Склад і принципи побудови ЕОМ

ЕОМ - це комплекс програмних засобів, призначених для автоматичноїобробки інформації.

Структура, архітектура ЕОМ, систем та мереж.
Лекції: к.т.н., доц. Шарне Олександр Іванович.
Практика: Івакін Костянтин Миколайович.

ВСТУП

Росія стоїть на шляху історичної необхідності переходу на новийрівень суспільного та економічного розвитку, що визначаються жорстокимивимог ринкової економіки. Йдеться про шлях формуванняінформаційного суспільства. Матеріальна база інформаційного суспільстває інформаційна економіка. Основи інформаційної економікискладає створення та споживання інформаційних ресурсів абоінформаційних цінностей.

Основні особливості інформаційної економіки:
1). Головною формою нагромадження є накопичення знань та іншої корисноїінформації.
2). Ця зміна характеру виробництва процесів в основних областях.
3). Економічно виправданим є дрібносерійне та індивідуальневиробництво.
4). Різке зростання швидкості економічних процесів.
5). Посилення інтеграційних процесів.

Розвинені країни світу стали на шлях інформаційної економіки в 70роках.

Такий шлях мали наступні моменти:
1). Перевищення сумарних витрат, чисто інформаційної бази над іншимигалузями.
2). Зростання частки не речових витрат.
3). Формування глобальних комунікацій мережі суспільства.
4). Збільшення у виробництві до 50% населення зайняті інформаційноїобробкою.

ПРИНЦИПИ побудови та Архітектура ЕОМ.

ЕОМ, комп'ютер - це комплекс технічних засобів, призначених дляавтоматичної обробки інформації в процесі вирішення обчислювальних таінформаційних завдань.

Вимоги користувачів до виконання обчислювальних робітвизначається підбором і налаштуванням технічних і програмних засобівоб'єднаних в одну структуру.

Структура ЕОМ - це сукупність її елементів і їх зв'язків. Розрізняютьструктури технічних, програмних та апаратурно-програмних засобів.

Архітектура ЕОМ - це багаторівнева ієрархія апаратурно-програмнихкоштів, з яких складається ЕОМ. Кожен з рівнів допускаєбагатоваріантне побудова і застосування.

деталізацією архітектурного і структурної побудови ЕОМ займаютьсярізні категорії фахівців обчислювальної техніки:
1. Інженери (схема техніки) - проектують окремі технічні пристрої і розробляють методи сполучення один з одним.
2. Системні програмісти - створюють програми управління технічними засобами, інформаційного розподілу між рівнями, організацію обчислювального процесу.
3. Прикладні програмісти - розробляють пакети програм більш високого рівня, які забезпечують взаємодію користувача з ЕОМ і необхідний для цього сервіс.
4. Фахівці з експлуатації ЕОМ - займаються загальними питаннями взаємодії користувача з ЕОМ.

Зміст знань і вмінь фахівців з ПЗ і його експлуатаціїстановлять:
1) Технічні та експлуатаційні характеристики.
2) Продуктивність ЕОМ - обсяг робіт здійснюють ЕОМ в одиницючасу.
3) Ємність запам'ятовуючих пристроїв: ОЗУ і ДЗУ.
4) Надійність - це здатність ЕОМ за певних умов виконуватинеобхідні функції протягом заданого періоду часу.
5) Точність - це можливість розрізняти майже рівні значення.
6) Достовірність - це властивість інформації бути правильно сприйнятої.

Класифікація ЕОМ

Величина і різноманітність сучасного парку ЕОМ зажадали системикваліфікації ЕОМ. Запропоновано багато принципів класифікації:

1. Класифікація ЕОМ за формою подання величин обчислювальної машини ділять на:

- аналогові (безперервної дії) АВМ

- цифрові (дискретної дії) ЦВМ

- аналого-цифрові (гібридні) ГВМ

У АВМ оброблювана інформація може надаватися відповідними значеннями аналогових обчислень: струм, напруга кут повороту.

У ЦОМ (ЕОМ) інформація кодується двійковим кодом. Широке застосування отримали ЦВМ з електричним поданням дискретної інформації - електронні ЦВМ.

2. Класифікація ЕОМ за домом (за елементарною базі):

- Перше покоління (50г.): ЕОМ на електронних вакуумних лампах.

