Основу ЭВМ составляет аппаратура (Hardware), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия ЭВМ состоит в выполнении программ (Soft-Ware) - заранее заданных, четко определенных последовательностей арифметических, логических и других операций.
Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд.
Команда - это описание операции, которую должна выполнить ЭВМ. Как правило у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.
Результат команды вырабатывается по строго определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера.
Совокупность команд, выполняемых данной ЭВМ, называется системой команд этой ЭВМ.
В основу построения большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.
Компьютер, согласно принципам фон Неймана, должен иметь следующие устройства (рисунок 6):
- арифметико – логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;
- устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ;
- запоминающее устройство (ЗУ) для хранения программ и данных;
- внешнее устройство (ВУ) для ввода-вывода информации.
Рисунок 6- Принцип построения ЭВМ по фон Нейману
Основные принципы работы ЭВМ:
· принцип двоичного кодирования --вся информация, как данные, так и команды кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат.
· принцип программного управления --программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
· принцип однородности памяти -для хранения программ и данных используется одно и то же пространство памяти, и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти. Содержимое ячейки памяти интерпретируется оператором обработки информации, в качестве которого в простейшем случае выступает процессор.
· принцип адресности -структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Доступ к ячейкам осуществляется по адресам. Адресом является номер соответствующей ячейки.
Студент должен
знать:
- принципы фон Неймана;
- основные типы архитектур ЭВМ;
- основные компоненты ЭВМ.
Тема 2.3 Внутренняя организация процессора
Реализация принципов фон Неймана в ЭВМ. Структура процессора. Устройство управления: назначение и упрощенная функциональная схема. Регистры процессора: сущность, назначение, типы. Регистры общего назначения, регистр команд, счетчик команд, регистр флагов.
Структура команды процессора. Цикл выполнения команды. Понятие рабочего цикла, рабочего такта. Принципы распараллеливания операций и построения конвейерных структур. Классификация команд. Системы команд и классы процессоров: CISC, RISC, MISC, VLIW.
Интерфейсная часть процессора: назначение, состав, функционирование. Организация работы и функционирование процессора.
Студент должен
знать:
- структуру процессора;
- типы регистров процессора;
- структуру команды процессора;
- понятие рабочего цикла, рабочего такта;
- классификацию команд;
- классы процессоров;
- структуру АЛУ.
уметь:
- выстраивать последовательность реализации простых вычислений.
Тема 2.4 Организация памяти компьютера
Характеристики памяти. Иерархическая структура памяти. Основная память ЭВМ, Оперативное и постоянное запоминающие устройства: назначение и основные характеристики Сверхоперативная память
Организация оперативной памяти. Адресное и ассоциативное ОЗУ: принцип работы и сравнительная характеристика. Виды адресации. Линейная, страничная, сегментная память. Стек. Плоская и многосегментная модель памяти.
Кэш-память: назначение, структура, основные характеристики. Организация кэш-памяти: с прямым отображением, частично-ассоциативная и полностью ассоциативная кэш-память.
Динамическая память. Принцип работы. Обобщенная структурная схема памяти. Режимы работы: запись, хранение, считывание, режим регенерации. Модификации динамической оперативной памяти. Основные модули памяти. Наращивание емкости памяти.
Статическая память. Применение и принцип работы. Основные особенности. Разновидности статической памяти.
Устройства специальной памяти: постоянная память (ПЗУ), перепрограммируемая постоянная память (флэш-память), видеопамять. Назначение, особенности, применение. Базовая система ввода/вывода (BIOS): назначение, функции, модификации.
Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, предназначенных для запоминания, хранения и выдачи информации. Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими устройствами (ЗУ) или памятью того или иного типа (например, ПЗУ, КЭШ - память). Разнообразие типов ЗУ объясняется, прежде всего, их различными параметрами, выполняемыми операциями.
Операции в ЗУ называют обращением к памяти. Обычно обращения разделяются на два типа: обращение к памяти при записи и обращение к памяти при считывании (чтении).
Важнейшими характеристиками ЗУ является объем памяти и ее быстродействие.
Объем (емкость) памяти определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться одновременно. Емкость измеряется в двоичных единицах (битах или байтах).
Быстродействие памяти характеризуется временем обращения к памяти, которое определяется продолжительностью операции обращения к памяти, временем доступа и скоростью передачи
Время доступа соответствует интервалу времени от момента поступления адреса до момента, когда данные заносятся в память или становятся доступными для чтения.
Время обращения к памяти (длительность цикла памяти, период обращения ( Тц )) применяется к памяти с произвольным доступом и означает минимальное время между двумя последовательными обращениями к памяти (время от момента подачи сигнала обращения до момента окончания процесса записи или чтения информации).
Производительность памяти ( скорость передачи ) - скорость потока записываемых или считываемых данных (Мбайт/с).
Производительность компьютера определяется производительностью процессора и производительностью подсистемы памяти. Производительность подсистемы памяти зависит от типа и быстродействия запоминающих элементов (ЗЭ), разрядности шины памяти и некоторых особенностей архитектуры.
Разрядность шины памяти - количество байт, с которыми операция чтения или записи может быть выполнена одновременно. Разрядность основной памяти обычно согласуется с разрядностью внешней шины процессора.