POČÍTAČOVÁ ARCHITEKTURA
Počítačová klasifikace
Základní PC bloky a jejich účel
Rozhraní systému uvnitř stroje
Funkční specifikace PC
EVM (počítač) – soubor technických prostředků určených pro automatické zpracování informací v procesu řešení výpočetních a informačních problémů.
Klasifikační znaky:
podle principu fungování (liší se však od sebe typem prezentace informací);
podle fází tvorby;
po domluvě;
ve velikosti a funkčnosti.
Počítačová architektura – soubor jeho vlastností, které jsou pro uživatele významné.
Struktura a funkce počítače:
základní (zajišťují zpracování a uchovávání informací, výměnu informací s externími objekty);
další (poskytují efektivní provozní režimy, dialog s uživatelem, vysoká spolehlivost).
Jmenované funkce počítače jsou realizovány pomocí jeho součástí: hardwaru a softwaru.
Osobní počítač – stolní nebo přenosný počítač splňující požadavky obecné dostupnosti a univerzálnosti použití.
Výhody PC:
nízké náklady (v rámci dostupnosti pro jednotlivého uživatele);
autonomie provozu;
flexibilita architektury (adaptabilita na různé aplikace v managementu, vědě, vzdělávání, běžném životě);
„Přívětivost“ operačního systému a softwaru (schopnost pracovat bez speciálního školení);
vysoká provozní spolehlivost.
Typy PC:
desktopová verze (desktop);
kolenní verze (notebook).
verze notebooku.
kapsa (Palm Top - ruční);
elektronické sekretářky (PDA - Personal Digital Assistant), mají širší funkcionalitu jako běžný počítač a vestavěný software pro správu osobních informací (adresy, telefonní čísla, zasedací pořádky atd.);
elektronické sešity (organizér).
Základní (typická) konfigurace PC:
systémová jednotka (toto je centrální článek počítačového systému);
monitor (navržený pro zobrazování textových a grafických informací);
klávesnice (slouží k zadávání textu, čísel a příkazů do počítače);
Klasifikace jednotek systému:
horizontální (stolní, plochý a extra plochý (štíhlý));
vertikální (věžový, plný, střední, malý).
Systémová jednotka obsahuje nejdůležitější součásti:
základní deska (systémová) deska (obsahuje centrální procesor, mikroprocesorový čipset, matematický koprocesor, generátor hodin, jednotky RAM a ROM, sběrnice, adaptéry klávesnice, HDD, HDD, řadič přerušení, časovač atd.)
pohonná jednotka;
diskové jednotky;
diskové jednotky;
konektory pro přídavná zařízení;
rozšiřující desky s ovladači (adaptéry) pro různá zařízení.
Externí přídavná zařízení určená pro vstup, výstup a dlouhodobé ukládání dat se nazývají periferie.
Struktura PC:
mikroprocesor (centrální jednotka určená k řízení provozu všech strojních bloků ak provádění aritmetických a logických operací s informacemi);
generátor hodinových impulsů (generuje sekvenci elektrických impulsů, jejichž frekvence určuje hodinovou frekvenci stroje);
systémová sběrnice (systém hlavního rozhraní PC, který zajišťuje propojení a komunikaci všech jeho zařízení mezi sebou; technicky řečeno sběrnici tvoří svazek vodičů, kterými jsou přenášeny signály. Rozhraní sběrnice se zařízení se nazývá port, kterému je pro jistotu přiřazeno číslo zvané adresa);
hlavní paměť (určená pro ukládání a rychlou výměnu informací s jinými jednotkami stroje);
externí paměť (slouží k dlouhodobému ukládání informací; je v ní uložen veškerý počítačový software);
zdroj energie (jednotka obsahující systém autonomního a síťového napájení);
časovač (elektronické hodiny ve stroji, připojené k autonomnímu zdroji energie, fungují při odpojení od sítě);
externí zařízení.
Koordinace mezi jednotlivými uzly a bloky se provádí pomocí přechodných hardwarově-logických zařízení – hardwarových rozhraní.
Standardy pro hardwarová rozhraní se nazývají protokoly.
Protokol je soubor technických podmínek, které musí poskytnout vývojáři zařízení, aby mohli úspěšně koordinovat jejich provoz s ostatními zařízeními.
Složení mikroprocesoru:
řídicí zařízení (generuje a dodává určité řídicí signály, generuje adresy paměťových buněk a přenáší tyto adresy do odpovídajících bloků, přijímá sekvenci impulsů z generátoru hodinových impulsů);
aritmeticko-logická jednotka (provádí aritmetické a logické operace s číselnými a symbolickými informacemi);
mikroprocesorová paměť (slouží ke krátkodobému ukládání, záznamu a výstupu informací, postavená na registrech a sloužící k zajištění vysoké rychlosti stroje; registry jsou vysokorychlostní paměťové buňky různé délky);
rozhraní systému mikroprocesoru (realizuje párování a komunikaci s dalšími PC zařízeními, obsahuje vnitřní rozhraní, vyrovnávací paměťové registry, řídicí obvody pro vstupně-výstupní porty (umožňuje připojení dalšího PC zařízení) a systémovou sběrnici.
Frekvence generátoru hodin je jednou z hlavních charakteristik PC a do značné míry určuje jeho provozní rychlost, protože každá operace se provádí v určitém počtu cyklů.
Provozní cyklus stroje – časový interval mezi sousedními impulsy.
Intra-machine system interface (systém komunikace a vzájemného propojení počítačových uzlů a bloků) je soubor elektrických komunikačních linek (drátů), obvodů rozhraní s komponentami počítače, protokolů (algoritmů) pro přenos a převod signálů.
Možnosti organizace intramachine rozhraní:
multi-připojovací rozhraní (každý PC blok je propojen s ostatními bloky svými lokálními vodiči, používanými v nejjednodušších domácích PC);
jednopřipojovací rozhraní (všechny PC bloky jsou vzájemně propojeny společnou nebo systémovou sběrnicí).