- Друге покоління (60г.): ЕОМ на дискретних напівпровідникових приладах (транзисторах).

- Третє покоління (70г.): ЕОМ на напівпровідникових інтегральних схемах з малим ступенем інтеграції.

- Четверте покоління (80г.): ЕОМ на великих інтегральних схемах .

- П'яте покоління (90): ЕОМ на надвеликих інтегральних схемах.

- Шосте і наступні покоління: оптоелектронні ЕОМ з масовим паралелізмом і нейронної структурою - з розподіленою ступенем великого числа нескладних мікропроцесорів , моделюючих архітектуру нейронних біологічних систем.

Інтегральна схема - електронна схема спеціального призначення, виконана у вигляді єдиного напівпровідникового кристалу, що об'єднує велику кількість діодів і транзисторів.

3. Класифікація ЕОМ за потужністю (швидкодії):

1). Супер-ЕОМ - машини для крупно-маштабні завдань (фірма IBM).

2). Великі ЕОМ - машини для територіальних, регіональних завдань.

3). Середні ЕОМ - машини дуже широкого розповсюдження.

4). Малі ЕОМ.

5). ПЕОМ (персональні ЕОМ).

6). Мікро ЕОМ і мікропроцесори.

7). Мережі ЕОМ.

Загальні принципи побудови сучасних ЕОМ.

Основним принципом побудови ЕОМ є програмне управління, воснові якого лежить уявлення алгоритму розв'язання будь-якої задачі у виглядіпрограми обчислень.

Алгоритм - це кінцевий набір правил, що визначає рішеннязавдання за допомогою кінцевого кількості операцій (ISO 2382/1-84міжнародний стандарт).

Програма - це впорядкована послідовність команд підлягаютьобробки.

Принцип програмного управління може бути здійснено різнимиспособами. Стандартом для побудови практично всіх ЕОМ був представлений в
1945 Нейманом. Схема ЕОМ, що відповідає програмному принципом управліннявідображає характер дії людини за алгоритмом.

програми потоки та вихідніінформації дані

Узагальнена структура ЕОМ Джен Фон Неймана першого і другого поколінь

УПД - пристрій підготовки даних.
УВС - пристрій вводу.
АЛП - арифметико-логічний пристрій.
УУ - пристрій управління.
ОЗП - оперативний запам'ятовуючий пристрій.
ДЗУ - тривало запам'ятовуючий пристрій
ВЗП - зовнішній запам'ятовуючий пристрій.
УВ - пристрій виводу.
ЗУ + АЛУ + УУ - процесор.

Будь-яка ЕОМ має пристрій введення інформації, за допомогою якого в ЕОМвводять програми вирішення завдань і дані до них.

ОЗУ - призначено для оперативного запам'ятовування програми зберігаєтьсяу виконанні.

ВЗП - призначено для довготривалого зберігання інформації.

Кеш-пам'ять - проміжна пам'ять між ОЗУ і ВЗП.

УУ - призначено для автоматичного виконання програм шляхомпримусової координації всіх інших пристроїв ЕОМ.

АЛП - виконує арифметичні і логічні операції над даними.
Основою АЛП є операційний автомат, до складу якого входять:суматори, лічильники, логічні операції.

Класична структура ЕОМ з переходом на ВІС (великі інтегральнісхеми) перейшла в поняття архітектура ЕОМ.

Пристрої сполучення

Узагальнена архітектура третього і четвертого поколінь

У ЕОМ третього покоління ускладнення структури відбулося за рахунокрозділення процесів введення/виводу інформації, і її обробки. З'являєтьсяпоняття процесор, де нерозривно пов'язані СОЗУ (понад оперативнепристрій), АЛП та УО. З'являється поняття канали введення/виводу, якіділять на Multiplex (МК) і селекторні (СК) канали.

МК - призначені обслуговувати велику кількість повільно-швидкіснихпристроїв.

СК - обслуговують високошвидкісні, окремі пристрої.

Стосовно до ПЕОМ архітектура прийняла спрощений вигляд архітектурималих машин (принцип відкритої архітектури, де головним елементом єсистемна магістраль). Ядро ПЕОМ утворює процесор і основна пам'ять.
Підключення всіх інших пристроїв здійснюється через адаптери
(пристрою сполучення).

