Архитектура и аппаратное обеспечение ЭВМ Янош Лайош Нейман

Архитектура вычислительной машины структура и принципы работы ЭВМ 1. От первых PC до современных

Заказ АНБ Принстонскому и Гарвардскому Университетам: наилучшая архитектура ЭВМ. «Истина» «Под Божьей властью процветает»

ENIAC & UNIVAC_

Архитектура фон Неймана 1946 г. : Артур Бёркс, Герман Голдстайн, Джон фон Нейман «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства»

Джон фон Нейман ( ) венгро-американский математик Артур Бёркс (1915 – 2008) - американский математик Герман Голдстайн (1913 – 2004) математик, computer scientist (информатик) и научный администратор

Принципы фон Неймана: Принцип использования двоичной системы: для представления данных и команд используется двоичная система счисления. Принцип однородности памяти: программы (состоящие из команд) и данные хранятся в одной и той же памяти. Принцип адресуемости памяти: память состоит из пронумерованных ячеек; процессору доступна любая ячейка. Принцип программного управления: все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой, в последовательности, определяемой программой.

Архитектура ЭВМ (по фон Нейману) АЛУ – арифметико-логическое устройство (выполнение команд и вычисления) УУ – устройство управления процессор память УУАЛУ устройства ввода устройства вывода потоки информацииуправляющие сигналы

Открытая архитектура архитектура компьютера, периферийного устройства или же программного обеспечения, на которую опубликованы спецификации, что позволяет другим производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с такой архитектурой. Тип - Персональный компьютер (IBM PC) Выпущен 12/8/1981 Выпускался по 2 /4/ 1987 Процессор Intel 8088, 4,77 МГц Память 16– 640 КБ ОС IBM BASIC / PC-DOS 1.0

Аппаратное обеспечение (hardware) включает в себя все физические части (все «железо») компьютера.

Устройство персонального компьютера. Базовая конфигурация системный блок; монитор; клавиатура; мышь.

В системном блоке: материнская плата с установленными на ней процессором, памятью, слотами; внешняя память: жёсткие диски, накопители на оптических дисках, накопители USB-флеш и т.п.; блок питания; корпус: фронтальная (передняя), задняя и боковые панели. СИСТЕМНЫЙ БЛОК

Корпуса PC Desktop Fulldesktop SlimLine UltraSlimLine MiniTower MidiTower BigTower SuperBigTower

Форм-фактор форм-фактор (от англ. form factor) спецификация, стандарт, задающий габаритные размеры устройств (и другие параметры) и определяющий их форму: ATX, m ATX, ITX, mITX, FlexATX и т.д. Соблюдение стандартов обеспечивает совместимость оборудования разных производителей.

Моддинговые корпуса

Современные веяния: неттопы, моноблоки и баребоны…

Блок питания преобразует входное переменное сетевое напряжение (220 В) в выходное постоянное напряжение ±5 ±12 +3,3 В. Мощность блока питания обычно составляет Вт. Вентилятор участвует в охлаждении системного блока.

PowerMan Блок питания с пониженным уровнем шума совместим с Intel, AMD. Мощность блока: 450 Вт. Стандарт: ATX. Система охлаждения: Fan 80 мм. Габариты: 140х150х86 мм. Вес брутто: 1,5 кг.

CORSAIR AX1200i Блок питания с пониженным уровнем шума совместим с Intel, AMD. Мощность блока:1200 Вт. Стандарт: ATX Габариты: 86х150х200 мм. Вес брутто: 2,3г.

Кулеры

Корпус системного блока. Передняя и боковая панели 1.отверстие для притока воздуха на вентилятор (кулер); 2.отверстие для притока воздуха; 3.для оптических приводов; 4.USB разъёмы; 5.микрофон (розовый); 6.цифровая видеокамера (IEE1394); 7.наушники (зелёный); 8.индикаторы жёсткого диска и питания; 9.включение – выключение; 10.кнопка сброса RESET

Задняя панель системного блока 1.дополнительный вентилятор; 2.отверстие для разъёмов материнской платы; 3.вентилятор блока питания; 4.вентилятор притока воздуха в системный блок; 5.отсек для крепления плат расширения (видеокарта, звуковая карта, сетевая карта и т.д.).

Боковая панель 1, 5, 8) винты; 2) вентилятор; 3) отсек для блока питания; 4) видеокарты; 6) место для дополнительного охлаждения; 7) материнская плата; 9 -12) отсеки для оптических приводов и для жёстких дисков.

Материнская плата – печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера Форм-факторы: ATX, microATX, Flex-ATX. Наиболее известные производители : Asus, Gigabyte, MSI

На материнской плате: Центральный процессор (ЦПУ). Chipset набор микросхем. Оперативная память (ОЗУ). Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). разъёмы (слоты) для контроллеров. шины проводников для обмена сигналами.

Chipset Северный мост, или системный контроллер подключает ЦПУ к ОЗУ и графическому контроллеру. Южный мост, или периферийный контроллер контролирует работу периферийных устройств (жёсткого диска, сетевых устройств, аудио и т.п.).

Материнская плата

Система охлаждения: элемент Пельтье и жидкостное охлаждение (приёмы оверклокинга)

Разъёмы (слоты) Слот разъём (англ. slot - щель), соединённый с системной шиной. Предназначен для установки дополнительных модулей.