Používá se jako systémové rozhraní systémová sběrnice .
Jako systémovou sběrnici lze použít následující:
rozšiřující sběrnice (univerzální sběrnice, které umožňují připojit velké množství různých zařízení);
místní sběrnice (specializované na obsluhu malého počtu zařízení určité třídy).
Systémová sběrnice obsahuje:
kódová datová sběrnice (obsahuje vodiče a propojovací obvody pro paralelní přenos všech bitů číselného kódu; kopíruje data z RAM do registrů procesoru a zpět);
adresová kódová sběrnice (zahrnuje vodiče a propojovací obvody pro paralelní přenos všech bitů kódu hlavní paměťové buňky nebo vstupního/výstupního portu externího zařízení);
kódová instrukční sběrnice (obsahuje vodiče a obvody rozhraní pro přenos instrukcí do všech bloků stroje);
napájecí sběrnice (má vodiče a obvody rozhraní pro připojení PC jednotek k napájecímu systému).
Systémová sběrnice zajišťuje přenos informací:
Vstupní/výstupní porty všech bloků stroje jsou připojeny přes odpovídající unifikované konektory přímo nebo přes ovladače (adaptéry).
Výměna informací mezi externími zařízeními a systémovou sběrnicí se provádí pomocí kódů ASCII.
Expanzní autobusy:
pneumatika sběrnice RS/XT – 8bitová datová sběrnice a 20bitová adresová sběrnice, taktovací frekvence 4,77 MHz, má 4 linky pro hardwarová přerušení a 4 kanály pro přímý přístup do paměti;
pneumatika PC/AT sběrnice – 16bitová datová sběrnice a 24bitová adresová sběrnice, hodinová frekvence až 8 MHz, lze použít i MP s taktovací frekvencí až 16 MHz, má 7 linek pro hardwarová přerušení a 4 kanály pro přímý přístup do paměti;
pneumatika JE (Industry Standard Architecture) – 16bitová datová sběrnice a 24bitová adresová sběrnice, taktovací frekvence 8 MHz, lze použít i s MP s taktovací frekvencí až 50 MHz, má až 15 linek pro hardwarová přerušení a až 11 kanálů pro přímý přístup do paměti, adresní prostor zvětšen na 16 MB, propustnost teoreticky 16 MB/s, prakticky - 4-5 MB/s;
pneumatika EISA (Extended ISA) – 32bitová datová sběrnice a 32bitová adresová sběrnice, taktovací frekvence 8-33 MHz, adresní prostor 4 GB, šířka pásma až 33 MB/s, vylepšený systém přerušení a automatická konfigurace systému a správa kanálů pro přímou paměť přístup, zvýšený počet rozšiřujících konektorů (lze teoreticky připojit až 15 zařízení, prakticky až 10), kompatibilní se sběrnicí ISA, používané ve vysokorychlostních PC, síťových serverech a pracovních stanicích;
pneumatika MSA – 32bitová datová sběrnice a 32,64bitová adresová sběrnice, taktovací frekvence 10-20 MHz, šířka pásma až 76 MB/s, lze připojit až 15 zařízení, v blízkosti sběrnice EISA, ale není kompatibilní s ISA ani EISA není široce používán.
Místní autobusy:
pneumatika VLB (VESA Local Bus) – 32,64bitová datová sběrnice a 32bitová adresová sběrnice, taktovací frekvence až 33 MHz, teoretická šířka pásma 132 MB/s, prakticky 80 MB/s, malý počet připojených zařízení – 4, může docházet ke konfliktům mezi připojená zařízení, přísně závislá na hodinové frekvenci MP;
pneumatika PCI (Peripheral Component Interconnect) – 32,64bitová datová sběrnice a 32bitová adresová sběrnice, taktovací frekvence až 33 MHz, teoretická šířka pásma 132,264 MB/s, prakticky 50,100 MB/s, počet připojených zařízení – 10, může provádět mnoho rozšiřujících sběrnic funkce, v současnosti používané jako sběrnice pro připojení externích zařízení;
pneumatika FSB (Front Side Bus) – 32,64bitová datová sběrnice a 32bitová adresová sběrnice, taktovací frekvence až 133 MHz, šířka pásma až 800 MB/s, slouží k připojení procesoru a paměti, frekvence této sběrnice je jedna z spotřebitelské parametry;
pneumatika AGP (Advanced Graphic Port) – 32,64bitová datová sběrnice a 32bitová adresová sběrnice, taktovací frekvence 33 nebo 66 MHz, šířka pásma až 1066 MB/s, slouží pro komunikaci s video adaptérem;
pneumatika USB (Universal Serial Bus) – šířka pásma až 1,5 Mbit/s, umožňuje připojit až 256 zařízení se sériovým rozhraním, prakticky eliminuje konflikty mezi různými zařízeními, umožňuje připojovat a odpojovat zařízení v „horkém režimu“ a umožňuje kombinovat několik počítačů a nejjednodušší místní síť bez použití speciálního vybavení a softwaru.
Použití VLB a PCI sběrnic v PC je možné, pokud máte vhodnou základní desku.
Základní desky jsou vyráběny s multibus VIP strukturou (podle počátečních písmen VLB, ISA, PCI).
RAM (RAM - Random Access Memory) je pole krystalických buněk schopných ukládat data.
Z hlediska fyzikálního principu činnosti existují:
dynamická paměť (DRAM) - články si lze představit jako mikrokondenzátory schopné ukládat náboj na své desky. Mikroobvody se používají jako hlavní operační systém počítače. Jedná se o nejběžnější a ekonomicky dostupný typ paměti. Nevýhoda: neustále je vyžadována regenerace (dobíjení) buněk RAM, což způsobuje plýtvání výpočetního systému.
statistická paměť (SRAM) – buňky mohou být reprezentovány ve formě mikroprvků (triggerů) skládajících se z několika tranzistorů. Spoušť neukládá náboj, ale stav (zapnuto/vypnuto), takže tento typ paměti poskytuje vysoký výkon. Čipy této paměti se používají jako pomocná paměť (cache memory), určená k optimalizaci provozu počítače.