Узагальнена архітектура ПЕОМ

Структурна схема ПК

ФУНКЦІОНАЛЬНА І СТРУКТУРНА ОРГАНІЗАЦІЯ ЕОМ.

Загальні принципи функціональної і структурної організації ЕОМ

ЕОМ крім апаратурною частини, ПЗ (Hard Ware і Soft Ware) маєвелика кількість функціональних засобів. До них відносяться коди, за допомогоюяких обробляється інформація представляється в цифровому вигляді:
1). Арифметичні коди.
2). Перешкодозахищеність коди.
3). Цифрові коди аналогових величин.

Крім кодів на функціонування ЕОМ впливають:

- алгоритми їх формування і обробки

- технології виконання різних процедур

- способи організації роботи різних пристроїв

- організація системи переривання.

Функціональну організацію ЕОМ утворюють: коди, системи команд, алгоритмивиконання машинних операцій, технологія виконання різних процедур івзаємодія Hard та Soft, способи використання пристроїв при організаціїїх спільної роботи, що становлять ідеологію функціонування ЕОМ.

Ідеологію функціонування ЕОМ можна реалізувати різними способами:
1). Апаратурними
2). Програмно-апаратурними
3). Програмними засобами.

Таким чином, реалізація функцій ЕОМ доповнює її структурнуорганізацію. Зіставлення структур ЕОМ доповнених функціональноїструктурою призводить до поняття сумісних і не сумісних ЕОМ.

Організація функціонування ЕОМ з могестральной структурою

ЕОМ - це сукупність пристроїв виконаних на великих інтегральнихсхемах мають функціонувало призначення.

Комплект інтегральних схем називають мікропроцесорним комплектом.

До складу мікропроцесорного комплекту входять:

- системний таймер

-- мікропроцесор

- співпроцесори (організація математичних процесів)

- контролер переривань

- контролер прямого доступу до пам'яті

- контролери пристроїв введення/виводу.

Всі пристрої ЕОМ поділяються на:
1). Центральні (повністю електронні ВІС).
2). Периферійні (частково-електронні, частково-електромеханічні зелектронним управлінням).

У центральних пристроях основним пристроєм є системнашина (системна магістраль).

Системна магістраль складається з трьох вузлів:
1). Шина даних (ШД)
2). Шина адреси (ША)
3). Шина управління (ШУ).

До складу системної магістралі входять також: регістри засувки, шинніарбітри.

Інтерфейс системної шини - це логіка роботи системної магістралі,кількість ліній (розрядів) в шинах даних, адреси і управління, порядоквирішення конфліктних ситуацій.

До складу центральних пристроїв ЕОМ входять:

- центральний процесор

- основна пам'ять

- ряд додаткових вузлів виконують службові функції

- контролер переривань

- контролер прямого доступу до пам'яті

- таймер.

Периферійні пристрої поділяються на:

- зовнішній запам'ятовуючий пристрій (НЖМД - носій жорсткий магнітний диск, НГМД - носій гнучкий магнітний диск)

- УВВ

- ???

- ?????

- ???

Організація роботи ЕОМ при виконанні завдання користувача

Один із «прозорих» процесів машини - це організація введення,перетворення і відображення результатів роботи системного програмногозабезпечення. Програма завдання, написана програмістом на алгоритмічніймовою називається вихідним модулем.

Переклад вихідної програми на машинний мова здійснює програмаtranslator. Він ділиться на: компілятор та інтерпретатор.

Інтерпретатор - після перекладу на мову машини кожного операторавихідного модуля негайно його виконує.

Компілятор - спочатку повністю перекладає всю програму вихідногомодуля на машинний мова, потім його виконує.

Об'єктний модуль - машинний мова.

Отриманий об'єктний модуль записується в бібліотеку об'єктнихмодулів або відразу виконується.

Для виконання налагодженого об'єктного модуля до нього можуть бутидодані відсутні програми з бібліотеки компіляторів. Такий зв'язоквиконує програма редактор зв'язку. У результаті утворюється завантажувальниймодуль.

Виконання завантажувального модуля здійснюється програмою --завантажувача.

Операційна система (ОС) - виконує функцію управління.

