Architettura del computer e sue caratteristiche principali - astratto. Il concetto e i principali tipi di architettura del computer Caratteristiche caratteristiche dell'architettura dei computer moderni

La parola "architettura" nel suo senso originario è usata nella pianificazione urbana. Essendo una struttura abbastanza complessa, una città moderna è costituita da quartieri, piazze, strade, case, ecc., disposti in un certo modo.

Per navigare nella complessità di strade e piazze, in ogni città esiste un sistema di nomi storicamente stabilito, oltre a una certa numerazione delle case. La presenza di indirizzi generalmente accettati consente di determinare in modo inequivocabile la posizione di qualsiasi struttura e, se necessario, trovarla rapidamente. In molti casi, la disposizione delle strade e la loro denominazione è irregolare. Allo stesso tempo, accade che questa attività sia attentamente pensata ed è una continuazione della pianificazione generale della città, ad es. effettivamente parte della sua architettura. Un esempio classico è il noto sistema di strade reciprocamente perpendicolari (viali e strade) a New York City. Oltre che puramente pratico, l'architettura della città può anche avere un valore artistico (che di solito è più interessante per i visitatori). Ma questo aspetto del concetto di "architettura" è difficilmente trasferibile alla tecnologia informatica.

Usando l'analogia con l'urbanistica, è naturale intendere l'architettura dei computer come l'insieme delle loro caratteristiche di cui l'utente ha bisogno. Questi sono, prima di tutto, i principali dispositivi e blocchi di computer, nonché la struttura delle connessioni tra di loro. Se guardi, ad esempio, nel "Dizionario esplicativo dei sistemi informatici", vi leggeremo che il termine "architettura del computer" è usato per descrivere il principio di funzionamento, configurazione e interconnessione dei principali nodi logici dell'architettura del computer "".

Tuttavia, la descrizione della struttura interna di un computer non è fine a se stessa: dal punto di vista dell'architettura, interessano solo quelle connessioni e principi che sono i più generali, inerenti a molte implementazioni specifiche dei computer. Spesso parlano anche di famiglie di computer, ad es. gruppi di modelli compatibili tra loro. All'interno della stessa famiglia, i principi di base della progettazione e del funzionamento delle macchine sono gli stessi, sebbene i singoli modelli possano variare notevolmente in termini di prestazioni, costi e altri parametri. Un esempio lampante sono le varie modifiche dei computer DEC PDP (meglio conosciuti dai nostri utenti dalle controparti domestiche - la serie DVK), la famiglia di macchine MSX, che possiede il diffuso YAMAHA, così come i personal computer compatibili con IBM che hanno invaso il mondo .

È proprio quella cosa comune che è nella struttura di un computer che viene definita concetto di architettura. È importante notare che l'obiettivo di tale generalità è, alla fine, un desiderio perfettamente comprensibile: tutte le macchine della stessa famiglia, indipendentemente dal loro specifico dispositivo e produttore, dovrebbero essere in grado di eseguire lo stesso programma. Ciò porta inevitabilmente alla conclusione che dal punto di vista dell'architettura non tutte le informazioni sulla costruzione di un computer sono importanti, ma solo quelle che possono in qualche modo essere utilizzate nella programmazione e nel lavoro "utente" con un computer. Di seguito è riportato un elenco dei principi più generali della costruzione di computer che riguardano l'architettura:

Struttura della memoria del computer;

Modi per accedere alla memoria e ai dispositivi esterni;

Possibilità di modificare la configurazione del computer;

Sistema di comando;

formati di dati;

Organizzazione dell'interfaccia.

Riassumendo tutto quanto sopra, otteniamo la seguente definizione di architettura:

"L'architettura è i principi più generali della costruzione di un computer che implementa la gestione del programma del funzionamento e l'interazione delle sue principali unità funzionali".

2. ARCHITETTURA CLASSICA DEL COMPUTER II PRINCIPI DI VON NEJMANN

Le basi della teoria dell'architettura del computer furono poste dall'eccezionale matematico americano John von Neumann. Ha partecipato alla creazione del primo computer a valvole al mondo ENIAC nel 1944, quando il suo design era già stato scelto. Nel processo di lavoro, durante numerose discussioni con i suoi colleghi G. Goldstein e A. Berks, von Neumann ha espresso l'idea di un computer fondamentalmente nuovo. Nel 1946, gli scienziati delinearono i loro principi per la costruzione di computer nell'ormai classico articolo "Considerazione preliminare del progetto logico di un dispositivo di calcolo elettronico". Da allora è passato mezzo secolo, ma le disposizioni in esso contenute rimangono attuali.

