Презентация разработана доц.каф.ИСТ Горшковым Е.А. ТЕМА 2. Понятие архитектуры и структуры персонального компьютера.

Литература Пятибратов А.П., Вычислительные системы, сети и телекоммуникации (4-е издание) – М.: Финансы и статистика, 2008 г. Информатика. Базовый курс; под ред. С.В. Симоновича; Питер; 2006 г. Информатика: Учебник. – 3-е перераб. изд. /Под ред. проф. Н.В. Макаровой. М.: Финансы и статистика, Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Учебник. Олифер В. Г., Олифер Н.А., 3-е изд. - СПб.: Питер,

Понятие архитектуры и структуры ПК. Цели: сформировать представление об организации вычислительного процесса в ЭВМ Задачи: изучить обобщенную структурную схему ЭВМ; изучить состав устройств, их назначение и взаимодействие; рассмотреть Фон-Неймановскую архитектуру ЭВМ; рассмотреть принципы создания элементов структур современных ЭВМ; рассмотреть функционирование ЭВМ с магистральной архитектурой. 3

Устройство ЭВМ ЭВМ представляет собой совокупность устройств, выполненных на больших интегральных схемах, каждая из которых имеет свое функциональное назначение. Комплект интегральных схем, из которых состоит ЭВМ, называется Микропроцессорным комплектом. В состав микропроцессорных комплектов входят: системный таймер, микропроцессор (МП), сопроцессоры, контроллер прерываний, контроллер прямого доступа к памяти, контроллеры устройств ввода-вывода и др.

Устройство ЭВМ Все устройства ЭВМ делятся на Центральные и Периферийные. Центральные устройства полностью электронные, периферийные устройства могут быть либо электронными, либо электромеханическими с электронным управлением. В центральных устройствах основным узлом, связывающим микропроцессорный комплект в единое целое, является Системная магистраль.

Устройство ЭВМ Системная магистраль состоит из трех узлов, называемых шинами: шина данных (ШД), шина адреса (ША), шина управления (ШУ). В состав системной магистрали входят регистры- защелки, в которых запоминается передаваемая информация, шинные формирователи, шинные арбитры, определяющие очередность доступа к системной магистрали, и др. Логика работы системной магистрали, количество разрядов (линий) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении различных устройств ЭВМ к системной магистрали, образуют Интерфейс системной шины.

Устройство ЭВМ В Состав центральных устройств ЭВМ входят: центральный процессор, основная память и ряд дополнительных узлов, выполняющих служебные функции: контроллер прерываний, таймер и контроллер прямого доступа к памяти (ПДП). Периферийные устройства делятся на два вида: Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, принтер, мышь, адаптер каналов связи (КС) и др.

Обобщенная структурная схема ЭВМ

Внешняя память (ВП) Устройства ввода-вывода (УВВ) Устройство управления (УУ) Арифметико- логическое устройство (АЛУ) Процессор Оперативная память (ОП) Программы Данные КЛАССИЧЕСКАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭВМ

Состав устройств, их назначение и взаимодействие

Фон-Неймановская архитектура ЭВМ Структурная схема ЭВМ по фон Нейману

Фон-Неймановская архитектура ЭВМ Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет их порядок, указывает источники данных и приемники результатов, работает под управлением программы. Условно считают, что процессор состоит из арифметико- логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), регистров общего назначения (РОН) и кэш-памяти. АЛУ выполняет арифметические и логические операции, в РОН хранятся промежуточные данные. Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора, УУ отвечает за порядок выполнения команд программы. Программа - это набор команд, составленный человеком и выполняемый ЭВМ. Системная шина служит для передачи информации между процессором и остальными устройствами. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения текущей информации

Фон-Неймановская архитектура ЭВМ В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения информации. К устройствам ввода информации относятся клавиатура, мышь, сканер, цифровая видеокамера, микрофон и другие. К устройствам вывода относятся монитор, принтер, плоттер, колонки и другие. Модем относится и к устройствам ввода, и к устройствам вывода информации.

