Вычислительных систем.

Тема 3.1 Организация ЭВМ. Блок схема.

Компьютер представляет собой устройство, способное исполнять четко определенную последовательность операций, предписанную программой. Персональный компьютер (ПК) характерен тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающего персонала и не отводя под него специального зала с поддержанием климата, мощной системой электропитания и прочими атрибутами больших вычислительных машин. Этот компьютер обычно сильно ориентирован на интерактивное взаимодействие с одним пользователем (в играх иногда и с двумя), причем взаимодействие происходит через множество сред общения - от алфавитно-цифрового и графического диалога с помощью дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности, в которой пока не задействованы, наверное, только запахи .

Когда используется аббревиатура PC (Personal Computer), подразумевается ПК, совместимый с самым массовым семейством персональных компьютеров фирмы IBM (Intel) и их клонов. PC может быть использован и коллективно: возможности многих компьютеров этого семейства позволяют использовать их и в качестве серверов в сетях или локальных многотерминальных системах. Таким образом, можно объяснить словосочетание PC-сервер, которое неявно предполагает повышенную мощность (скорость вычислений, объем оперативной и внешней памяти) и особое конструктивное исполнение (просторный корпус) компьютера. Словосочетание ПК-сервер уже звучит странновато, хотя в одноранговых сетях и этому словосочетанию можно найти объяснение - персональный компьютер может предоставлять свои ресурсы (например, дисковое пространство, принтеры или модемы) другим компьютерам, для которых он будет являться невыделенным сервером.

Попутно отметим и термин рабочая, станция (Workstation, WS), в который может быть вложено два значения. В компьютерной сети рабочей станцией называют компьютер пользователя (как противоположность серверу). Однако рабочая станция может быть и отдельно стоящим (Standalone Computer), но особенно мощным компьютером (его подключение к сети, конечно же, не исключается). В этом случае часто подразумевается архитектура, отличающаяся от IBM PC-совместимой (например, компьютер на RISC-процессоре). Для мощного IBM PC-совместимого компьютера применяют англоязычный термин High End PC, которому короткого русского аналога пока нет.

Любой компьютер имеет три основные составные части: процессор, память и периферийные устройства. Они взаимодействуют между собой с помощью шин, стандартизация которых делает архитектуру компьютеров открытой.

Процессор является основным "мозговым" узлом, в задачу которого входит исполнение программного кода, находящегося в памяти. В настоящее время под словом "процессор" подразумевают микропроцессор - микросхему, которая, кроме собственно процессора, может содержать и другие узлы - например, кэш-память. Процессор в определенной последовательности выбирает из памяти инструкции и исполняет их. Инструкции процессора предназначены для пересылки, обработки и анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительном процессе. В компьютере обязательно должен присутствовать центральный процессор (CPU - Central Processing Unit) , который исполняет основную программу.

В многопроцессорной системе функции центрального процессора распределяются между несколькими обычно идентичными процессорами для повышения общей производительности системы, а один из них назначается главным. В помощь центральному процессору в компьютер часто вводят сопроцессоры, ориентированные на эффективное исполнение каких-либо специфических функций. Широко распространены математические сопроцессоры, эффективно обрабатывающие числовые данные в формате с плавающей точкой; графические сопроцессоры, выполняющие геометрические построения и обработку графических изображений; сопроцессоры ввода-вывода, разгружающие центральный процессор от несложных, но многочисленных операций взаимодействия с периферийными устройствами.

.Рис. 3.1 Структурная схема персонального компьютера

Возможны и другие сопроцессоры, однако все они несамостоятельны - исполнение основного вычислительного процесса осуществляется центральным процессором, который в соответствии с программой выдает "задания" сопроцессорам на исполнение их "партий". Память компьютера предназначена для кратковременного и долговременного хранения информации - кодов команд и данных. Информация в памяти хранится в двоичных кодах, каждый бит - элементарная ячейка памяти - может принимать значение "О" или "1". Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, однозначно ее идентифицирующий в определенной системе координат. Минимальной адресуемой единицей хранения информации в памяти обычно является байт, состоящий, как правило, из 8 бит.

Со времени появления больших (по размерам) компьютеров сложилось деление памяти на внутреннюю и внешнюю. Под внутренней подразумевалась память, расположенная внутри процессорного "шкафа" (или плотно к нему примыкающая). Сюда входила и электронная и магнитная память (на магнитных сердечниках). Внешняя память представляла собой отдельные устройства с подвижными носителями - накопители на магнитных дисках (а сначала - на барабанах) и ленте. Со временем все устройства компьютера удалось поселить в один небольшой корпус, и прежнюю классификацию памяти применительно к PC можно переформулировать так:

1. устанавливаемая на системной плате или на платах расширения;

2. внешняя память - память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации и обычно с подвижными носителями. В настоящее время сюда входят устройства магнитной (дисковой и ленточной) памяти, оптической и магнитооптической памяти. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах, достигающих иногда внутренняя память - электронная (полупроводниковая) память, и размеров небольшого шкафа.

