI-клавиатура (ввод цифровой информации в память компьютера, потом компьютер дешифрует эту информацию в звуковую с помощью звуковой карты).
Специализированные устройства ввода – вводят информацию от физических, медицинских и других приборов для последующей обработки её в компьютере.
Монитор (вывод информации, которую можно представить наглядно)
Звуковые колонки (вывод информации, которую можно представить в форме звука)
Клавиатура (устройство управления для перемещения по тексту при его редактировании)
Мышь (устройство для быстрого перемещения курсора по экрану, для работы с графикой, текстом, звуком, т.е. с мультимедиа).
Трекбол (шарик, помещенный в корпус и выполняющий функции мыши)
Сенсорная панель – устройство управления, используемое вместо мыши, управление осуществляется при перемещении пальца по этой панели, щелчок клавиши мыши задается постукиванием по площадке
Джойстик (рукоятка с кнопками, перемещаемая по двум осям, устройство управления во многих играх)
Устройства хранения и передачи информации:
Стримеры (хранение больших объемов информации на магнитной ленте)
Сменные жесткие диски, диски Бернулли, магнитооптические диски (эти диски позволяют хранить информацию объемом до Тб)
Компактные лазерные диски CD-ROM (одноразовая запись данных объемом до 650 Мб)
Устройства коммуникации ( обмена информацией).
1. Сетевые карты (устройство связи, позволяющее соединить несколько компьютеров в локальную сеть в пределах офиса, класс, кабинета)
2. Модемы (устройство связи, позволяющее соединить компьютер с глобальной сетью, например, Internet, FIDO net, по телефонным, волоконно-оптическим и др. каналам связи)
Архитектура ЭВМ, операционные системы и сети
Вы будете перенаправлены на Автор24
Архитектура ЭВМ — это структура базовых компонентов электронной вычислительной машины.
Введение
Архитектурой могут также называться методики по реализации электронных вычислительных машин или их узлов, используемых в технологиях отдельных брендов. В таком плане, спроектированная компанией архитектура считается её интеллектуальной собственностью и применяется только данной компанией как инструментарий конкурентной борьбы на рынке. Вместе с тем, технологические особенности различных брендов часто классифицируются как общая концепция, соединяющая в себе главные моменты, характеризующие разные модификации ЭВМ.
Классическая архитектура электронных вычислительных машин
Главный набор законов, по которым можно реализовать электронную вычислительную машину согласно её целевой логической структуре, сформулировал в своё время выдающийся учёный и математик Фон Нейман. Выработанные им методы являются классической архитектурой электронной вычислительной машины. В соответствии с правилами Фон Неймана ЭВМ обязана иметь в своей архитектурной организации, следующие основные элементы:
Согласно этой архитектурной организации, работа отдельных узлов ЭВМ должна выполняться в строго определённой последовательности. Вначале в память ЭМВ записывается информация, содержащая выполняемое программное приложение. Программа может быть введена при помощи внешних устройств. Далее блок управления выбирает программную информацию из памяти ЭВМ и отправляет её на обработку. При выполнении обработки могут быть задействованы различные иные элементы, входящие в состав ЭВМ.
Готовые работы на аналогичную тему
Архитектура современных ЭВМ
Современные ЭВМ имеют структурную организацию, отличающуюся от классической, но всё-таки в целом являются её продолжением. Главным отличием современных ЭВМ является то, что у них арифметико-логическое устройство и устройство управления объединены в один блок, называемый блоком центрального процессора. Это соединение было обусловлено существенным повышением степени интеграции микросхем и их стремительным прогрессом, позволившим поместить в одном элементе большой набор исполняемых функций. Архитектура сегодняшних ЭВМ обладает ещё одним отличием, заключающимся в присутствии в их структуре различных контроллеров (микроконтроллеров). Их проявление сопряжено с коррекцией роли центрального процессора как главного устройства, которое осуществляет информационный обмен с внешними устройствами. Современные микросхемы имеют такие возможности, которые дают возможность убрать информационный ввод и вывод из обязанностей центрального процессора. Учёные спроектировали разные способы обмена информацией, а также наборы микросхем, которые вскоре стали именоваться контроллерами.