In precedenza, tutti i computer memorizzavano i numeri elaborati in forma decimale. Gli autori hanno dimostrato in modo convincente i vantaggi del sistema binario per l'implementazione tecnica, la comodità e la facilità di eseguire operazioni aritmetiche e logiche in esso. In futuro, i computer hanno iniziato a elaborare tipi di informazioni non numeriche: testuali, grafici, sonori e altri, ma la codifica dei dati binari costituisce ancora la base informativa di qualsiasi computer moderno.

Un'altra idea veramente rivoluzionaria, la cui importanza difficilmente può essere sopravvalutata, è il principio del "programma memorizzato" di Neumann. Inizialmente, il programma è stato impostato installando i ponticelli su uno speciale pannello di permutazione. Questo è stato un compito molto laborioso: ad esempio, ci sono voluti diversi giorni per cambiare il programma della macchina ENIAC (mentre il calcolo vero e proprio non poteva durare più di pochi minuti - le lampade si sono guastate). Neumann fu il primo a indovinare che un programma poteva essere memorizzato anche come un insieme di zeri e uno, e nella stessa memoria dei numeri che elaborava. L'assenza di una differenza fondamentale tra il programma ei dati ha permesso al computer stesso di formare un programma per se stesso in base ai risultati dei calcoli.

Von Neumann non solo ha avanzato i principi fondamentali del dispositivo logico del computer, ma ne ha anche proposto la struttura, che è stata riprodotta durante le prime due generazioni del computer. Secondo Neumann, le unità principali sono l'unità di controllo (CU) e l'unità logica aritmetica (ALU) (di solito combinate in un'unità di elaborazione centrale), la memoria, la memoria esterna, i dispositivi di input e output. Lo schema del dispositivo di un tale computer è mostrato nella Figura 2.1. Le linee continue con le frecce indicano la direzione dei flussi di informazioni, le linee tratteggiate indicano i segnali di controllo dal processore al resto del computer

Figura 2.1 - Architettura di un computer costruito sui principi di Von Neumann

Il dispositivo di controllo e l'unità logica aritmetica nei computer moderni sono combinati in un'unica unità: il processore, che è un convertitore di informazioni provenienti dalla memoria e dispositivi esterni (questo include il recupero di comandi dalla memoria, la codifica e la decodifica, l'esecuzione di varie operazioni, tra cui l'aritmetica , coordinando il funzionamento dei nodi informatici). La memoria (memoria) memorizza informazioni (dati) e programmi. Il dispositivo di archiviazione dei computer moderni è "a più livelli" e include una memoria ad accesso casuale (RAM) che memorizza le informazioni con cui il computer sta lavorando direttamente in un determinato momento e dispositivi di archiviazione esterni (VSD) di capacità molto maggiore della RAM, ma con accesso notevolmente più lento. La classificazione dei dispositivi di memoria non termina con RAM e VZU: alcune funzioni sono eseguite sia da SRAM (memoria super rapida), sia da ROM (memoria di sola lettura) e da altre sottospecie di memoria del computer.

In un computer costruito secondo lo schema descritto, i comandi vengono letti in sequenza dalla memoria ed eseguiti. Il numero (indirizzo) della successiva cella di memoria da cui verrà recuperata la successiva istruzione del programma è indicato da un dispositivo speciale: il contatore di istruzioni nell'unità di controllo. La sua presenza è anche uno dei tratti caratteristici dell'architettura considerata.

Le basi dell'architettura dei dispositivi informatici sviluppate da von Neumann si sono rivelate così fondamentali da ricevere in letteratura il nome di "architettura di von Neumann". La stragrande maggioranza dei computer oggi sono macchine von Neumann. Le uniche eccezioni sono alcuni tipi di sistemi per il calcolo parallelo, in cui non esiste un contatore di programma, il concetto classico di variabile non è implementato e ci sono altre differenze fondamentali significative rispetto al modello classico (esempi sono i computer di flusso e riduzione).

INTRODUZIONE

Il livello di architettura è necessario per ogni specialista. L'architettura è i principi più generali della costruzione di computer che implementano il controllo software del funzionamento e dell'interazione delle principali unità funzionali. A questo livello non è richiesta la conoscenza delle soluzioni circuitali della moderna ingegneria radio e della microelettronica. Quest'ultimo generalmente va oltre l'informatica, è richiesto solo dagli sviluppatori di elementi fisici dei computer.

