Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Функциональная схема ЭВМ



Тема 5. Состав и структура ЭВМ

Немногим более полувека прошло после появления первой цифровой ЭВМ. За это время во всем мире было создано не менее миллиарда различных ЭВМ, которые отличаются друг от друга по конструкции, конфигурации (т.е. набору устройств), техниче­ским характеристикам. Однако функциональная схема каждой ЭВМ содержит три основных устройства: процессорное (ПУ), запоминающее (ЗУ), ввода — вывода (УВВ), взаимодей­ствие которых обеспечивает выполнение основной задачи — об­работку информации. Для снабжения всех устройств ЭВМ на­пряжениями нескольких стандартных уровней служит блок пита­ния, который на не показан, он выполняет вспомогательную функцию, а не основную. Взаимосвязь трех ос­новных функциональных устройств ЭВМ осуществляется по об­щей магистральной шине ОМШ, представляющей собой большое число проводов, по которым передаются информационные и уп­равляющие сигналы. К ОМШ относятся также электросхемы, не­обходимые для коммутации (переключения) этих проводов. Каж­дое из трех основных функциональных устройств может и прини­мать, и передавать сигналы по ОМШ.

Процессорное устройство называют центральным процессором, или просто процессором. Это главное устройство ЭВМ, именно в нем происходит необходимая обработка информации, которая заключается в выполнении арифметических и логических опера­ций над данными, представляющими собой кодовые комбинации. Последовательность этих операций задается командами. Команды также представляют собой кодовые комбинации. Набор команд для выполнения определенной задачи называется программой.Про­цессор не только осуществляет обработку информации, но и управляет этим процессом. Уп­равляющая часть процессора соединяет необходимые для ре­шения данной задачи элементы во всех устройствах вычисли­тельной машины. Эта часть кон­тролирует номер выполняемого шага программы, вызывает из запоминающего устройства очередную команду, настраивает эле­менты процессора на выполнение требуемой операции, вызывает из запоминающего устройства участвующие в данной операции данные, а по окончании операции направляет результат в запо­минающее устройство.

 

ОМШ

 

Запоминающее устройство хранит всю информацию, необхо­димую для дальнейшего использования в процессоре. Поэтому данное устройство для краткости называют памятью, или внеш­ней памятью, так как оно находится вне процессора. Некоторую часть информации необходимо сохранять и в самом процессоре, например очередную команду, промежуточные результаты опе­раций. Поэтому процессор также имеет запоминающее устройство, но его называют оперативной памятью. Во внешней памяти хра­нится во много раз больше информации, чем в оперативной па­мяти, но для передачи информации из внешней памяти в процес­сор требуется больше времени, чем при использовании оператив­ной памяти. Поэтому при выполнении той или иной задачи про­цессор предварительно обращается к внешней памяти и перено­сит из нее необходимую информацию в оперативную память.

Устройство ввода — вывода обеспечивает ввод всей необходи­мой для выполнения задачи информации (прежде всего исходных данных и программ) и вывод результатов в удобной для пользова­теля форме. Ввод информации может осуществляться с помощью клавиатуры, читающего устройства (преобразователя графиче­ской информации в электрический сигнал), микрофона (преоб­разователя звуковой информации в электрический сигнал) и иных устройств, которые с каждым годом становятся все разнообраз­нее.

Все три основных функциональных устройства ЭВМ соедине­ны между собой проводами. Чтобы увеличить скорость обмена информацией между устройствами, используется несколько па­раллельных проводов. Такое объединение проводов (или печатных проводников на электронной плате) называется шиной. В ЭВМ имеется несколько шин различного назначения: шины управле­ния, шины данных, шины адресов и др.

Рассмотренная структура ЭВМ является универсальной, т.е. общей для ЭВМ разных конструкций и назначений. Общим явля­ется то, что в основу работы всех ЭВМ положен принцип про­граммного управления, основанный на операционно-адресной организации процесса обработки информации. Поэтому ЭВМ от­носятся к классу универсальных программных автоматов, для ко­торых разработана соответствующая теория. Информация, пере­рабатываемая автоматом, состоит из данных и программы. Ин­формация, воспринимаемая автоматом, делится на данные (на­пример, числа) и команды. И данные, и команды представлены в виде набора определенных знаков, в качестве которых чаще всего используются два — нуль (0) и единица (1). В таком условном (кодированном) виде информация является кодовой комбинаци­ей и носит название слово. Каждое слово хранится в запомина­ющем устройстве автомата в ячейках памяти, любая из которых имеет соответствующий адрес (номер). Каждая команда выполня­ет определенное преобразование информации. Сам акт преобра­зования называется операцией. Операции выполняются над слова­ми, заданными адресами ячеек, в которые они помещены. Ко­манда содержит кодовое обозначение выполняемой операции и адреса тех слов, которые участвуют в данной операции.