Для процессора непосредственно доступной является внутренняя память, доступ к которой осуществляется по адресу, заданному программой. Для внутренней памяти характерен одномерный (линейный) адрес, который представляет собой одно двоичное число определенной разрядности. Внутренняя память подразделяется на оперативную, информация в которой может изменяться процессором в любой момент времени, и постоянную, информацию которой процессор может только считывать. Обращение к ячейкам оперативной памяти может происходить в любом порядке, причем как по чтению, так и по записи, и оперативную память называют памятью с произвольным доступом - Random Access Memory (RAM) - в отличие от постоянной памяти (Read Only Memory, ROM). Внешняя память адресуется более сложным образом - каждая ее ячейка имеет свой адрес внутри некоторого блока, который, в свою очередь, имеет многомерный адрес.

Во время физических операций обмена данными блок может быть считан или записан только целиком. В случае одиночно го дискового накопителя адрес блока будет трехмерным: номер поверхности (головки), номер цилиндра и номер сектора. В современных накопителях этот трехмерный адрес часто заменяют линейным номером - логическим адресом блока, а его преобразованием в физический адрес занимается внутренний контроллер накопителя. Поскольку дисковых накопителей в компьютере может быть множество, в адресации дисковой памяти участвует и номер накопителя, а также номер канала интерфейса. С такой сложной системой адресации процессор справляется только с помощью программного драйвера, в задачу которого в общем случае входит копирование некоторого блока данных из оперативной памяти в дисковую и обратно.

Дисковая память является внешней памятью с прямым доступом, что подразумевает возможность обращения к блокам (но не ячейкам) в произвольном порядке. Память на ленточных носителях имеет самый неудобный метод доступа - последовательный. В ней информация хранится также в виде блоков фиксированной или переменной длины, и в пределах одного носителя эти блоки имеют последовательные адреса. Для доступа к какому-либо блоку устройство должно найти некоторый маркер начала ленты (тома), после чего последовательным холостым чтением блока за блоком дойти до требуемого места и только тогда производить сами операции обмена данными. С такими неудобствами мирятся только потому, что ленточные носители являются самым дешевым хранилищем для больших объемов информации, к которой не требуется оперативного доступа. Для подсистемы памяти важными параметрами являются следующие:

1. объем хранимой информации. Нет необходимости объяснять, что чем он больше, тем лучше. Максимальный (в принципе неограниченный) объем хранят ленточные и дисковые устройства со сменными носителями, за ними идут дисковые накопители, и завершает этот ряд оперативная память;

2. время доступа - усредненная задержка начала обмена полезной информацией относительно появления запроса на данные. Минимальное время доступа имеет оперативная память, за ней идет дисковая и после нее - ленточная;

3. скорость обмена при передаче потока данных (после задержки на время доступа). Максимальную скорость обмена имеет оперативная память(6-100ns), за ней идет дисковая ( 1- 10ms)и после нее - ленточная;

4. удельная стоимость хранения единицы данных - цена накопителя (с носителями), отнесенная к единице хранения (байту или мегабайту).

Минимальную стоимость хранения имеют ленточные устройства со сменными носителями, их догоняют дисковые накопители, а самая дорогая - оперативная память. Кроме этих параметров имеется и ряд других характеристик - энергонезависимость (способность сохранения информации при отключении внешнего питания), устойчивость к внешним воздействиям, время хранения, конструктивные особенности (размер, вес) и т. п. У каждого типа памяти имеются различные реализации со своими достоинствами и недостатками. Внутренняя и внешняя память используются существенно различными способами. Внутренняя (оперативная и постоянная) память является хранилищем программного кода, который непосредственно может быть исполнен процессором. В ней же хранятся и данные, также непосредственно доступные процессору (а следовательно, и исполняемой программе). Внешняя память обычно используется для хранения файлов, содержимое которых может быть произвольным. Процессор (программа) имеет доступ к содержимому файлов только опосредованное через отображение их (полное или частичное) в некоторой области оперативной памяти. Исполнить программный код или обратиться к данным непосредственно на диске процессор не может в принципе.

То же относится, естественно, и к ленточной памяти. Однако реальная жизнь много образнее этой упрощенной схемы, и на практике дисковая и оперативная память переплетаются сложным образом. Главный недостаток дисковой памяти - большое время доступа и низкая скорость обмена - устраняется при использовании виртуального диска, представляющего собой своеобразно используемую область оперативной памяти. В этой области хранятся файлы, и с точки зрения операционной системы (и, тем более, прикладной программы) она выглядит как обычный, но очень быстрый диск. Конечно же, его объем ограничен, и этот объем вычитается из объема физически установленной памяти, доступной процессору в качестве обычной оперативной. Кроме того, виртуальный диск в отличие от реального не является энергонезависимым.

Периферийные устройства связывают компьютер с внешним миром, и без них он был бы "вещью в себе". Список устройств, делающих компьютер "вещью для нас", практически неограничен. Сюда входят устройства ввода - клавиатура, манипуляторы "мышь", "трекбол", джойстики, сканеры, устройства оцифровки звука и видео изображений; устройства вывода - алфавитно-цифровые и графические мониторы, принтеры, плоттеры, акустические системы и прочие устройства в великом множестве их разновидностей; коммуникационные устройства - модемы, адаптеры локальных и глобальных сетей. Сюда же часто относят дисковые и ленточные устройства хранения информации, но по выполняемым функциям, по-моему, их все-таки лучше включать в подсистему памяти. Кроме того, к компьютеру можно подключать датчики и исполнительные устройства технологического оборудования, различные приборы - в общем все, что в конечном итоге может вырабатывать электрические сигналы и (или) ими управляться.