Il livello di architettura è piuttosto profondo, includerà problemi di gestione del funzionamento di un computer (programmazione) nel linguaggio delle istruzioni macchina (assembler). Questo metodo di controllo è molto più complicato che scrivere programmi in linguaggi di alto livello, eppure, senza capirlo, è impossibile comprendere il reale funzionamento di un computer.

Infine, questo capitolo fornisce una breve panoramica dei dispositivi esterni dei computer moderni - unità, dispositivi di input e output - nonché una descrizione elementare dei principi del loro lavoro, caratteristiche professionali.

L'oggetto di studio è la tecnologia informatica.

L'oggetto della ricerca è l'architettura del computer.

Lo scopo del lavoro è studiare l'architettura dei computer.

Per raggiungere questo obiettivo, è necessario risolvere i seguenti compiti:

definire il concetto di architettura del computer;

· studiare la letteratura educativa sull'argomento "Architettura del computer";

· studiare lo sviluppo della struttura interna del computer.

1. SUL CONCETTO DI ARCHITETTURA DEL COMPUTER

Struttura della memoria del computer;

Modi per accedere alla memoria e ai dispositivi esterni;

Possibilità di modificare la configurazione del computer;

Sistema di comando;

formati di dati;

Organizzazione dell'interfaccia.

Riassumendo tutto quanto sopra, otteniamo la seguente definizione di architettura:

"L'architettura è i principi più generali della costruzione di un computer che implementa la gestione del programma del funzionamento e l'interazione delle sue principali unità funzionali".

2. ARCHITETTURA CLASSICA DEL COMPUTER II PRINCIPI DI VON NEJMANN

Figura 2.1 - Architettura di un computer costruito sui principi di Von Neumann

Apparentemente, una deviazione significativa dall'architettura von Neumann si verificherà a seguito dello sviluppo dell'idea di macchine di quinta generazione, in cui l'elaborazione delle informazioni non si basa su calcoli, ma su conclusioni logiche.

3. MIGLIORAMENTO E SVILUPPO DELLA STRUTTURA INTERNA DEL COMPUTER

Nella sezione precedente è stata descritta la struttura classica del computer, corrispondente ai computer di prima e seconda generazione. Naturalmente, a seguito del rapido sviluppo della tecnologia informatica, tale struttura non poteva non subire alcuni progressivi cambiamenti.

Come notato sopra, l'emergere della terza generazione di computer è dovuto al passaggio dai transistor ai circuiti integrati. I progressi significativi nella miniaturizzazione dei circuiti elettronici non solo hanno contribuito alla riduzione delle dimensioni delle unità funzionali di base del computer, ma hanno anche creato i presupposti per un aumento significativo della velocità del processore. C'era una significativa contraddizione tra l'alta velocità di elaborazione delle informazioni all'interno della macchina e il lento funzionamento dei dispositivi di input-output, la maggior parte dei quali conteneva parti meccanicamente in movimento. Il processore che controllava il funzionamento dei dispositivi esterni dovrebbe rimanere inattivo per una parte significativa del tempo in attesa di informazioni "dal mondo esterno", il che ridurrebbe notevolmente l'efficienza dell'intero computer nel suo insieme. Per risolvere questo problema è nata la tendenza a liberare l'elaboratore centrale dalle funzioni di scambio ea trasferirle ad appositi circuiti elettronici per il controllo del funzionamento di dispositivi esterni. Tali circuiti avevano vari nomi: canali di scambio, processori input-output, processori periferici. Recentemente, il termine "controllore del dispositivo esterno" (o semplicemente controllore) è stato sempre più utilizzato.

La presenza di controllori intelligenti di dispositivi esterni è diventata un'importante caratteristica distintiva delle macchine di terza e quarta generazione.

Il controller può essere considerato come un processore specializzato che controlla il funzionamento del dispositivo esterno "a lui affidato" secondo speciali programmi di scambio incorporati. Tale processore ha il proprio sistema di istruzioni. Ad esempio, il controller di un'unità floppy disk (unità) può posizionare la testina sulla traccia desiderata sul disco, leggere o scrivere un settore, formattare una traccia e così via. I risultati di ogni operazione vengono registrati nei registri di memoria interna del controller e possono essere ulteriormente letti dal processore centrale.