Hlavní paměť obsahuje:
paměť pouze pro čtení (ROM se používá k ukládání neměnných programových a referenčních informací a umožňuje rychle pouze číst informace v ní uložené);
paměť s náhodným přístupem (RAM je určena pro online záznam, ukládání a čtení informací zapojených do procesu v aktuálním časovém okamžiku, výhodou je rychlost a možnost přistupovat ke každé paměťové buňce zvlášť, nevýhodou volatilita).
Když je počítač zapnutý, v jeho RAM není nic (programy, příkazy). Ihned po zapnutí se tedy na adresové sběrnici procesoru nastaví startovací adresa. To se děje v hardwaru, bez účasti programů. Procesor přejde na zadanou adresu pro svůj první příkaz a začne pracovat podle programů.
Tato zdrojová adresa nemůže ukazovat na OP, protože v ní ještě nic není. Ukazuje na ROM. Čip ROM je schopen uchovávat informace po dlouhou dobu, i když je počítač vypnutý.
Programy umístěné v ROM se nazývají „pevné“ - jsou tam zapsány ve fázi výroby mikroobvodu.
Sada programů v ROM tvoří základní vstupně-výstupní systém ( BIOS - Základní systém vstupů a výstupů).
Hlavní účel programů v tomto balíčku:
zkontrolovat složení a výkon počítačového systému;
poskytovat interakci s klávesnicí, monitorem, pevným diskem a disketovou jednotkou;
poskytují možnost zobrazení diagnostických zpráv na obrazovce, které doprovázejí spuštění počítače,
poskytnout v případě potřeby možnost zasahovat do procesu spouštění pomocí klávesnice.
Externí paměť obsahuje různé typy úložných zařízení, zejména pevné disky (HDD) a disketové jednotky (FLMD).
Jejich účelem je ukládat velké množství informací, zaznamenávat a vydávat uložené informace na vyžádání v paměti RAM.
Liší se designem, objemem uložených informací a časem pro vyhledávání, záznam a čtení informací.
Magnetické disky – počítačová paměťová média.
Informace na MD jsou zapisovány a čteny magnetickými hlavami po soustředných kružnicích - stopách (stopách).
Počet stop na MD a jejich informační kapacita závisí na typu MD, konstrukci pohonu MD, kvalitě magnetických hlav a magnetickém povlaku.
Každá stopa MD je rozdělena do sektorů po 128, 256, 512 nebo 1024 bajtů.
Výměna dat mezi NMD a OP probíhá postupně po celém počtu sektorů.
Cluster – minimální jednotka umístění informace na disku, sestávající z jednoho nebo více sousedních sektorů stopy.
Při zápisu a čtení informací se MD otáčí kolem své osy a ovládací mechanismus magnetické hlavy jej přivádí na stopu zvolenou pro zápis nebo čtení informací.
Soubor – pojmenovaná oblast externí paměti přidělená pro ukládání datového pole.
Soubor – posloupnost libovolného počtu bajtů s jedinečným názvem.
Název souboru může obsahovat údaje o adrese, informace o typu dat v něm obsažených. Úložiště souborů je organizováno v hierarchické struktuře nazývané struktura souborů.
Úplný název souboru je správný název souboru spolu s cestou k němu.
<имя носителя \ <имя каталога-1 \...\ <имя каталога-N \ <собственное имя файла
Data na discích jsou uložena v souborech. Souboru je přiděleno paměťové pole, které je násobkem určitého počtu clusterů. Clustery stejného souboru mohou být umístěny v libovolném volném prostoru a nemusí být nutně souvislé.
Soubory umístěné v souborech roztroušených po disku se nazývají roztříštěný .
Formátování diskety – vytvoření struktury pro záznam informací na jeho povrchu: značení stop, sektorů, záznamové značky a další servisní informace.
Monitor – zařízení určené k zobrazování informací, které počítač přenáší uživateli.
Velikost obrazovky monitoru se měří úhlopříčně v palcích.
Lze zhruba rozlišit následující skupiny:
katodové monitory (obraz je tvořen paprskem elektronů, které „zapalují“ body barevného fosforu, kterým je zevnitř pokryt povrch obrazovky. Každý pixel obrazu se skládá ze tří barevných bodů fosforu: červené, zelený a modrý tok elektronů používaný k vytvoření obrazu na obrazovce katodového monitoru, je poměrně silný a ne všechny jsou uhaseny fosforem a ochranným povlakem obrazovky slouží k ovládání paprsků To vše vede k tomu, že monitory elektronového paprsku, byť v malé míře, jsou zdrojem škodlivého záření);
LCD monitory (pracovní vrstva monitorů z tekutých krystalů se skládá z mnoha malých tekutých krystalů, které mohou pod vlivem malého napětí, které na ně působí, měnit svou barvu a průhlednost. Takové monitory nevyzařují);
multimediální monitory (elektronické monitory a monitory z tekutých krystalů, které mohou provádět další funkce: reprodukovat a vnímat zvuk pomocí vestavěných reproduktorů a mikrofonu a dokonce vnímat obraz pomocí vestavěné videokamery).
Displej může fungovat:
v textovém režimu (obrazovka displeje je rozdělena na 25 řádků po 80 znacích v každém řádku. Tento režim se používá pro zobrazení předdefinovaných znaků: velká a malá latinská písmena, písmena ruské abecedy, čísla a další různé symboly);
v grafickém režimu (obrázek je na displeji zobrazován tečkami (pixely). V tomto režimu se zpravidla vytvářejí obrázky a kreslí grafy; při zobrazování textových informací v tomto režimu bude výkon nižší, protože každý znak musí být nakreslené tečkami).