Операционные системы и сети
Операционные системы являются связующим звеном между устройствами электронных вычислительных машин и исполняемыми программными приложениями, а также пользователями. Операционная система выполняет роль программной надстройки над архитектурной организацией ЭВМ, которая способна предоставить пользователям удобный интерфейс, а так же взять на себя обязанности управления набором его подсистем в автоматическом режиме. Кроме того операционная система содержит готовые процедуры, позволяющие управлять внутренними и внешними ресурсными возможностями, то есть представляет собой некую автоматизированную систему управления функционированием ЭВМ, которая повышает удобство и эффективность применения ЭВМ.
Операционные системы, как правило, хранятся во внешних модулях памяти ЭВМ, на дисках. При запуске ЭВМ операционная система переписывается из памяти на жёстком диске в оперативную память, что именуется загрузкой операционной системы.
Сетевая операционная система состоит из набора управляющих и обслуживающих программных продуктов, которые призваны выполнить:
Сервисные подсистемы обеспечивают расширение возможностей операционных систем. Системы технического обслуживания применяются с целью облегчения осуществления тестов устройств ЭВМ и используются работниками, занимающимися обслуживанием ЭВМ.
Все программные продукты могут быть поделены на внутреннее и внешнее программное обеспечение. Внутреннее программное обеспечение хранится в постоянном запоминающем устройстве и обслуживает внутренние модули ЭВМ.
Архитектура ЭВМ (часть 1)
Данный материал подготовлен в мою преподскую бытность, как лекция для студентов по дисциплине «Компьютерная схематехника». Может кому он будет интересен
Традиционная архитектура ЭВМ,
Основные устройства, их характеристики и назначения. Архитектура типа «общая шина».
Форматы данных и команд. Особенности адресации памяти
Любой IBM PC совместимый компьютер построен по принципу описанному ещё Джорджем фон Нейманом в 1945м году, его основные составляющие – блок управления, арифметико-логическое устройство, память и устройство ввода-вывода. В компьютере реализован принцип хранимой программы, т.е. данные и программа хранятся в одной и той же памяти. ЦП выбирает и исполняет команды из памяти последовательно, адрес следующей команды задаётся счётчиком адреса, такой принцип называется последовательной передачей управления. Подобная архитектура является не единственно приемлемой, есть ещё потоковые компьютеры и разрабатываются новые типы вычислительных машин.
На рис. 1 приведена схема логической структуры микро¬процессорной системы. МикроЭВМ — это совокупность микропроцессора (МП), ОЗУ и ПЗУ вместе с устройствами ввода-вывода (УВВ), предназначенными для работы с оператором или с другой электронной системой. В МП систему входит также аппаратурный блок — информационный контроллер ИК, приводящий все связи и сигналы УВВ разных типов к стан¬дартному виду. ИК имеет стандартный интерфейс со стороны подключения к информационной магистрали, состоящей из ма¬гистралей адресов, данных и управления (МА, МД, МУ), и нестандартный интерфейс со стороны УВВ.
МикроЭВМ становится центральной частью электронной системы контроля и управления, когда она вводится в контур управления некоторого объекта (процесса) ОУ. Для сопряжения с микроЭВМ ОУ оснащается датчиками состояния (Д) и исполнительными механизмами (ИМ). Для согласования интерфейсов Д и ИМ подключаются через блоки сопряжения (БС).
Рассмотренная структура отражает магистрально-модульный принцип организации МПС. Отдельные блоки являются функци¬онально законченными модулями со своими встроенными схемами управления, выполненными в виде одного или нескольких кристаллов БИС, заключенных в корпуса с соответствующим числом выводов. Межмодульные связи и обмен информацией меж¬ду модулями осуществляются посредством магистралей — коллективных шин.