Принципы создания элементов структур современных ЭВМ: Модульность это - построение компьютера на основе набора модулей. Модуль представляет собой конструктивно и функционально законченный электронный блок в стандартном исполнении. Магистральность - это способ связи между различными модулями компьютеров, т.е. вход-ные все и выходные устройства подсоединены одними и теми же проводами, называемыми шинами. модульность построения, магистральность, иерархия управления

Основные устройства ЭВМ: материнская плата Материнская плата – это сложная многослойная печатная плата, покрытая сетью медных проводников-дорожек, по ним электропитание и данные поступают к смонтированным на плате микросхемам и слотам, в которые вставляются остальные устройства компьютера (рис. 1). На материнской плате размещаются: Процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических вычислений (рис. 2). Микропроцессорный комплекс – чипсет (рис. 3) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств ПК и определяющий основные функциональные возможности материнской платы.

На материнской плате размещаются: шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера (рис. 4); оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен (рис. 5); ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен; Слоты разъемы для подключения дополнительных устройств.

Рис. 1 Материнская плата

Процессор Intel LGA2011 Рис 2. Процессор

Процессор Intel LGA2011

Core i7-990XCore i7-3960X Кодовое имяGulftownSandy Bridge-E Число ядер/потоков 6/12 Технология Hyper- Threading Есть Базовая тактовая частота, ГГц 3,463,3 Частота в турборежиме, ГГц До 3,73До 3,9 L3-кеш, Мбайт 1215 Технология производства, нм 32 TDP, Вт 130 Контроллер памяти 3-канальный, DDR34-канальный, DDR3 Процессорный разъёмLGA1366LGA2011 Поддержка SSESSE4.2 Поддержка AES-NIЕсть Поддержка AVXНет Есть

Процессор Intel LGA2011

ЧИПСЕТ Рис. 3 Чипсет

Компьютерная шина (от англ. computer bus, bidirectional universal switch двунаправленный универсальный коммутатор) в архитектуре компьютера подсистема, которая передает данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов для физического подключения устройств, карт и кабелей. Рис. 4 шины

Примеры внутренних компьютерных шин Последовательные 1-Wire HyperTransport I²C PCI или PCIe Serial Peripheral Interface Bus или шина SPI USB, Universal Serial Bus, чаще используется как внешняя FireWire, i.Link, IEEE 1394, чаще используется как внешняя

Примеры внешних компьютерных шин Advanced Technology Attachment или ATA (также известна, как PATA, IDE, EIDE, ATAPI) шина для подключения дисковой и ленточной периферии. SATA, Serial ATA современный вариант ATA USB, Universal Serial Bus, используется для множества внешних устройств HIPPI HIgh Performance Parallel Interface IEEE-488, GPIB (General-Purpose Instrumentation Bus), HPIB, (Hewlett-Packard Instrumentation Bus) PC card, ранее известная как PCMCIA, часто используется в ноутбуках и других портативных компьютерах, но теряет своё значение с появлением USB и встраиванием сетевых карт и модемов SCSI, Small Computer System Interface, шина для подключения дисковых и ленточных накопителей Serial Attached SCSI, SAS современный вариант SCSI Проприетарные Floppy drive connector

Модуль памяти DIMM DDR4 16Gb Corsair CMK32GX4M2A2666C16R Рис. 5. ОЗУ Модуль памяти SO-DIMM DDR4 8Gb Corsair CMSO16GX4M2A2133C15

Характеристики ОЗУ Corsair CMK32GX4M2A2666C16R Форм-фактор - DIMM Тип памяти - DDR4 Количество контактов pin Объем Мб Показатель скорости- PC Скорость (тест) МГц Латентность - CL16 Буферизация - unbuffered Напряжение (тест) - 1.2В Corsair CMSO16GX4M2A2133C15 Форм-фактор - SO-DIMM Тип памяти - DDR4 Количество контактов -260-pin Объем Мб Показатель скорости -PC Скорость (тест) МГц Латентность - CL15 Буферизация -unbuffered Напряжение (тест) -1.2В

Типовая структура материнской платы Материнская плата (МП) – центральный блок ПК, предназначенный для управления всеми блоками машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией, выполненный в виде одной или нескольких БИС (большой интегральной схемы) или СБИС (сверхбольшой БИС). Конструктивно МП состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки МП называются регистрами. МП работает циклически. В начале очередного цикла МП считывает из оперативной памяти команду, расшифровывает ее и реализует указанные в ней действия, после этого цикл повторяется. МП работает только с целыми числами, если необходимо выполнить вычисления с более высокой точностью в работу включается встроенный в МП узел математического сопроцессора.

