Архитектура и аппаратное обеспечение ЭВМ
DESCRIPTION
Архитектура и аппаратное обеспечение ЭВМ. Янош Лайош Нейман. Архитектура вычислительной машины — структура и принципы работы ЭВМ. От первых PC до современных. Заказ АНБ Принстонскому и Гарвардскому Университетам: наилучшая архитектура ЭВМ. «Истина». «Под Божьей властью процветает». - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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.