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 (1903 — 1957) — 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

устройстваввода

устройствавывода

потоки информации управляющие 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 400-500 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 Пельтьеи 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 архитектураКонвейерная 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: 0.85-1.425

В; • тепловая мощность: 65 Вт • температура (max): 740С.

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 232 адресов (объем памяти 232 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 - 20-30 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 памятьЯчейки 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: 10600 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

КубиPт (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — квантовый разряд или наименьший элемент для

хранения информации в квантовом компьютере.

• Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, но при этом может находиться и в их суперпозиции.