Информатика: конспект лекций

Козлова Ирина Сергеевна

2.2. Архитектура ЭВМ

Архитектура ЭВМ характеризуется качествами машины, влияющими на ее взаимодействие с пользователем. Архитектуpa определяет совокупность свойств машины и характеристик, которые необходимо знать программисту для эффективного использования ЭВМ при решении задач.

В свою очередь, архитектура определяет принципы организации вычислительной системы и функции центрального вычислительного устройства. Однако она не показывает то, как эти принципы реализуются внутри машины. Архитектура не зависит от программно недоступных ресурсов машины. Если у компьютеров одинаковая архитектура, то любая программа в машинном

коде, написанная для одного компьютера, на другом компьютере работает аналогично с получением одинаковых результатов.

Для выполнения своих функций любой ЭВМ необходим минимальный набор функциональных блоков.

Архитектура сегодняшних компьютеров имеет классические черты, однако есть и некоторые отличия. В частности, запоминающее устройство (ЗУ) первых ЭВМ классической структуры подразделялось на два вида:

1) внутреннее, содержащее информацию, которая обрабатывалась в нем за некоторый момент времени;

2) внешнее, являющееся хранилищем всей информации, необходимой для работы компьютера.

В ходе технического прогресса число уровней в иерархии памяти компьютеров увеличивалось.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления образуют единый блок, называемый центральным процессором. Перечень устройств для ввода и вывода данных включает в себя различные накопители на магнитных, оптических и магнитооптических дисках, сканеры, клавиатуру, мышь, джойстик, принтеры, графопостроители и т. д. Структура современного ПК содержит две основные части: центральную и периферийную, при этом к центральной части принято относить центральный процессор и внутреннюю память.

Центральным процессором (ЦП) называется устройство, обрабатывающее данные и осуществляющее программное управление этим процессом. Центральный процессор состоит из АЛУ, УУ, иногда и собственной памяти процессора; он чаще всего выполняется в виде большой интегральной схемы и носит название микропроцессора.

Внутренняя память – это устройство, предназначенное для хранения информации в специальном закодированном виде.

Оперативное запоминающее устройство, или оперативная память (ОП), – это ЦП, взаимодействующий с внутренним ЗУ. Оперативная память используется для приема, хранения и выдачи всей информации, которая требуется для выполнения операций в ЦП.

Внешние запоминающие устройства необходимы для хранения больших объемов информации, не использующейся в данный момент времени процессором. К ним относятся: накопители на магнитных дисках, накопители на магнитных лентах, накопители на оптических и магнитооптических дисках.

Виртуальной памятью является совокупность ОП, ВЗУ и комплекса программно-аппаратных средств.

Конфигурация ЭВМ– это определенный состав ее устройств с учетом их особенностей.

Операцией ввода называется передача информации от периферийных устройств в центральные, операцией вывода – процесс передачи информации из центральных устройств в периферийные.

Интерфейсы представляют собой сопряжения, осуществляющие в вычислительной технике связь между устройствами ПК.

2.3. Память в персональных

компьютерах

Мощность компьютера зависит от его архитектуры и определяется не только тактовой частотой процессора. На быстродействие систем также влияют скорость функционирования памяти и пропускная способность шины.

Организация взаимодействия ЦП и ОП зависит от памяти компьютера и набора микросхем, установленных на системной плате.

Запоминающие устройства используются для хранения информации. В их функции входят ее запись и считывание. В совокупности эти функции называют обращением к памяти.

Одними из самых важных характеристик памяти являются емкость и время доступа. Чаще всего в ЗУ входит множество одинаковых запоминающих элементов. Такими элементами ранее служили ферритовые сердечники, которые объединялись в разрядную матрицу памяти. В настоящее время запоминающими элементами ОП служат большие интегральные микросхемы (БИС).

При обработке информации процессором возможно обращение к любой ячейке ОП, на основании этого ее называют памятью с произвольным доступом, или RAM. Обычно ПК обладают ОП, которая выполняется на микросхемах динамического типа, с ячейками, собранными в матрицу.

В памяти статического типа информация находится на статических триггерах. Для статической памяти не применяются циклы регенерации и операции перезарядки, т. е. время доступа к статической памяти намного меньше, чем к динамической. Скорость работы процессора сильно зависит от быстродействия используемой ОП. При этом она оказывает влияние на производительность всей системы. Для реализации одного запоминающего элемента динамической памяти требуется 1–2 транзистора, для статической – 4–6, т. е. стоимость статической памяти значительно превышает стоимость динамической. На основании этого в ПК чаще всего применяется ОП динамического типа, а для повышения производительности системы – сверхоперативная, или кэш-память. Сверхоперативную память изготавливают на элементах статического типа. При этом блок данных, обрабатываемых процессором, размещается в кэш-памяти, но обращение к ОП происходит только при появлении потребности в данных, не содержащихся в кэш-памяти. Использование кэш-памяти позволяет согласовать по скорости работу процессора и ОП на элементах динамического типа.

Интегральные микросхемы памяти в небольших количествах выпускают японские, корейские, американские и европейские компании.

Постоянные запоминающие устройства, или ROM, предназначены для хранения BIOS, который, в свою очередь, обеспечивает инвариантность программных средств к архитектуре системной платы. Кроме того, в BIOS находится необходимый набор программ ввода-вывода, обеспечивающий работу периферийных устройств.

В состав ПЗУ кроме программ ввода-вывода входят:

• программа тестирования при включении компьютера POST;

• программа начального загрузчика, выполняющего функцию загрузки ОС с диска.

Вследствие снижения цен на перепрограммируемые ПЗУ для хранения BIOS применяются запоминающие элементы, информацию в которых можно стирать электрически или с помощью ультрафиолетового излучения. В настоящий момент чаще всего для этих целей используют флэш-память, позволяющую вносить исправления в BIOS.