Функциональная и структурная организация компьютеров

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОРДОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Факультет компьютерных технологий

Кафедра управления в технических системах

 

 

 

РЕФЕРАТ 
 

Функциональная и структурная организация компьютеров 

        

 

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель работы

канд. тех. наук

__________ Г.С. Белый

˝___˝______________2012г.

Исполнитель

студент группы 13УТС

_____________Ф.Б. Сумкин

˝___˝______________2012г.

 

                                       

 

 

 

 

 

Мордор 2012

 

 

 

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………….……….......................3

1. Магистрально-модульный принцип построения компьютера………….…4

2. Функциональная и структурная организация компьютеров...…………….6

Список использованных источников……………….………….........................11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Компьютер (англ. Computer - «вычислитель») - устройство, способное выполнять заданную, чётко определённую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако сюда относятся и операции ввода-вывода. Описание последовательности операций называется программой. Электронная вычислительная машина, ЭВМ - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Электронная вычислительная машина подразумевает использование электронных компонентов в качестве её функциональных узлов, однако компьютер может быть устроен и на других принципах — он может быть механическим, биологическим, оптическим, квантовым и т. п., работая за счёт перемещения механических частей, движения электронов, фотонов или эффектов других физических явлений. Кроме того, по типу функционирования вычислительная машина может быть цифровой (ЦВМ) и аналоговой (АВМ).

Цель данной работы рассмотреть функциональную и структурную организацию ЭВМ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Магистрально-модульный принцип построения компьютера

 

В основу архитектуры современных компьютеров положены магистрально-модульный принцип и принципы Джона фон Неймана:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора  команд, которые выполняются процессором  автоматически друг за другом  в определённой последовательности);

2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся  в одной и той же памяти; над командами можно выполнять  такие же действия, как и над  данными);

3. Принцип адресности (основная  память структурно состоит из нумерованных ячеек).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 - Магистрально-модульный принцип построения компьютера.

 

Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, как показано на рисунке 1.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. За 25 лет, со времени создания первого персонального компьютера (1975 г), разрядность шины данных увеличилась с 8 до 64 бит.

Шина адреса. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса.

 

 

 

 

 

 Количество адресуемых ячеек  памяти можно рассчитать по  формуле:

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

В первых персональных компьютерах разрядность шины адреса составляла 16 бит, а количество адресуемых ячеек памяти - В современных персональных компьютерах разрядность шины адреса составляет 32 бита, а максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно N=232=4 294 967 296.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали.

Сигналы управления определяют, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Функциональная и структурная организация компьютеров

 

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, 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.

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

Рассмотрим принцип взаимодействия основных устройств.

Материнская (системная) плата - важнейший элемент ПК. На ней размещаются устройства, непосредственно осуществляющие процесс обработки информации (вычислений). Как правило, это микропроцессор, внутренняя память, системная шина, контроллер клавиатуры, генератор тактовой частоты, контроллер прерываний, таймер и др., как показано на рисунке 2. Схемы, управляющие другими внешними устройствами компьютера, как правило, находятся на отдельных платах, вставляемых в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     Рисунок 2 – Материнская плата  компьютера.

 

 

 

Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере - шине. Иногда эти контроллеры могут располагаться на системной плате. Наборы микросхем, на основе которых исполняются системные платы, называют чипсетами. Материнские платы различаются по типу процессоров, которые могут быть установлены на них, и названия фирм, их выпускающих.

 На материнских платах находятся  специальные перемычки - джамперы, позволяющие  подстроить ее под тип процессора  и других устройств, устанавливаемых  на ней.

Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных - шину. Виды слотов расширения различаются по типу шины.

Данные могут передаваться между внешними устройствами и процессором, оперативной памятью и процессором, внешними устройствами и оперативной памятью или между устройствами ввода-вывода. Шина характеризуется типом, разрядностью, частотой и количеством подключаемых внешних устройств. 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.

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

 Современный компьютер заполнен  разными интерфейсами, обеспечивающими всеобщее взаимодействие. На интерфейсы существуют стандарты.

Совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, образует то, что называют архитектурой компьютера.

Для добавления в ПК нового дополнительного устройства необходим контроллер - устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Кроме того, необходим драйвер этого устройства - программа, позволяющая программно связать это устройство с системой в целом.

Контроллер должен учитывать аппаратные особенности подключаемого устройства, а драйвер должен позволить операционной системе, используя стандартный набор командных запросов, управлять нестандартным устройством.

Драйвер выступает в роли "переводчика" с языка операционной системы на язык конкретного устройства, контроллер выступает в роли аппаратного "мостика" между системой в целом и дополнительным устройством.

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 - сети переменного тока. В современных компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируются в едином корпусе.

 

 

 

 

 

 

В системном блоке располагаются все основные устройства компьютера:

-  микропроцессор - мозг компьютера, который выполняет поступающие на его вход команды: проводит вычисления и управляет работой остальных устройств ПК;

- оперативная память, предназначенная для временного хранения программ и данных;

- контроллеры, предназначенные для независимого от процессора управления отдельными процессами в работе ПК;

- накопители на гибких магнитных дисках, используемые для чтения и записи на дискеты;

- накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на жесткий магнитный диск (винчестер);

- дисководы для компакт-дисков, обеспечивающие возможность чтения данных с компьютерных компакт-дисков и проигрывания аудиокомпакт-дисков, а также запись информации на компакт-диск;

- блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток, подаваемый на электронные схемы компьютера;

- счетчик времени, который функционирует независимо от того, включен компьютер или нет;

- 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, др.);

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

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

Микропроцессор (МП), пример которого показан на рисунке 3, или центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) - основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Микро- или центральный процессор.

 

 

Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Память (внутренняя - системная, включающая ОЗУ и ПЗУ и внешняя дисковая). ПЗУ (от англ. ROM, Read Only Memory - память только для чтения) служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации. ОЗУ (от англ. RAM, Random Access Memory - память с произвольным доступом) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.