Pertanto, la presenza di dispositivi esterni intelligenti può modificare in modo significativo l'ideologia dello scambio. Il processore centrale, se è necessario effettuare uno scambio, emette un compito per la sua attuazione al controllore. Ulteriori scambi di informazioni possono procedere sotto la guida del titolare del trattamento senza la partecipazione del responsabile del trattamento centrale. Quest'ultimo ha l'opportunità di "farsi gli affari propri", ad es. eseguire ulteriormente il programma (se non è possibile eseguire alcuna operazione su questa attività fino al completamento dello scambio, è possibile risolverne un'altra in questo momento).

Passiamo ora alla discussione del problema della struttura interna di un computer contenente controllori intelligenti, mostrato in fig. 3.1. Si può vedere dalla figura che un bus comune viene utilizzato per la comunicazione tra le singole unità funzionali di un computer (spesso chiamato backbone). Il pneumatico è composto da tre parti:

Il bus dati attraverso il quale vengono trasmesse le informazioni;

Il bus degli indirizzi, che determina dove vengono inviati i dati;

Un bus di controllo che regola lo scambio di informazioni.

Esistono modelli di computer che hanno bus dati e indirizzi combinati per risparmiare denaro. Per tali macchine, prima viene messo l'indirizzo sul bus, e poi dopo un po' i dati; per quale scopo il bus è attualmente utilizzato è determinato dai segnali sul bus di controllo.

Lo schema descritto è facile da reintegrare con nuovi dispositivi: questa proprietà è chiamata apertura dell'architettura. Per l'utente, un'architettura aperta significa la possibilità di scegliere liberamente la composizione dei dispositivi esterni per il proprio computer, ad es. configurarlo in base alla gamma di compiti da risolvere.

Sulla fig. 3.1 presenta una novità rispetto alla fig. 2.1 tipo di memoria - video - RAM (memoria video). Il suo aspetto è associato allo sviluppo di uno speciale dispositivo di output: un display. La parte principale del display è un tubo a raggi catodici, che visualizza le informazioni più o meno allo stesso modo in cui accade su una TV (alcuni modelli di computer domestici economici collegano semplicemente una normale TV). È ovvio che il display, non avendo parti meccanicamente in movimento, è un dispositivo di visualizzazione di informazioni "molto veloce". Pertanto, per i computer di terza e quarta generazione, è parte integrante (sebbene per la prima volta il display sia stato implementato su alcuni computer di seconda generazione, ad esempio su MIR-2, uno sviluppo domestico molto interessante sotto molti aspetti ).

Figura 3.1 - Architettura bus del computer

Per ottenere un'immagine stabile sullo schermo del monitor, deve essere memorizzata da qualche parte. Ecco a cosa serve la memoria video. Innanzitutto, il contenuto della memoria video è formato dal computer, quindi la scheda video visualizza l'immagine sullo schermo. La quantità di memoria video dipende in modo significativo dalla natura delle informazioni (testo o grafica) e dal numero di colori nell'immagine. Strutturalmente, può essere implementata come una RAM convenzionale o contenuta direttamente nella scheda video (motivo per cui è mostrata nella Figura 3.1 da una linea tratteggiata).

Soffermiamoci su un'altra caratteristica importante della struttura dei computer moderni. Poiché il processore ha ormai cessato di essere il centro del design, è diventato possibile implementare connessioni dirette tra dispositivi informatici. In pratica, molto spesso utilizzano il trasferimento di dati da dispositivi esterni alla RAM e viceversa. La modalità in cui un dispositivo esterno comunica direttamente con la RAM senza la partecipazione del processore centrale è chiamata accesso diretto alla memoria (DMA). Per implementarlo, è necessario un controller speciale. Sottolineiamo che la modalità PDP non esisteva nelle macchine di prima e seconda generazione. Pertanto, lo schema informatico a volte riscontrato, in cui i dati dei dispositivi di input entrano direttamente nella RAM, non corrisponde alla realtà: in assenza di un controller DMA, i dati vengono sempre prima inseriti nei registri interni del processore e solo successivamente in memoria .