СТРУКТУРА Адресний простір ПРОГРАМИ НА основна пам'ять

Для виконання програми при її завантаження в оперативну пам'ять ( ОП) їйвиділяється частина машинних ресурсів. Виділення ресурсів може бутиздійснено самим програмістом, але може проводитися і ОС. Виділенняресурсів перед виконанням програми називається статичним переміщенням, врезультаті, якого програма прив'язується до певного місця пам'яті.

Якщо ресурси машини виділяються в процесі виконання програми, тоце називається динамічним переміщенням, тут програма не прив'язана допевного місця.

При статичному переміщенні можливі два випадки:
1). Реальна пам'ять більше від необхідного адресного простору програми. Уцьому випадку завантаження програми в реальну пам'ять проводиться, починаючи знульового адреси. Ця завантажується програма називається абсолютноюпрограмою.
2). Реальна пам'ять менше необхідного адресного простору. У цьому випадкувиникає проблема організації виконання програм.

Існує кілька методів вирішення цієї проблеми:

- метод оверлейной структури, в якому програма розбивається на частини викликаються ОП в міру необхідності.

- Метод рентабельних модулів, в якому програма розбивається на тимчасові модулі доступними до виконання за кількома зверненнями.

У мультипрограмному режимі є програми. А, В, С. При роботі в мультипрограмному режимі може скластися в ситуації, коли між програмами залишаються проміжки вільної пам'яті. Для того щоб цього не було, застосовують програму дефрагментації диска.

Віртуальна пам'ять

Реальну пам'ять можна «збільшити» імітуючи роботу з максимальноюпам'яттю. Програміст припускає, що йому надана «реальна» пам'ятьмаксимально доступна для ЕОМ. Такий режим називають режим віртуальноїпам'яті.

Віртуальної пам'яттю називається теоретично доступна ОП обсяг,якої визначається тільки адресною частиною команди.

Віртуальна пам'ять має сігментоно-сторінкову організацію іреалізована в ієрархічній системі ЕОМ. Частина її розміщується в блокахосновної пам'яті, а частина в осередках зовнішньої пам'яті. Записується області узовнішньої сторінці пам'яті називається осередком або слотом. Всі програмністорінки фізично розташовуються в осередках зовнішньої сторінкової пам'яті.

Завантажити програму у віртуальну пам'ять - це, значить, перезаписатикілька сторінок із зовнішньої сторінкової пам'яті в основну.

Система переривань ЕОМ

ЕОМ - це комплекс автономних пристроїв кожне, з яких виконуєсвої функції під керуванням місцевого пристрої управління незалежного відінших пристроїв.

Включає в роботу центральний процесор (ЦП), передаючи пристроюкоманди і необхідні параметри. Таким чином, ЦП переключає свою
«Увага» по черзі з пристрою на пристрій. Для того щоб ЦПпрацював, створено систему переривань.

Принцип дії системи переривань полягає в тому, що привиконання програми після кожного робочого такту мікропроцесоразмінюється зміст регістра.

Переривання ділять на три типи:

- апаратурні

- логічні

- програмні

ЦЕНТРАЛЬНІ ПРИСТРОЇ ЕОМ

Основна пам'ять і складу пристрою

запам'ятовуючими пристроями (ЗУ) називаються комплекс програмнихзасобів, що реалізують функції пам'яті.

ЗУ ділять на:
1). Основну пам'ять (ОП)
2). Понад оперативна пам'ять (СОЗУ)
3). Зовнішня пам'ять (ВЗП)

ОП включає в себе два типи пристроїв:

- ОЗУ (RAM - random aces memory)

- ПЗУ (ROM - read only memory)

ОЗУ - призначено для зберігання змінної інформації.

ПЗУ - містить інформацію, яка не повинна змінюватися в ході виконання процесором обчислень.

Функціональні можливості ОЗУ ширше ПЗУ, а ПЗУ - незалежною імає більшу швидкодію.

У сучасних ЕОМ мікросхеми пам'яті виготовляють з кремнію занапівпровідникової технології, з високою інтеграцією елементів на кристалі.

Основною складовою частиною мікропроцесора є масив елементівпам'яті об'єднаних в матрицю накопичувача. Кожен елемент пам'яті можезберігати 1 біт пам'яті. Кожен біт має свою адресу в ЗУ, позволяющийзвертатися за адресою до будь-якого елементу пам'яті - називається ЗУ здовільним доступом.