Порты материнской платы

Процессор (Pentium III) для установки в слот

Центральный процессор (микропроцессор) Процессор основная микросхема компьютера, в которой производятся все вычисления. Первый микропроцессор разработан Intel в 1971 году.

Процессор содержит: арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее математические и логические операции; регистры общего назначения, в которых хранятся данные, команды и адреса; устройство управления (УУ), осуществляющее обмен информации между процессором и оперативной памятью.

Основные параметры процессора Количество ядер Рабочее напряжение (около 1 В). Разрядность (сколько битов информации обрабатывается за один такт), современные процессоры персональных компьютеров 32-х, 64-х разрядные. Тактовая частота. Характеризует количество элементарных операций в секунду. Размер кэш-памяти. Технология производства (7 нм)

Конвейерная архитектура Конвейерная обработка - метод, применяемый, в случае когда этапы задачи упорядочены подобно сборочной линии. Специализированная аппаратура выполняет операции для каждого этапа, передает результаты на следующий этап и сразу же принимается за новую работу, не дожидаясь окончания всего процесса. Теоретически конвейерная обработка ускоряет процесс пропорционально числу этапов конвейера.

При конвейерной обработке: когда первая операция первой команды выполнена, начинается вторая операция и первая операция второй команды; когда выполнена вторая операция первой команды начинается третья операция первой команды, вторая операция второй команды и первая операция третьей команды; и т. д.

Распараллеливание Распараллеливание применяется, когда задача может быть разделена на почти независимые кванты. Аппаратура для выполнения задачи дублируется несколько раз - создается несколько параллельных процессоров (ядер). Каждый квант работы обрабатывается свободным процессором.

Многоядерный процессор

Кэш-память Обмен данными внутри процессора происходит быстрее, чем обмен данными с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают еще одну (буферную) память - кэш-память (англ. cache тайник). Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память.

Семейства процессоров (наборы инструкций) Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые (близкие) системы команд. Эти процессоры совместимы по принципу «сверху вниз» каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников. Пример (семейство x86): Intel 8086, Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, различные модели Intel Pentium, Intel Celeron и другие.

Информация в магазине: фирма AMD модель Athlon II X2 220 частота: 2800 МГц частота шины: 4 ГГц поддерживает 32 и 64 разряда технология производства: 45 нм кэш 1: 2х128 Кб, кэш 2: 2х512 Кб напряжение питания: В; тепловая мощность: 65 Вт температура (max): 74 0 С.

Процессоры: Intel с архитектурой Haswel (Intel Core i7, 4-е поколение)

Закон Гордона Мура (1965г.)

Процессор под микроскопом

Процессоры AMD с архитектурой Richland

Процессор использует три шины: шину данных. Разрядность шины (несколько байт) называют машинным словом. адресную шину. Если используется 32- разрядная адресная шина, это означает, что в оперативной памяти не может быть больше 2 32 адресов (объем памяти 2 32 байт = 4 Гбайт); шину управления, которую использует устройство управления.

Шины процессора (разрядность) 8-и разрядная шина (8 линий)

Система команд процессора CISC-процессоры (Complex instruction set computer вычисления со сложным набором команд). RISC-процессоры (Reduced instruction set computer вычисления с упрощённым набором команд). RISC-процессоры отличаются меньшим энергопотреблением и тепловыделением. MISC-процессоры (Minimum instruction set computer вычисления с минимальным набором команд команд). Дальнейшее развитие идей для RISC-процессоров.

Сопроцессоры математический сопроцессор (FPU - floating point unit) графический процессор (GPU - graphics processing unit)

Оперативная память оперативное запоминающее устройство ОЗУ RAM Random Access Memory, память с произвольным доступом

Классификации памяти: энергонезависимой (содержимое памяти не исчезает при снятии электропитания). Жесткие диски, CD, флеш-память, BIOS энергозависимой (содержимое памяти исчезает при снятии электропитания). Оперативная память

По принципу действия: динамическую память (DRAM Dynamic RAM) статическую память (SRAM Static RAM)

Динамическая память DRAM Ячейки памяти - маленькие конденсаторы Преимущество: дешевизна. Недостатки: для перезаписи необходимо время; необходимо постоянно подзаряжать. DIMM (англ. Dual In-line Memory Module) пришел на смену SIMM.

Статическая память Ячейки памяти - электронные схемы триггеры. В триггере хранится состояние (включен/выключен). Преимущество: высокое быстродействие. Недостаток: дороговизна. Микросхемы статической памяти используют в кэш- памяти для оптимизации работы процессора.

Информация в магазине: 240-контактный модуль памяти DDR3 РС10600 Частота: 1333 МГц Пропускная способность: Мбайт/с Напряжение питания: 1.5 В.

Постоянное запоминающее устройство После включения процессор обращается к ПЗУ. В ПЗУ записана программа BIOS (Basic Input/Output System). Это энергонезависимая память (CMOS). Она способна хранить информацию, даже когда компьютер выключен.

Cвязь компьютер с внешними устройствами осуществляется по магистрали, состоящей из шин Системные шины: Шина адреса; Шина данных; Шина управления. Шины расширения

Совокупность шин и алгоритм обмена информацией между ними - интерфейс LPT порт

Квантовый компьютер

Куби́т (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. информации квантовом компьютере Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, но при этом может находиться и в их суперпозиции.