В 1945 г. Джоном фон Нейманом были разработаны пять основ­ных принципов организации работы ЭВМ как универсального программного автомата:

информация представляется в двоичном коде, отдельные ее элементы называются словами;

при обращении к словам разного назначения их различают не по способу кодирования, а по необходимости использования;

слова размещаются в памяти и определяются адресами соот­ветствующих ячеек;

алгоритм представляется в виде последовательности команд, определяющих наименование операции и адрес слова;

команды выполняются в той последовательности, в какой они размещены в памяти.

Эти принципы были положены в основу разработки самых пер­вых ЭВМ и сохраняют свою актуальность до сих пор.

Долгое время все ЭВМ строго соответствовали всем пяти ней­мановским принципам, команды выполнялись ими последователь­но, одна за другой. Про такие машины говорят, что в них реализу­ется управление потоком команд. В последние два-три десятилетия в связи с развитием микроэлектронных технологий произошло усложнение процессорных устройств и соответствующее расши­рение их возможностей. Стало доступным параллельное выполне­ние нескольких команд, т. е. пятый принцип перестал быть обяза­тельным. При решении некоторых задач команды выполняются по мере готовности необходимых для их выполнения исходных данных. Такая последовательность выполнения получила назва­ние управление потоком данных.

Основные узлы ЭВМ

Основными узлами ЭВМ являются: центральный процессор; внешние запоминающие устройства; устройство управления; пе­риферийные устройства, к которым относятся устройства ввода — вывода. Необходимыми вспомогательными узлами являются блок питания и соединительные провода (кабели) между отдельными основными узлами.

Электросеть Телефонная сеть

 

Рис. 1. Персональный компьютер с периферийными устройствами:

1 — монитор; 2 — системный блок; 3 — модем; 4 — мышь; 5 — клавиатура; 6 — звуковая колонка; 7 — принтер; 8 —• сканер; 9 — источник бесперебойного питания

 

Рассмотрим эти основные узлы на примере наиболее широко распространенной ЭВМ — персонального компьютера (ПК). В ми­нимальный состав ПК (рис. 1) входят системный блок 2, монитор 1 и клавиатура 5. В большинстве компьютеров теперь ис­пользуется удобное устройство ввода — манипулятор типа мышь 4. Для ввода информации непосредственно с бумажных носителей применяется сканер 8. Устройствами вывода информации являют­ся принтер 7 и звуковые колонки 6. Для работы компьютера в сети служит модем 3. Для повышения надежности работы компьютера используют источник бесперебойного питания 9. В случае внезап­ного отключения напряжения в электросети это устройство ко­роткое время (не менее 5 мин) обеспечивает питание ПК элект­роэнергией.

Системный блок со снятой крышкой показан на рис. 2, кото­рый состоит из двух видов (а и б), позволяющих лучше предста­вить компоновку элементов в блоке. Части блока, изображенные на рис. 2, а, не показаны на рис. 2, б, чтобы они не загоражи­вали другие элементы.

Довольно часто системный блок называют компьютером, по­скольку именно в нем сосредоточены те узлы, в которых осуще­ствляется обработка информации. Центральный процессор в со­временном компьютере представляет собой единый электронный элемент, в котором с помощью современной технологии созданы миллионы полупроводниковых переходов и соединений между ними. Другими словами, это — сверхбольшая интегральная мик­росхема, называемая микропроцессором. В микропроцессоре вы­полняются арифметические и логические операции по обработке информации, он содержит запоминающие устройства, в которых на время выполнения указанных операций хранится необходимая для этого информации. Кроме того, в микропроцессоре есть схе­мы управления, обеспечивающие взаимодействие его с другими устройствами компьютера. Микропроцессор 3 имеет несколько сотен выводов-ножек, с помощью которых он устанавливается в главную электронную плату 2 системного блока. По-английски эту плату называют mainboard, по-русски - часто системной, или материнской, платой. На системной плате размещены также спе­циальные схемы для взаимодействия микропроцессора с другими узлами компьютера — монитором, клавиатурой, иными устрой­ствами ввода и вывода информации. Эти схемы тоже являются интегральными, т.е. в состав каждой из них может входить много полупроводниковых переходов (но не так много, как в микропро­цессоре). Раньше компьютер имел более 100 различных микро­схем, обеспечивающих взаимодействие всех компонентов систем­ного блока. Такой набор называют чипсет (chip set). В современ­ных компьютерах благодаря высокой степени интеграции полу­проводниковых элементов удается сосредоточить все необходи­мые функции взаимодействия микропроцессора с остальными устройствами всего лишь в двух сверхбольших интегральных мик­росхемах, которые получили названия северный мост и южный мост. Слова «северный» и «южный» обусловлены расположением этих микросхем на системной плате. Ближе к микропроцессору (как бы сверху) находится северный мост, южный мост распо­ложен ниже — в районе разъемов для подключения внешних за­поминающих устройств и устройств ввода и вывода. Слово «мост» означает, что данные микросхемы представляют собой систему соединений, т. е. как бы мостов, связывающих микропроцессор с другими устройствами.