Rozlišení – hlavní parametr charakterizující kvalitu grafického obrazu na obrazovce je určen počtem vertikálních a horizontálních bodů.
Bod (pixel) – určitá minimální plocha obrazovky, ve které se mísí červené, modré a zelené paprsky, jejichž intenzita určuje barvu v daném bodě.
VGA displej 640x480 znamená, že displej je typu VGA s počtem pixelů horizontálně 640 a vertikálně 480. Rozlišení dobrých monitorů dosahuje 1280x1024 a vyšší.
Každý displej se navíc vyznačuje počtem reprodukovaných barev, který se může pohybovat od 2 (černobílý obraz) až po 256 a výše (16 milionů barev – Super VGA displeje). Čím lepší je displej, tím více barev dokáže reprodukovat.
Počítačová klávesnice – zařízení pro zadávání příkazů a textu.
Skupiny klíčů podle účelu:
abecední blok (obsahují klávesy pro zadávání textových znaků. První řádek shora se skládá z kláves s čísly, nad nimiž jsou zobrazeny speciální znaky. V závislosti na speciálních klávesách, které stisknete, můžete psát čísla nebo symboly. Chcete-li zadat velká a další znaky umístěné v velká písmena klávesnice, použijte klávesu "Shift");
funkční klávesy F1, …, F12 (nachází se v horní části klávesnice a jsou určeny pro rychlé zadávání opakovaných příkazů jednou klávesou v různých programech. Například klávesa F10 se často používá k ukončení programů a klávesa F1 se často používá k vyvolání nápovědy nebo nápovědy );
kurzorové klávesy (určeno pro pohyb v textu nebo příkazy nabídky, nachází se ve spodní části klávesnice, vpravo od abecedního bloku. Textový kurzor je speciální znak, který označuje místo v řádku, kam bude zadán další znak);
digitální blok (po stisknutí klávesy „NumLock“ se rozsvítí příslušná kontrolka a pomocí tohoto bloku můžete zadávat čísla. Pokud kontrolka nesvítí, můžete pomocí kláves s numerickými bloky ovládat pohyb textového kurzoru);
servisní klíče
Ctrl" a "Alt" Obvykle jsou účinné pouze při stisknutí ve spojení s jinými klávesami, zvyšují počet příkazů, které mohou funkční klávesy provádět.
"Esc" pomáhá zrušit jakýkoli příkaz.
"Caps Lock" slouží k opravě režimu velkých písmen. Po jeho stisknutí se rozsvítí indikátor v pravé horní části klávesnice. Přepnutí klávesnice z režimu zadávání ruských písmen do režimu zadávání znaků latinky se provádí pomocí speciálně přiřazených kláves.
"Vstup" (vstup) (určeno k přesunutí kurzoru na začátek dalšího řádku, používá se také k zadávání příkazů v operačním systému).
"Back Space" (znázorněno šipkou doleva) umožňuje přesunout kurzor o jednu pozici doleva a vymazat znak umístěný na této pozici.
"Vymazat" (delete) se používá k odstranění znaku, na kterém je kurzor. V tomto případě samotný kurzor zůstane na stejném místě a všechny znaky napravo od kurzoru se posunou o jednu pozici doleva.
"Vložit" (vložit) je určen pro přechod z režimu vkládání do režimu výměny a zpět. V režimu vkládání se znaky, které píšete, objeví na místě, kde se nachází kurzor, a část řádku umístěná napravo od kurzoru se při každém stisknutí klávesy posune o jednu pozici doprava. V režimu nahrazování se text umístěný napravo od kurzoru neposouvá a zadané znaky se objevují na místě starých a přepisují je.
"PgUp", "PgDown" » slouží k pohybu nahoru a dolů na obrazovce stránku po stránce.
"Domů" a "Konec" jsou určeny k přesunutí kurzoru na začátek a konec řádků.
"Tab" slouží k posunutí kurzoru o několik () pozic doprava, obvykle o 4 nebo 8.
"Tisk obrazovky" slouží k uložení aktuálního stavu obrazovky do speciální oblasti OP, nazývané schránka.
"Scroll Lock" přepíná u některých programů (obvykle zastaralých) provozní režim.
"Přestávka" pozastaví/přeruší proces.
Myš – ovládací zařízení typu manipulátoru určené k ovládání počítačových programů.
Pohyb myši po rovném povrchu je synchronizován s pohybem grafického objektu (ukazatel myši) po obrazovce monitoru.
Na těle myši jsou dvě nebo tři ovládací tlačítka. Třítlačítková pádla obvykle používají pouze vnější tlačítka a prostřední tlačítko slouží pouze pro práci s určitými typy programů. Někdy je prostřední tlačítko vyrobeno ve formě kolečka.
Funkční vlastnosti PC:
rychlost, výkon, taktovací frekvence;
bitová kapacita stroje a kódové sběrnice rozhraní;
typy systémových a lokálních rozhraní;
kapacita RAM;
kapacita pevného disku (pevný disk);
typ a kapacita disketových jednotek;
typy a kapacita vyrovnávací paměti;
typ video monitoru a video adaptéru;
přítomnost matematického koprocesoru;
dostupný software a typ operačního systému;
kompatibilita hardwaru a softwaru s jinými typy počítačů;
schopnost pracovat v počítačové síti;
schopnost pracovat v režimu multitaskingu;
spolehlivost;
cena;
rozměry a hmotnost.
Elektronické počítače (počítače), nebo, jak se jim nyní častěji říká, počítače, jsou jedním z nejúžasnějších výtvorů člověka. V užším smyslu jsou počítače zařízení, která provádějí různé typy výpočtů nebo tento proces usnadňují. Nejjednodušší zařízení sloužící podobným účelům se objevila ve starověku, před několika tisíci lety. Jak se lidská civilizace vyvíjela, pomalu se vyvíjela a neustále se zlepšovala. Teprve ve 40. letech našeho století však začal vznikat počítače moderní architektury a moderní logiky. Tato léta lze právem považovat za dobu zrodu moderních (samozřejmě elektronických) počítačů.