2 байти - півслова

4 байти - слово

8 байт - подвійне слово

змінної довжини

При матричній орієнтації пам'яті реалізується координатний принципадресації елементів пам'яті, коли адреса ділиться на X і Y. На перетиніцих елементів знаходяться елементи пам'яті, які повинні бути прочитані.

Мікросхеми пам'яті можуть будуватися на SRAM (статичних) і DRAM
(динамічних).

Як статичного елемента пам'яті (ЕП) зазвичай виступаєстатичний тригер, а в якості динамічного ЕП використовуєтьсяелектричний конденсатор всередині крем'яного кристала.

ОЗУ характеризується обсягом і швидкодією. ОЗУ в сучасних ЕОМмає модульну структуру. Змінні модулі мають різне конструктивнебудову: SIM, ZIM, SIMM, DIMM. Збільшення обсягу ОЗУ пов'язане з установкоюдодаткових модулів, які випускаються в 30-контактному (30 pin) або 72 --конктактном (72 pin) на 1,4,8,16,32,64 Мбайта. Час доступу до DRAMскладає 60-70 н.сек.

На продуктивність ЕОМ впливає тактова частота і розрядність шиниданих системної магістралі (СМ). Якщо тактова частота не достатньовисока, то ОЗУ простоює в очікуванні обігу і навпаки.

Харак4терістікой продуктивності ОЗУ є пропускназдатність, яка вимірюється у Мбайт/сек.

Мікросхеми ПЗУ побудовані за принципом матричної структури, але функціїелементів пам'яті виконують перемички у вигляді напівпровідникових діодів.
Процес занесення інформації в мікросхеми ПЗУ називають програмуванням, апристрій - программатор.

СОЗУ користуються для зберігання невеликих обсягів інформації, врезультаті швидкість зчитування зменшується в 10-20 разів. СОЗУ будують нарегістрах, вони бувають адресні та без адресні. Регісторние структуриділяться на пам'ять магазинного типу і пам'ять з вибіркою за змістом.

Структурна схема ОЗУ

ЦЕНТРАЛЬНИЙ ПРОЦЕСОР ЕОМ

Структура базового мікропроцесора

Мікропроцесор (МП) становить основу центрального процесора ПЗМ.
Це обробляється пристрій служить для арифметичних і логічнихперетворень даних, для організації звернення до основної пам'яті, зовнішнімпристроїв і для управління ходу обчислювальних процесів.

Існує велика кількість МП розрізняються: назвою, функціональнимиможливостями, структурою, виконанням. Основна відмінність - кількістьрозрядів оброблюваної інформації.

До групи 8-бітових процесорів відносяться:

- I 8080 (INTEL) - Integrated Electonus

- I 8085 - фірма Zelog (z)

Найбільше поширення отримали:

- I 80386

- I 80486

Кожна наступна модифікація має більш розширену систему команд іархітектурне будову (Наприклад, в I 80486 з'явився вбудованийспівпроцесор). Усі удосконалення ставлять з метою зробити ПЕОМбагатофункціональними.

Характеристика мікропроцесора

Кожен МП має своє найменування, тактову частоту, ICOMP --показує стандарт, розрядність шини даних, адресується пам'ять, тобторозрядність шини адреси, наявність співпроцесора, споживана енергія,різні елементи.

Персональним ЕОМ фірми INTEL аналогів МП (clone) є фірми:
1). Cyrix
2). AMD

Умовно МП можна розділити на дві частини:
1). EU - виконавчий блок
2). BIU - пристрій сполучення СМ

У виконавчому блоці знаходяться арифметичний блок і регістр загальногопризначення.

У другому становить адресні регістри.

Сімейство МП фірми INTEL має базову систему команд, до якоївходить:

1. Команди пересилання даних.

2. Арифметичні дані.

3. Логічні команди.

4. Команди обробки рядкових даних.

5. Команди передачі управління.

6. Команди керування.

Роботою МП управляє програма, записана в ОП ЕОМ. Особливе місцезаймає організація переривань. Програма оболонки переривань можутьзнаходитися в різних частинах ОП, і має різне управління для різних DOS.

управління зовнішніми пристроями

Принципи управління

Передача інформації з периферійного пристрою в ЕОМ називаєтьсяоперація введення, а передача з ЕОМ - операція виводу.