На системной плате имеются также разъемы, называемые сло­тами (от англ. slot — щель), для подключения микросхем полу­проводниковой оперативной памяти. У этой памяти быстро­действие выше, чем у внешней, но ниже, чем у памяти, разме­щенной в самом микропроцессоре. Оперативная память может быть использована микропроцессором в процессе обработки ин­формации. Обмен с ней микропроцессор осуществляет через се­верный мост. Кроме того, обычно через северный мост результа­ты обработки информации передаются на экран монитора, кото­рый подсоединен через электронную схему, называемую видео­картой.

 

На рис. 2, а показана вставленная в слот системной платы электронная схема (плата) 4 для дополнительных функций. Таких плат может быть несколько.

Рис. 2. Системный блок персонального компьютера:

а — вид с системной платой; 6 — вид с запоминающими устройствами;

1 — блок питания; 2— системная плата; 3 — микропроцессор; 4— электронная плата; 5 — дисковод компакт-дисков (СD-RОМ); 6— дисковод жестких дисков; 7— диско­вод гибких дисков

 

Южный мост содержит схемы управления (контроллеры) для подсоединения (объединения в компьютерную сеть) дисковых запоминающих устройств, клавиатуры, мыши и звуковых коло­нок. Через южный мост с помощью быстродействующего USB-порта могут быть подключены цифровые фото- и видеокамеры, внешнее полупроводниковое запоминающее устройство типа флэш-памяти.

Микропроцессор обменивается информацией с северным мо­стом напрямую, а с южным — через северный. Для ускорения процесса обработки информации некоторые функции южного моста могут передаваться северному. Такая возможность появля­ется по мере совершенствования технологии производства набо­ров микросхем (чипсетов).

На системной плате размещены разъемы для подключения раз­личных устройств — клавиатуры, мыши, принтера, сканера, иг­ровой приставки, модема и т.п. Эти разъемы позволяют выпол­нить подключение нужного устройства без разборки системного блока, не снимая его корпуса. На системной плате обычно имеют­ся переключатели (джамперы), с помощью которых выполняется настройка компьютера на работу при той или иной конфигура­ции устройств.

В системном блоке предусмотрена возможность установки не­скольких внешних запоминающих устройств, которые обычно называют дисководами. К ним относятся: дисковод жестких дисков 6 (см. рис. 2, б), на котором хранится вся информация, исполь­зуемая при повседневной работе на компьютере; дисковод /гиб­ких дисков, с помощью которого могут выполняться чтение (т. е. ввод в ЭВМ) и запись информации сравнительно небольшого объема; дисковод 5 компакт-дисков для большого объема инфор­мации (английское сокращение СD-RОМ — компакт-диск только для чтения из памяти). В насто­ящее время получают распространение дисководы компакт-дис­ков с возможностью не только чтения, но и записи информации.

В системном блоке располагается также блок питания 7 (см. рис. 2, а), обеспечивающий подачу напряжения питания нужного уровня для всех потребителей электроэнергии внутри системного блока и для некоторых потребителей, подключаемых к этому бло­ку через разъемы.

Даже кратковременный перерыв в подаче питания приводит к потере введенной перед этим информации. Чтобы избежать этого применяют так называемые источники бесперебойного питания 9 (см. рис. 1), в состав которых входит аккумулятор, обеспечива­ющий подачу напряжения сразу после того, как произошло от­ключение питающей электросети. Даже если этот источник мало­мощный и способен обеспечивать питание компьютера всего лишь в течение нескольких минут, пользователь успеет дать команду на сохранение информации.

Пользователь компьютера управляет его работой и вводит в него информацию с помощью клавиатуры 5 и ручного манипуля­тора 4, который широко известен под названием «мышь».

Основное устройство для вывода информации из компьютера — монитор 1 (его называют также дисплей, хотя точнее дисплеем является сам экран монитора). На мониторе отображается видео­информация, окончательные (а если требуется, то и промежуточ­ные) результаты обработки информации.

Для вывода звуковой информации служат звуковые динамики (колонки) 6, которые могут помещаться и в системный блок, и в корпус монитора. Для подачи простых сигналов обычно использу­ется небольшой динамик в самом системном блоке.

Для печати документов, подготовленных на компьютере, и распечатки результатов выполненной на нем обработки инфор­мации применяются печатающие устройства — принтеры 7.

Для ввода графической (текст и рисунки) информации в ком­пьютер служат сканеры 8. Они преобразуют эту информацию в понятные компьютеру кодовые комбинации.

Обмен информацией с другими компьютерами через телефон­ную сеть осуществляется с помощью специального устройства 3, называемого модемом, которое выполняет необходимое согласо­вание электрических сигналов, направляемых в сеть и получае­мых из нее.

 




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.