Aby byl počítač účinným a zároveň všestranným nástrojem, musí obsahovat následující struktury: centrální aritmeticko-logickou jednotku (ALU), centrální řídicí jednotku (CU), která „provádí“ operace, paměťové zařízení nebo paměť a vstupní/výstupní zařízení.
Von Neumann poznamenal, že tento systém musí pracovat s binárními čísly, být spíše elektronickým než mechanickým zařízením a provádět operace postupně, jednu po druhé.
Principy vytvořené von Neumannem se staly obecně uznávanými a tvořily základ jak sálových počítačů první generace, tak pozdějších mini- a mikropočítačů. A přestože se v poslední době aktivně hledají počítače postavené na jiných než klasických principech, většina počítačů je postavena podle principů definovaných Neumannem.
Architektura a struktura počítače
Při zvažování počítačových zařízení je běžné rozlišovat mezi jejich architekturou a strukturou. Počítačová architektura se nazývá jeho popis na nějaké obecné úrovni, včetně popisu možností uživatelského programování, příkazových systémů, adresovacích systémů, organizace paměti atd. Architektura určuje principy fungování, informačních propojení a propojení hlavních logických uzlů počítače: procesor, RAM, externí úložiště a periferní zařízení. Společná architektura různých počítačů zajišťuje jejich kompatibilitu z uživatelského hlediska. Struktura počítače je soubor jeho funkčních prvků a vazeb mezi nimi. Prvky mohou být nejrůznější zařízení – od hlavních logických uzlů počítače až po nejjednodušší obvody. Struktura počítače je graficky znázorněna ve formě blokových diagramů, pomocí kterých můžete popsat počítač v jakékoli úrovni detailu. Nejběžnější architektonická řešení jsou: Klasická architektura(von Neumannova architektura) - jedna aritmeticko-logická jednotka (ALU), kterou prochází datový tok, a jedno řídicí zařízení (CU), kterým prochází tok příkazů - program. Jedná se o jednoprocesorový počítač. Tento typ architektury zahrnuje i architekturu osobního počítače se společnou sběrnicí. Všechny funkční bloky jsou zde propojeny společnou sběrnicí, nazývanou také systémová sběrnice. Fyzicky dálnice je vícevodičové vedení se zásuvkami pro připojení elektronických obvodů. Sada hlavních vodičů je rozdělena do samostatných skupin: adresová sběrnice, datová sběrnice a řídicí sběrnice.
Ovladač- zařízení, které propojuje periferní zařízení nebo komunikační kanály s centrálním procesorem, čímž ulehčuje procesoru od přímého řízení provozu tohoto zařízení. Víceprocesorová architektura. Přítomnost několika procesorů v počítači znamená, že mnoho datových toků a mnoho příkazových toků může být organizováno paralelně. Tak lze paralelně provádět několik fragmentů jedné úlohy. Struktura takového stroje, který má společnou RAM a několik procesorů, je znázorněna na obrázku.
Architektura víceprocesorového počítače Vícestrojový výpočetní systém. Zde několik procesorů zahrnutých do výpočetního systému nemá společnou RAM, ale každý má svou vlastní (lokální). Každý počítač ve vícestrojovém systému má klasickou architekturu a takový systém se používá poměrně široce. Efekt použití takového výpočetního systému však lze dosáhnout pouze řešením problémů, které mají velmi zvláštní strukturu: musí být rozdělen do tolika volně spojených dílčích úkolů, kolik je počítačů v systému. Rychlostní výhoda víceprocesorových a vícestrojových výpočetních systémů oproti jednoprocesorovým je zřejmá. Architektura paralelního procesoru. Zde pracuje několik ALU pod kontrolou jedné řídicí jednotky. To znamená, že mnoho dat může být zpracováno jedním programem – tedy jedním proudem příkazů. Vysokého výkonu takové architektury lze dosáhnout pouze u úloh, ve kterých jsou stejné výpočetní operace prováděny současně na různých souborech dat stejného typu. Struktura takových počítačů je znázorněna na obrázku.
Architektura paralelního procesoru Moderní vozy často obsahují prvky různých typů architektonických řešení. Existují také architektonická řešení, která se radikálně liší od těch, která byla diskutována výše. Moderní osobní počítač se skládá z několika hlavních konstrukčních součástí:
|
Hlavní součástí každého počítačového systému je základní deska s hlavním procesorem a jeho podpůrnými čipy. Funkčně lze základní desku popsat různými způsoby. Někdy taková deska obsahuje celý obvod počítače (jednotlivá deska). Na rozdíl od jednodeskových počítačů má základní deska u počítačů se sběrnicí minimální konfigurační obvod, zbývající funkce jsou realizovány pomocí četných přídavných karet. Všechny komponenty jsou propojeny sběrnicí. Základní deska nemá grafický adaptér, některé typy pamětí nebo prostředky pro komunikaci s dalšími zařízeními. Tato zařízení (rozšiřující karty) se přidávají na základní desku připojením k rozšiřující sběrnici, která je součástí základní desky.
První základní deska byla vyvinuta společností IBM a byla představena v srpnu 1981 (PC-1). V roce 1983 se objevil počítač se zvětšenou základní deskou (PC-2). Maximum, které mohl PC-1 podporovat bez použití rozšiřujících karet, bylo 64 kB paměti. PC-2 už mělo 256K, ale nejdůležitější rozdíl byl v programování dvou desek. Základní deska PC-1 se neobešla bez podpory nastavení nejvýkonnějších rozšiřujících zařízení, jako je pevný disk a vylepšené grafické adaptéry. Základní deska je komplex různých zařízení, která podporují provoz systému jako celku. Povinnými atributy základní desky jsou základní procesor, RAM, systém BIOS, řadič klávesnice, rozšiřující konektory. Základní deska uvnitř počítače je hlavním montážním dílem, ke kterému jsou připevněny další komponenty.