Nel descrivere la struttura della dorsale, abbiamo semplicemente ipotizzato che tutti i dispositivi interagiscano attraverso un bus comune. Da un punto di vista architettonico, questo è abbastanza. Ricordiamo, tuttavia, che in pratica tale struttura viene utilizzata solo per computer con un numero limitato di dispositivi esterni. Con un aumento del flusso di informazioni tra i dispositivi informatici, l'unica autostrada è sovraccarica, il che rallenta notevolmente il computer. Pertanto, uno o più pneumatici aggiuntivi possono essere introdotti nel computer. Ad esempio, un bus può essere utilizzato per comunicare con la memoria, il secondo per comunicare con dispositivi esterni "veloci" e il terzo con dispositivi esterni "lenti". Si noti che è richiesto un bus dati RAM ad alta velocità in presenza della modalità DMA.

Concludendo la discussione sulle caratteristiche della struttura interna dei computer moderni, segnaliamo alcune tendenze caratteristiche nel suo sviluppo. Innanzitutto, l'insieme di dispositivi esterni è in continua espansione e miglioramento, il che porta, come descritto sopra, alla complicazione del sistema di comunicazione tra i nodi del computer. In secondo luogo, i computer cessano di essere uniprocessore. Oltre a quello centrale, un computer può disporre di processori specializzati in virgola mobile (i cosiddetti coprocessori matematici), processori video per velocizzare la visualizzazione delle informazioni sullo schermo del display, ecc. Lo sviluppo di metodi di calcolo parallelo dà vita anche a sistemi di calcolo di una struttura piuttosto complessa, in cui un'operazione viene eseguita da più processori contemporaneamente. In terzo luogo, il desiderio emergente di disporre di macchine ad alta velocità non solo per i calcoli, ma anche per l'analisi logica delle informazioni, potrebbe anche portare nei prossimi anni a una seria revisione dell'architettura tradizionale di von Neumann.

Un'altra caratteristica dello sviluppo dei computer moderni è l'aumento sempre più rapido del ruolo delle comunicazioni tra computer. Un numero crescente di computer è collegato in rete ed elabora insieme le informazioni disponibili.

Pertanto, la struttura interna della tecnologia informatica è stata costantemente migliorata e sarà migliorata.

Allo stesso tempo, al momento, la stragrande maggioranza dei computer esistenti, nonostante le differenze, è ancora costituita dagli stessi nodi e si basa sui principi generali dell'architettura von Neumann.

4. CICLO PRINCIPALE DI FUNZIONAMENTO DEL COMPUTER

Questa sezione discute brevemente la sequenza di azioni durante l'esecuzione di un comando in un computer. Si può sostenere che il ciclo operativo è generalmente lo stesso per tutte le macchine von Neumann.

Un componente importante dell'architettura di von Neumann è il contatore degli indirizzi delle istruzioni. Questo speciale registro interno del processore punta sempre alla posizione di memoria in cui è memorizzata l'istruzione successiva del programma. Quando si accende l'alimentazione o quando si preme il pulsante di ripristino, l'indirizzo iniziale del programma di inizializzazione per tutti i dispositivi e il bootloader situato nella ROM viene inserito nel contatore nell'hardware. L'ulteriore funzionamento del computer è determinato dal programma. Pertanto, l'intera attività di un computer è l'esecuzione continua di determinati programmi e questi programmi, a loro volta, possono caricare nuovi programmi, ecc.

Ogni programma è composto da singole istruzioni macchina. Ogni istruzione macchina è suddivisa in un numero di componenti elementari unificati, comunemente chiamati cicli. A seconda della complessità del comando, può essere implementato in un numero diverso di cicli. Ad esempio, il trasferimento di informazioni da un registro interno del processore a un altro richiede diversi cicli, mentre la moltiplicazione di due numeri interi richiede un ordine di grandezza in più. Un significativo allungamento delle istruzioni si verifica se i dati in elaborazione non sono ancora all'interno del processore e devono essere letti dalla RAM.

Durante l'esecuzione di ciascun comando, il computer esegue determinate azioni standard:

1) in base al contenuto del contatore dell'indirizzo dell'istruzione, viene letta l'istruzione successiva del programma (il suo codice è solitamente memorizzato in un registro speciale CU, chiamato registro dell'istruzione);

2) il contatore del programma viene modificato automaticamente in modo da contenere l'indirizzo del comando successivo (nel caso più semplice, a questo scopo, è sufficiente aggiungere una costante al valore corrente del contatore, che è determinato dalla lunghezza di il comando);

3) l'operazione letta nel registro di comando viene decifrata, i dati necessari vengono estratti e su di essi vengono eseguite le azioni richieste.

Quindi, in tutti i casi, ad eccezione di un comando di arresto o di un'interruzione, tutte le azioni descritte vengono ripetute ciclicamente.