Структура ВМ классической фон Неймановской архитектуры
Структура Гарвардской архитектуры
В качестве недостатка архитектуры фон Неймана можно назвать возможность непреднамеренного нарушения работоспособности системы (программные ошибки) и преднамеренное уничтожение ее работы (вирусные атаки). В Гарвардской архитектуре принципиально различаются два вида памяти микропроцессора:
• Память программ (для хранения инструкций микропроцессора)
• Память данных (для временного хранения и обработки переменных)
В гарвардской архитектуре принципиально невозможно осуществить операцию записи в память программ, что исключает возможность случайного разрушения управляющей программы в случае ошибки программы при работе с данными или атаки третьих лиц. Кроме того, для работы с памятью программ и с памятью данных организуются отдельные шины обмена данными (системные шины), как это показано на рисунке 3.
Эти особенности определили области применения гарвардской архитектуры. Гарвардская архитектура применяется в микроконтролерах и в сигнальных процессорах, где требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры. В сигнальных процессорах Гарвардская архитектура дополняется применением трехшинного операционного блока микропроцессора. Трехшинная архитектура операционного блока позволяет совместить операции считывания двух операндов с записью результата выполнения команды в оперативную память микропроцессора. Это значительно увеличивает производительность сигнального микропроцессора без увеличения его тактовой частоты.
В Гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти программ и памяти данных не всегда выполняются одинаковыми. В памяти данных и команд могут различаться разрядность шины данных и распределение адресов памяти. Часто адресные пространства памяти программ и памяти данных выполняют различными. Это приводит к различию разрядности шины адреса для этих видов памяти. В микроконтроллерах память программ обычно реализуется в виде постоянного запоминающего устройства, а память данных — в виде ОЗУ. В сигнальных процессорах память программ вынуждены выполнять в виде ОЗУ. Это связано с более высоким быстродействием оперативного запоминающего устройства, однако при этом в процессе работы осуществляется защита от записи в эту область памяти.
Применение двух системных шин для обращения к памяти программ и памяти данных в гарвадской архитектуре имеет два недостатка — высокую стоимость и большое количество внешних выводов микропроцессора. При использованиии двух шин для передачи команд и данных, микропроцессор должен иметь почти вдвое больше выводов, так как шина адреса и шина данных составляют основную часть выводов микропроцессора. Для уменьшения количества выводов кристалла микропроцессора фирмы-производители микросхем объединили шины данных и шины адреса для внешней памяти данных и программ, оставив только различные сигналы управления (WR, RD, IRQ) а внутри микропроцессора сохранили классическую гарвардскую архитектуру. Такое решение получило название модифицированная гарвардская архитектура.
Модифицированная гарвардская структура применяется в современных микросхемах сигнальных процессоров. Ещё дальше по пути уменьшения стоимости кристалла за счет уменьшения площади, занимаемой системными шинами пошли производители однокристалльных ЭВМ — микроконтроллеров. В этих микросхемах применяется одна системная шина для передачи команд и данных (модифицированная гарвардская архитектура) и внутри кристалла.
В сигнальных процессорах для реализации таких алгоритмах как быстрое преобразование Фурье и цифровая фильтрация часто требуется еще большее количество внутренних шин. Обычно применяются две шины для чтения данных, одна шина для записи данных и одна шина для чтения инструкций. Подобная структура микропроцессора получила название расширенной гарвардской архитектуры. Этот подход практикуют производители сигнальных процессоров — фирмы Analog Devices (семейства сигнальных процессоров BlackFin и Tiger Shark), Texas Instrunents (семейства сигнальных процессоров C5000™ DSPs и C6000™ DSPs), Freescale (семейства сигнальных процессоров MSC8251 и DSP56K).