Периферийные устройства подключаются к компьютеру через внешние интерфейсы или с помощью специализированных адаптеров или контроллеров, встраиваемых в системную плату или размещаемых на платах (картах) расширения. Адаптер является средством сопряжения какого-либо устройства с какой-либо шиной компьютера. Контроллер служит тем же целям сопряжения, но при этом подразумевается его некоторая активность - способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор. На эти тонкости терминологии не всегда обращают внимание, и понятия "адаптер" и "контроллер" считают почти синонимами. Все внешние интерфейсы компьютера, естественно, тоже имеют свои адаптеры или контроллеры. Для взаимодействия с программой (с помощью процессора или сопроцессоров) адаптеры и контроллеры периферийных устройств обычно имеют регистры ввода и вывода, которые могут располагаться либо в адресном пространстве памяти, либо в специальном пространстве портов ввода/вывода. Кроме того, используются механизмы аппаратных прерываний для сигнализации программе о событиях, происходящих в периферийных устройствах.

Для обмена информацией с периферийными устройствами применяется и механизм прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Acces). Контроллер DMA можно считать простейшим сопроцессором ввода/вывода, разгружающим центральный процессор от рутинных операций обмена.

Таково в общих чертах устройство компьютера (естественно, подразумевается и наличие корпуса с блоком питания). Однако этот набор "железок" не имеет практической ценности без программного обеспечения, которое в компьютере имеет многоуровневую организацию. Часть программного обеспечения хранится в постоянной (энергонезависимой) памяти и обеспечивает тестирование и запуск при включении, загрузку операционной системы и связь операционной системы с аппаратными средствами компьютера.

Имеется 5 важнейших компонентов компьютера:

1. Процессор.

2. Основная память.

3. Схемы ввода-вывода.

4. Дисковая память.

5. Программы.

Рис 3.1.2 Основные компоненты РС

· Имеются также вспомогательные компоненты:

1. Источники питания.

2. Материнская плата.

3. Шина расширения (или системная шина).

4. Съемные адаптеры.

Общая шина

Под шиной понимается описание способа взаимодействия различных компонентов компьютера друг с другом. Она определяет путь для передачи сигналов между функциональными блоками компьютера. Полное описание шины является достаточной информацией для различных изготовителей и позволяет гарантировать совместную работу устройств, разработанных независимо друг от друга и изготовленных различными производителями, в том случае, если каждый из них придерживался стандартов шины.

Логически общая шина делится на 3 составляющих:

Шина адреса (ША) – по которой передаётся адрес памяти или ввода/вывода

Шина данных (ШД) - по которой передаётся данные

Шина управления (ШУ) - по которой передаётся управляющие сигналы

В своем первом PC корпорация IBM использовала центральный процессор, имевший всего восемь разрядов на шине данных и 20 разрядов на шине адреса. Центральный процессор соединялся со всеми остальными компонентами PC через шину, которая включала в себя шину данных и шину адреса центрального процессора (а также содержала некоторые дополнительные линии для передачи управляющих сигналов). Скорость передачи данных по этой шине определялась внутренним тактовым генератором центрального процессора. Благодаря синхронной работе взаимодействие компонентов PC было упрощено.

Подобная простота была преднамеренной и, в то же самое время, являлась единственно возможным выходом. В то время отсутствовала возможность поместить всю необходимую память на материнскую плату. Во многих случаях приходилось размещать часть оперативной памяти PC на картах расширения. Естественно, что в этом случае большинство других функциональных блоков, для реализации которых требовалось большое количество интегральных схем, также размещалось на съемных картах расширения. Это касалось контроллера дисководов гибкого диска (а позже и жестких дисков, впервые установленных в модели PC/XT). Это относилось и к видеоподсистеме, а также к последовательным и параллельному портам. Каждый из этих компонентов первоначально работал с тактовой частотой 4,77 МГц Позже, с появлением модели PC/AT тактовая частота была увеличена сначала до 6 МГц, а затем до 8 МГц

Поскольку в первых моделях PC применялся центральный процессор со всего лишь восемью линиями данных, не было никакого смысла выделять в системной шине большее количество разрядов для передачи данных аналогично, системная шина имела 20 разрядов адреса, позволявшие ей адресовать любой байт в пределах 1 Мб, который являлся максимально возможным объемом памяти для такого PC. С учетом необходимости выделения разрядов шины для заземления, передачи напряжений питания, тактовых и различных управляющих сигналов (запроса прерывания и других), полный формат системной шины PC или PC/XT включал в себя описание 62 разрядов.

Современные РС имеют 64 - 128 разрядов шину данных, шину адреса 32 разряда, что позволяет адресовать ОЗУ объёмом 2³² - 4Гб.