Při běžném provozu základní desky na to nemyslí, dokud není potřeba počítač vylepšit. Obvykle chtějí nainstalovat rychlejší procesor, což vede k výměně základní desky. Například nemůžete vyměnit staré Pentium MMX za Pentium III bez nové základní desky. Podle vzhledu základní desky můžete určit, jaký druh procesoru, paměti a dalších zařízení jsou potřebné, které jsou vloženy do externích portů a zásuvek počítače. Podle velikosti lze základní desky obecně rozdělit do tří skupin. Dříve byly všechny základní desky 8,5/11 palců. V XT se rozměry zvětšily o 1 palec v AT se rozměry zvětšily ještě více. Často můžeme mluvit o „zelených“ deskách (zelená základní deska). Nyní se vyrábí pouze takové desky. Tyto základní desky umožňují implementovat několik úsporných režimů spotřeby energie (včetně takzvaného „spánku“, ve kterém je vypnuto napájení komponent počítače, které právě nefungují).
Americká agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) se zaměřila na snižování energetické spotřeby počítačových systémů. Zařízení splňující jeho (EPA) požadavky nesmí spotřebovávat v průměru více než 30 W (v klidovém režimu), nesmí používat toxické materiály a umožňovat 100% recyklaci. Protože moderní mikroprocesory používají napájecí napětí 3,3-4V a 5V je přiváděno na desku, na systém Frekvence procesoru, systémové sběrnice a periferních sběrnic Výkon různých počítačových komponent (procesor, RAM a periferní řadiče) se může výrazně lišit. Pro koordinaci výkonu jsou na základní desce instalovány speciální mikroobvody (čipové sady), včetně řadiče RAM (tzv. severní můstek) a řadiče periferních zařízení (jižní můstek).
Obr. 1. Schéma logiky základní desky K severnímu můstku je připojena sběrnice PCI (Peripheral Component Interconnect bus), která zajišťuje výměnu informací s řadiči periferních zařízení. Frekvence řadiče je menší než frekvence systémové sběrnice, například pokud je frekvence systémové sběrnice 100 MHz, pak je frekvence sběrnice PCI obvykle třikrát menší – 33 MHz. V rozšiřujících slotech základní desky jsou instalovány řadiče periferních zařízení (zvuková karta, síťová karta, SCSI řadič, interní modem). S rostoucím rozlišením monitoru a barevnou hloubkou rostou požadavky na rychlost sběrnice spojující grafickou kartu s procesorem a RAM. V současné době se pro připojení grafické karty obvykle používá speciální sběrnice AGP (Accelerated Graphic Port), která je připojena k severnímu můstku a má frekvenci několikanásobně vyšší než sběrnice PCI. Jižní můstek zajišťuje výměnu informací mezi severním můstkem a porty pro připojení periferních zařízení. Paměťová zařízení (pevné disky, CD-ROM, DVD-ROM) jsou připojena k jižnímu můstku prostřednictvím sběrnice UDMA (Ultra Direct Memory Access). Myš a externí modem jsou k jižnímu můstku připojeny pomocí sériových portů, které jeden po druhém přenášejí elektrické impulsy nesoucí informace ve strojovém kódu. Sériové porty jsou označeny jako COM1 a COM2 a Tiskárna je připojena k paralelnímu portu, který poskytuje vyšší rychlost přenosu informací než sériové porty, protože současně přenáší 8 elektrických impulsů nesoucích informace ve strojovém kódu. Paralelní port je označen jako LTP a je hardwarově implementován jako 25pinový konektor na zadním panelu systémové jednotky. Pro připojení skenerů a digitálních fotoaparátů se obvykle používá USB port (Universal Serial Bus), který zajišťuje vysokorychlostní připojení více periferních zařízení k počítači najednou. Klávesnice se obvykle připojuje pomocí portu PS/2. |
PRINCIPY STAVBY A POČÍTAČOVÉ ARCHITEKTURY.
1.1 Princip činnosti počítače.
počítač – soubor technických zařízení určených pro automatizované zpracování diskrétních zpráv podle požadovaného algoritmu.
Myšlenka automatizace procesu zpracování dat je zakotvena v operačním principu počítače. Na Obr. 1.1 ukazuje blokové schéma abstraktního počítače. Ukáže složení, pořadí a principy interakce hlavních funkčních částí počítače.
Obr 1.1 Blokové schéma počítače.
Každý počítač obsahuje následující hlavní zařízení:
Aritmetická logika (ALU);
Hlavní součásti softwaru jsou podrobně diskutovány v jiných kurzech a zde nejsou diskutovány. Několik poznámek k OS.
Operační systém budeme nazývat komplexem softwaru a hardwaru a nezbytnými informačními poli, které organizují výpočetní proces pro realizaci uživatelských úloh prostřednictvím optimálního plánování využití a správy všech počítačových zdrojů.
Toto je nejobecnější a nejúplnější definice OS. Umožňuje prezentovat počítač z pohledu uživatele jako virtuální víceúrovňový systém (obr. 1.6).
1 – uživatelský virtuální systém;
2 – externí rozšířený stroj;
3 – vnitřní rozšířený stroj.
a – vybavení;
b – základní funkce OS;
c – hlavní funkce OS;
d – procesní vrstva;
e – jazyk pro řízení úloh a algoritmické jazyky.
Poprvé navrhl Dextra v roce 1968. v práci „Struktura víceprogramových systémů“. Na základě reprezentace výpočetního systému v ve formě vnořených virtuálních strojů s hierarchickou kompatibilitou.