При розробці системи введення/виводу вирішують проблеми:
1). Забезпечити можливість реалізації машин зі змінним складомобладнання.
2). Необхідно реалізувати одночасну роботу процесора над програмою івиконання процедур введення/виводу.
3). Спростити для користувача роботу з пристроями введення/виводу.

Перший крок у вирішенні цих проблем був зроблений при розробки ЕОМдругого покоління, коли вперше була забезпеченість автономної роботизовнішніх пристроїв (інтерфейс).

Інтерфейс - пристрій з'єднання центральних та периферійнихпристроїв (устр. сполучення).

Стандартизація інтерфейсу призвела до можливості гнучко змінюватиструктуру ЕОМ. Потім з'явилася концепція віртуальних пристроїв дозволяєпоєднувати різних типів ЕОМ ОС. Подальший розвиток інтерфейсіввимагало створення нових пристроїв (сканер) і як наслідок виникланеобхідність розпізнавання, ідентифікації, перетворення з графічноговиду в символьний. Аналіз знімків з космосу зажадав автоматичноїсистеми спостережуваних об'єктів. Все це призвело до того, що у зовнішнюпристрій вбудовували пам'ять. У машинах 5-покоління закладеноінтелектуалізація та спілкування.

Все це лягло в основу вдосконалення систем сполучення. Длястворення такого інтерфейсу потрібно:
1). Спеціальні керуючі сигнали і їх послідовність.
2). Пристрій сполучення
3). Лінії зв'язку.
4). Програма, що реалізує обмін.

Інтерфейсом називається комплекс ліній та шин, сигналів, електричнихсхем, алгоритмів і програм, призначених для здійснення обмінуінформації.

Залежно від типів сполучних пристроїв розрізняють:

1. Внутрішній інтерфейс

2. Інтерфейс введення/виводу

3. Інтерфейси міжмашинного обміну

4. Інтерфейс людина-машина.

Для кожного інтерфейсу характерна наявність спеціального комплексу.

Внутрішній інтерфейс робиться паралельних або послідовно -паралельним.

При використанні програмно-технічних засобів інтерфейсивведення/виводу поділяються на:

- фізичні

- логічні.

Залежно від ступеня участі ЦП в управлінні, розрізняють:
1). Режим сканування (асинхронний)
2). Синхронний режим
3). Прямий доступ до пам'яті.

Режим сканування передбачає опитування ЦП периферійного пристрою.
Режим сканування простий, але має недоліки:

- процесор постійно зайнятий і не може виконувати іншу роботу

- за великої швидкодії периферійних пристроїв, процесор не встигає обробити інформацію. У синхронному режимі ЦП запитує периферійні пристрої, але не чекаєвідповіді, а виконує іншу роботу.

-----------------------

УПД ЗУ

АЛУ

УУ

ДЗУ

ОЗУ

УВ

ВЗП

УВС

СК

МК

УУ

СОЗУ

АЛУ

процесор

ОЗУ

КВВ

УВВ

УВив

ВЗП

ВУ

ОП

СИСТЕМНА ШИНА

таймер

ККД

контролер

ОП

контролер

процесор

Мікропроцесор

Інтегральна схема

Пристрій керування

Мікропроцесорна пам'ять

Арифметико-логічний пристрій

СИСТЕМНА ШИНА

Основна пам'ять

ОЗУ

ДЗУ

Адаптер НЖМД

Адаптер НГМД

НЖМД

НГМД

Зовнішня пам'ять

Відео-адаптер

Адаптер принтера

Джерело живлення Дисплей

Принтер

Мережевий адаптер

Інтерфейс клавіатури

Генератор тактових імпульсів

Клавіатура

Канал зв'язку

Математичний процесор

пристрій

передавач

приймач

пристрій

інтерфейс

АЯВУ - алгоритмічні мови вищих порядків

АЯВУ

Периферійні пристрої

Фізичний рівень

Логічний рівень

Обмін через порти IN/OUT

Програма BIOS

Програма DOS

Драйвери введення/виводу Регістр X

Дешифратор

Регістр Y

Дешифратор

Блок елементів пам'яті

Регістр управління

Регістр даних

Регістр адреси

Шина даних СМ

Шина управління СМ

Шина адреси СМ

Автор Паша_Ш