Структура типовой материнской платы

Сопроцессор Сопроцессор специализированный процессор, расширяющий возможности центрального процессора компьютерной системы, но оформленный как отдельный функциональный модуль (Рис. 6). Математический сопроцессор позволяет работать с очень большими и очень маленькими числами. Они представлены в вещественной форме, то есть имеют мантиссу, знак и порядок

Процессор и сопроцессор Рис. 6. Центральный процессор и математический сопроцессор 80387

Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой 1 шаг: Адрес очередной команды->ША Выборка из ОП->ШУ 2 шаг: ОП получает сигнал «выборка из ОП», считывает адрес с ША, находит заданную ячейку и совершает следующие действия: Содержимое ячейки->ШД Сигнал «выполнено ОП» ->ШУ 3 шаг: Процессор получает сигнал «выполнено ОП» и тело команды (с ШД) и направляет тело через внутреннюю магистраль в регистр команд ШД->регистр команд

Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой 4 шаг: В регистре команд анализируются адресная и операционная часть Операционная часть->в блок управления (для выработки сигналов, настраивающих МП на выполнение заданной операции, и для определения адреса следующей команды (который сразу заносится в счетчик команд)) Адресная часть- >ША «выборка из ОП» ->ШУ 5 шаг: Из ОП выбирается информация, через ШД информация поступает на внутреннюю магистраль процессора и далее в АЛУ. Аналогично если необходимо выбирается второй операнд.

Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой 6 шаг: Выполнение операции 7 шаг: Результат выполнения операции->ШД «запись в ОП» ->ШУ 8 шаг: Процессор получает по ШУ сигнал «выполнено ОП» и переходит к выборке очередной команды, то есть переходит к пункту

Основные параметры процессора Рабочее напряжение – обеспечивается соответствующей марке процессора материнской платой. Составляет меньше 2 Вольт Разрядность – показывает сколько бит данных процессор может принять и обработать за 1 такт. Рабочая тактовая частота Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты Размер кэш памяти

Разрядность процессора Разрядность – показывает сколько бит данных процессор может принять и обработать за 1 такт. Начиная с процессоров 386 они имеют 32 х разрядную архитектуру, современные процессоры остаются 32 х разрядными, хотя работаю и с 64 разрядной шиной данных. Разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью шины команд. В МП исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В ПК тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессоры комплекс чипсет. Чем выше частота тактовых импульсов, поступающих на процессор, тем больше команд он может выполнить в единицу времени. Тем выше его производительность. Больше 3 х гигагерц.

Разрядность процессора Тактовые сигналы МП получает от материнской платы. По физическим причинам материнская плата не может работать с высокими частотами. Средняя частота 100 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты. Коэффициент внутреннего умножения больше 20 раз.

BIOS Главная функция BIOS материнской платы инициализация устройств, подключённых к материнской плате, сразу после включения питания компьютера. BIOS проверяет работоспособность устройств (т. н. самотестирование, англ. POST Power-On Self Test), задаёт низкоуровневые параметры их работы (например, частоту шины центрального микропроцессора), и после этого ищет загрузчик операционной системы (англ. Boot Loader) на доступных носителях информации и передаёт управление операционной системе. Операционная система по ходу работы может изменять большинство настроек, изначально заданных в BIOS. Многие старые персональные компьютеры, которые не имели полноценной операционной системы, либо её загрузка не была необходимой пользователю, вызывали встроенный интерпретатор языка Бейсик. В некоторых реализациях BIOS позволяет производить загрузку операционной системы через интерфейсы, изначально для этого не предназначенные, в том числе USB и IEEE Также возможна загрузка по сети (применяется, например, в т. н. «тонких клиентах»).

Базовая система ввода-вывода (Basic Input-Output System)

Спасибо за внимание 41