Nejnižší úrovní je fyzický stroj a je implementován v hardwaru pomocí mikroprogramových nebo obvodových principů řízení. Každá další úroveň poskytuje nové funkce prostřednictvím operačního systému a obecného softwaru. Na nejnižší úrovni jsou prostředky pro provádění mikrooperací. Prostředky a funkce řízení na každé následující úrovni jsou tvořeny prostředky a funkcemi úrovní nižších ve vztahu k uvažované úrovni. Každá úroveň je charakterizována délkou provádění kontroly a určitou šíří pokrytí spravovaných prostředků. Vyšší úrovně ovládání realizují komponenty OS, který je softwarovým pokračováním ovládacího zařízení a tvoří rozhraní mezi uživatelem a počítačem.
Některé moderní operační systémy jsou z hlediska úrovně svého vývoje natolik schopné automatizovat funkce operátora, že je lze právem zařadit mezi umělou inteligenci.
Praktická aplikace konceptu víceúrovňového virtuálního systému: zjednodušení a formalizace popisu procesu fungování letadla a jeho hlavních součástí.
S rozvojem výpočetní techniky a softwaru se za výpočetní systém začal považovat každý počítač, který je kombinací dvou koncepčně spojených částí: hardwaru a softwaru. Objevil se pojem „architektura počítače“, spojený s funkčností výpočetního systému, kterou musí uživatel znát, aby mohl systém efektivně využívat při řešení svých problémů.
Počítačová architektura je model, který stanoví principy organizace počítačového systému, složení, pořadí a interakci hlavních částí počítače, funkčnost, snadnost použití, cenu a spolehlivost.
Každý počítač, včetně PC, musí mít minimální sadu funkčních bloků, aby mohl plnit své funkce. Jedná se o blok pro provádění aritmetických a logických operací; blok pro ukládání informací (paměti) nebo paměťové zařízení; zařízení pro vkládání počátečních dat a výstup výsledků. Protože všechna tato zařízení musí synchronně provádět potřebné akce, musí být řízena. Proto je ve struktuře každého počítače také nutné mít ovládací zařízení.
Všechny uvedené bloky, s přihlédnutím ke skutečnosti, že v paměťovém zařízení jsou dvě úrovně (interní a externí), plně odpovídají složení klasické von Neumannovy struktury počítače, která byla základem počítačů již více než půl století (obr. 4.1).
Rýže. 4.1.
tučné šipky – přenos informací; tenké šipky – přenos řídicích signálů; ALU – blok pro provádění aritmetických a logických operací; Paměť – paměťové zařízení; УУ – ovládací zařízení; UVV – zařízení pro vstup informací; Bohužel – zařízení pro výstup informací
Struktura počítače určuje soubor funkčních prvků počítače a způsob navazování spojení mezi nimi. V moderních počítačích jsou zařízení pro provádění aritmetických a logických operací a řídicí zařízení spojeny do centrálního procesoru. Namísto omezené sady vstupně-výstupních zařízení dostupných v počítačích prvních generací mají moderní stroje velký arzenál zařízení (různé mechaniky na magnetických, optických a magneto-optických discích, skenery, klávesnice, myš, joystick, tiskárny, plotry , plotry). Hierarchie úložných zařízení je reprezentována ještě více úrovněmi.
Hardware (Hardware ) – soubor technických prostředků používaných v procesu obsluhy počítače a vzájemné interakce.
Strukturálně se hardware moderního počítače, včetně PC, skládá ze dvou hlavních částí: centrální a periferní. Centrální část obvykle obsahuje centrální procesor a hlavní paměť, protože na jejich základě je implementován princip řízení programu.
procesor zajišťuje implementaci postupů zpracování dat a softwarovou kontrolu tohoto procesu. Zahrnuje aritmeticko-logickou jednotku, řídicí zařízení a vlastní paměťová zařízení (registry, vyrovnávací paměť).
Aritmetická logická jednotka (ALU) – část procesoru, která zajišťuje provádění procedur konverze dat.
Ovládací zařízení (CU) – část zpracovatele, která zajišťuje řízení procesu zpracování dat.
Řadič vybere instrukce z hlavní paměti, interpretuje typ instrukce a spustí požadovaný ALU obvod.
Procesorová paměťová zařízení – zařízení, která poskytují úložiště dat.
Hlavní paměť Počítač obsahuje RAM a permanentní paměť.
RAM - zařízení, které poskytuje dočasné úložiště příkazů a dat během provádění programu.
Trvalá paměť – zařízení, které poskytuje trvalé úložiště a schopnost číst informace důležité pro provoz počítače.
Hlavní paměť a úložná zařízení procesoru odkazují vnitřní úložná zařízení. Interagují přímo s procesorem, mají vysoký výkon a relativně malou kapacitu.
Všechna ostatní počítačová zařízení patří do periferní části a jsou tzv externí nebo obvodový. Externí zařízení se dělí na vstupní/výstupní zařízení a externí úložná zařízení.
I/O zařízení poskytují vstup počátečních dat a výstup výsledků z centrálních počítačových zařízení.
Externí úložná zařízení (VZU) mají velkou kapacitu a relativně nízkou rychlost. Mezi ně patří magnetické diskové jednotky (MDD), magnetické páskové jednotky (MTD), optické disky (ODD) a flash paměťové jednotky.
Jeden počítač může používat jedno až několik stovek externích zařízení. Složení těchto zařízení je zpravidla variabilní a je určeno složením úloh řešených na konkrétním počítači. Proto je zvykem říkat o konfiguraci počítače , přičemž tímto pojmem rozumíme specifické složení svých zařízení s přihlédnutím k jejich vlastnostem.
Je akceptováno, že přenos informací z periferních zařízení do jádra PC se nazývá vstupní operace. Přenos informací z jádra PC do periferních zařízení se nazývá vytahovací operace.
Někdy se periferní zařízení dělí na periferie systémové, bez kterých počítač nemůže plně fungovat, a přídavná. Mezi systémové periferie patří klávesnice, monitor, pevný disk a tiskárna. Mezi další zařízení patří různá zařízení pro vstup a výstup informací, zařízení pro komunikaci s vnějším prostředím a pro zpracování multimediálních informací.
