Лекция по теме 3.1. Архитектура компьютера и основные характеристики

Кафедра Естественно-научных дисциплин

Лекция по теме 3.1. Архитектура компьютера и основные характеристики

для студентов очной формы обучения

по специальности 40.02.02«Правоохранительная деятельность»

Одобрены на заседании кафедры Естественно-научных дисциплин

протокол № 1 от 31 августа 2020 г.

Вопросы для рассмотрения:

1.Принципы фон Неймана

2.Гарвардская архитектура

3.Этапы развития ЭВМ

4.Функции некоторых узлов компьютера

5.Магистрально-модульный принцип

Рекомендованная литература:

1.Е.В. Михеева// Информационные технологии в профессиональной деятельности: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования /Е.В. Михеева, О.И. Титова. М.: Издательский центр «Академия», 2019.-416с.

1.Принципы фон Неймана

Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются процессор, внутренняя память (основная и оперативная), внешняя память и устройства ввода-вывода информации (периферийные) (Рис. 1).

Рис. 1. Условная модель структуры архитектуры ЭВМ

Принципы, лежащие в основе архитектуры ЭВМ, были сформулированы в 1945 году Джоном фон Нейманом, который развил идеи Чарльза Беббиджа, представлявшего работу компьютера как работу совокупности устройств: обработки, управления, памяти, ввода-вывода.

Принципы фон Неймана.

1. Принцип однородности памяти. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

2. Принцип адресуемости памяти. Основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

3. Принцип последовательного программного управления. Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

4. Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

2.Гарвардская архитектура

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана, имеют классическую архитектуру, но, кроме нее, существуют другие типы архитектуры. Например, Гарвардская. Ее отличительными признаками являются:

·         хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства;

·         канал инструкций и канал данных также физически разделены.

3.Этапы развития ЭВМ

В истории развития вычислительной техники качественный скачок происходил примерно каждые 10 лет. Такой скачок связывает с появлением нового поколения ЭВМ. Идея делить машины появилась по причине того, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения ее структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования. Более подробно все этапы развития ЭВМ показаны на Рис. 2. Для того чтобы понять, как и почему одно поколение сменялось другим, необходимо знать смысл таких понятий, как память, быстродействие, степень интеграции и т. д.

Рис. 2. Поколения ЭВМ

Среди компьютеров не классической, не фон Неймановской архитектуры, можно выделить так называемые нейрокомпьютеры. В них моделируется работа клеток головного мозга человека, нейронов, а также некоторых отделов нервной системы, способных к обмену сигналами.

4.Функции некоторых узлов компьютера

Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции. Функции процессора (Рис. 3):

- обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);

- управление всеми остальными устройствами компьютера.

Рис. 3. Центральный процессор компьютера

Программа состоит из отдельных команд. Команда включает в себя код операции, адреса операндов (величин, которые участвуют в операции) и адрес результата.

Выполнение команды делится на следующие этапы:

выборку команды;

формирование адреса следующей команды;

декодирование команды;

вычисление адресов операндов;

выборку операндов;

исполнение операции;

формирование признака результата;

запись результата.

Не все из этапов присутствуют при выполнении любой команды (зависит от типа команды), однако этапы выборки, декодирования, формирования адреса следующей команды и исполнения операции имеют место всегда. В определенных ситуациях возможны еще два этапа:

·         косвенная адресация;

·         реакция на прерывание.

Оперативная память (Рис. 4) устроена следующим образом:

·         прием информации от других устройств;

·         запоминание информации;

·         передача информации по запросу в другие устройства компьютера

 

Рис. 4. ОЗУ (Оперативное запоминающее устройство) компьютера

5.Магистрально-модульный принцип

В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип (Рис. 5). Модульный принцип позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. Он опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями. Системная шина или магистраль компьютера включает в себя несколько шин различного назначения. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины:

·         шину данных;

·         шину адреса;

·         шину управления.

Рис. 5. Магистрально-модульный принцип построения ПК

Шина данных используется для передачи различных данных между устройствами компьютера; шина адреса применяется для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода; шина управления включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т. д.

Такой принцип справедлив для различных компьютеров, которые можно условно разделить на три группы:

·         стационарные;

·         компактные (ноутбуки, нетбуки и т. д.);

·         карманные (смартфоны и пр.).

Контрольное задание: составить опорный конспект лекции.

Краткое описание документа:

Лекция по теме 3.1. Архитектура компьютера и основные характеристики для студентов очной формы обучения по специальности 40.02.02«Правоохранительная деятельность»Вопросы для рассмотрения: 1.Принципы фон Неймана 2.Гарвардская архитектура 3.Этапы развития ЭВМ 4.Функции некоторых узлов компьютера 5.Магистрально-модульный принцип