Struktura vysoce výkonných počítačů zahrnuje I/O kanály – sada zařízení, která zajišťují výměnu dat mezi centrálním procesorem, RAM a vstupně/výstupními zařízeními.
Kanály mohou pracovat paralelně s centrálním procesorem. Jejich hlavním účelem je odstranit z centrálního procesoru některé funkce řízení výměny dat s externími zařízeními.
Efektivitu používání počítače určuje nejen složení a vlastnosti jeho zařízení, ale také způsob, jakým organizují svou společnou práci. Připojení počítačových komponent se provádí pomocí rozhraní – soubor standardizovaného hardwaru a softwaru, který zajišťuje výměnu informací mezi zařízeními. Konstrukce rozhraní je založena na použití jednotných metod kódování dat a standardizaci spojovacích prvků. Přítomnost standardních rozhraní umožňuje sjednotit přenos informací mezi zařízeními bez ohledu na jejich vlastnosti.
Pro různé třídy počítačů se používají různé struktury. Vysoce výkonné počítače obvykle používají hierarchickou strukturu s několika úrovněmi rozhraní a vstupně-výstupních kanálů. Nejčastěji používanou strukturou v PC je systémová páteřní struktura tzv systémová sběrnice, což je systém funkčně kombinovaných vodičů, které zajišťují přenos dat, datové adresy a řídicí signály (obr. 4.2).
Volá se počet vodičů v systémové sběrnici určených pro přenos dat šířka autobusu. Šířka sběrnice určuje počet binárních bitů přenášených na sběrnici současně. Počet adresových vodičů určuje, kolik paměti RAM lze adresovat.
Hardwarová platforma - soubor technických prostředků, které určují operační prostředí konkrétních programů. Základem hardwarové platformy je kombinace systémové (základní desky) desky a typu použitého procesoru.
Rýže. 4.2.
CPU – centrální procesorová jednotka; RAM – paměť s náhodným přístupem; ROM – paměť pouze pro čtení; Ovladač – zařízení pro ovládání periferního zařízení
- Pojmenován po americkém vědci J. von Neumannovi (1903–1957), který v roce 1946 zdůvodnil složení základních zařízení a principy fungování počítače.
Téma 1.1: Teoretické základy ekonomické informatiky
Téma 1.2: Technické prostředky zpracování informací
Téma 1.3: Systémový software
Téma 1.4: Servisní software a základy algoritmizace
Úvod do ekonomické informatiky
1.2. Technické prostředky zpracování informací
1.2.2. Počítačová architektura
Architektura počítače zahrnuje jak strukturu, která odráží složení PC, tak softwarovou a matematickou podporu. Struktura počítače je soubor prvků a spojení mezi nimi. Základním principem stavby všech moderních počítačů je ovládání programu.
Základy doktríny počítačové architektury položil John von Neumann. Kombinace těchto principů dala vzniknout klasické (von Neumannově) počítačové architektuře.
Von Neumann nejen předložil základní principy logické struktury počítače, ale také navrhl jeho strukturu, jak je znázorněno na obrázku 1.
Rýže. 1.
Von Neumannova ustanovení:
- Počítač se skládá z několika hlavních zařízení (aritmeticko-logická jednotka, řídicí jednotka, paměť, externí paměť, vstupní a výstupní zařízení).
- Aritmeticko-logická jednotka - provádí logické a aritmetické operace nutné ke zpracování informací uložených v paměti.
- Řídicí zařízení – zajišťuje ovládání a monitorování všech počítačových zařízení (řídicí signály jsou označeny tečkovanými šipkami).
- Data uložená v úložném zařízení jsou v binární formě.
- Program, který spouští počítač, a data jsou uloženy na stejném úložném zařízení.
- Vstupní a výstupní zařízení slouží ke vstupu a výstupu informací.
Jeden z nejdůležitějších principů, princip uloženého programu, vyžaduje, aby byl program uložen v paměti stroje stejným způsobem, jakým jsou v ní uloženy původní informace.
Aritmeticko-logická jednotka a řídicí jednotka v moderních počítačích tvoří počítačový procesor. Procesor, který se skládá z jednoho nebo více velkých integrovaných obvodů, se nazývá mikroprocesor nebo zásobník mikroprocesorů.
Procesor je funkční část počítače, která provádí základní operace pro zpracování dat a řízení chodu dalších jednotek. Procesor je převodník informací přicházejících z paměti a externích zařízení.
Paměťová zařízení poskytují ukládání počátečních a přechodných dat, výsledků výpočtů a programů. Zahrnují: paměť s náhodným přístupem (RAM), extra paměť s náhodným přístupem (SRAM), paměť pouze pro čtení (ROM) a externí paměť (VRAM).
Operační paměti uchovávají informace, se kterými počítač v daném čase přímo pracuje (rezidentní část operačního systému, aplikační program, zpracovávaná data). RAM ukládá nejčastěji používaná data procesorem. Procesoru jsou přímo přístupné pouze informace uložené v SRAM a RAM.
Pro dlouhodobé ukládání velkého množství informací se používají externí paměťová zařízení (magnetické diskové jednotky, jako je pevný disk nebo pevný disk) s kapacitou mnohem větší než RAM, ale s výrazně pomalejším přístupem. Například operační systém (OS) je uložen na pevném disku, ale při spuštění počítače se rezidentní část operačního systému načte do paměti RAM a zůstane tam, dokud neskončí relace PC.
ROM (read-only memory) a EPROM (reprogrammable read-only memory) jsou navrženy tak, aby trvale ukládaly informace, které jsou tam zapsány při výrobě, například EPROM pro BIOS.
Například klávesnice slouží jako zařízení pro vkládání informací. Jako výstupní zařízení – displej, tiskárna atd.
V počítači postaveném podle von Neumannova schématu jsou instrukce postupně čteny z paměti a prováděny. Číslo (adresa) další paměťové buňky, ze které bude extrahován další příkaz programu, je indikováno speciálním zařízením - čítačem příkazů v řídicím zařízení.