Dopo che il comando stop è stato recuperato, il computer interrompe l'elaborazione del programma. L'uscita da questo stato richiede una richiesta da dispositivi esterni o un riavvio della macchina.

L'algoritmo di funzionamento del computer di base considerato consente passo dopo passo di eseguire un programma lineare memorizzato nella RAM. Se è necessario modificare l'ordine dei calcoli per implementare un fork o un loop, è sufficiente inserire l'indirizzo richiesto nel contatore del programma (è così che si verifica un salto condizionato o incondizionato).

I computer basati su microprocessori INTEL 80286 e successivi utilizzano il pipelining (a volte indicato come "prefetch") per accelerare il ciclo di esecuzione dell'istruzione principale. L'idea è che diversi interni del processore funzionino in parallelo: uno legge l'istruzione, un altro decifra l'operazione, un terzo calcola gli indirizzi degli operandi da utilizzare e così via. Di conseguenza, alla fine del comando, spesso si scopre che il successivo è già stato selezionato dalla RAM, decifrato e preparato per l'esecuzione. Si noti che se l'ordine naturale di esecuzione delle istruzioni nel programma viene violato (ad esempio, con un salto incondizionato), il precaricamento è vano e la pipeline viene cancellata. Il comando che segue la transizione viene eseguito più a lungo, poiché affinché la pipeline "funzioni a pieno regime", deve prima essere riempita. In altre parole, in un nastro trasportatore, il tempo di esecuzione di un programma può dipendere non solo dalle istruzioni che lo compongono, ma anche dalla loro posizione relativa.

5. SISTEMA DEI COMANDI INFORMATICI E MODALITÀ DI APPLICAZIONE DEI DATI

Fallo. I buffer degli indirizzi consentono infine di appianare l'irregolarità delle richieste alla memoria e quindi di aumentare l'efficienza del suo utilizzo. La terza caratteristica strutturale di BESM-6 è il metodo di utilizzo di una memoria superveloce e non indirizzabile di una piccola quantità dal programma, il cui scopo è salvare automaticamente l'accesso alla memoria ad accesso casuale principale ...

processori inclusi nei dispositivi periferici). In un sistema informatico multi-macchina, diversi processori inclusi nel sistema informatico non hanno una RAM comune, ma ognuno ne ha una propria (locale). Ogni computer in un sistema multimacchina ha un'architettura classica e tale sistema è ampiamente utilizzato. Tuttavia, l'effetto dell'utilizzo di un tale sistema informatico ...

Utente. Usando la tastiera, controllano il sistema informatico e con l'aiuto del monitor ricevono una chiamata da esso. Principio operativo. La tastiera appartiene ai mezzi standard di un personal computer. Le sue funzioni principali non hanno bisogno di essere supportate da speciali programmi di sistema (driver). Il software necessario per iniziare a lavorare con un computer è già disponibile nel chip ROM in ...

ARCHITETTURA DEL COMPUTER

Classificazione informatica

I blocchi principali del PC e il loro scopo

Interfaccia di sistema in macchina

Funzionalità PC

EVM (computer) - un insieme di mezzi tecnici progettati per l'elaborazione automatica delle informazioni nel processo di risoluzione di problemi computazionali e informativi.

Caratteristiche di classificazione:

secondo il principio di azione (ma differiscono l'uno dall'altro nel tipo di presentazione delle informazioni);

per fasi della creazione;

su appuntamento;

per dimensioni e funzionalità.

Architettura del computer - un insieme delle sue proprietà che sono essenziali per l'utente.

La struttura e la funzionalità del computer:

di base (fornire elaborazione e archiviazione di informazioni, scambio di informazioni con oggetti esterni);

aggiuntivo (fornire modalità operative efficienti, dialogo con l'utente, alta affidabilità).

Queste funzioni del computer sono implementate utilizzando i suoi componenti: hardware e software.

Personal computer - un computer desktop o portatile che soddisfi i requisiti di accessibilità generale e universalità di utilizzo.

Vantaggi del PC:

basso costo (alla portata di un singolo utente);

autonomia di funzionamento;

flessibilità dell'architettura (adattabilità a varie applicazioni nella gestione, nella scienza, nell'istruzione, nella vita quotidiana);

"cordialità" del sistema operativo e del software (la capacità di lavorare senza una formazione professionale speciale);

elevata affidabilità operativa.

Tipi di PC:

esecuzione desktop (desktop);

versione ginocchio (laptop).

versione blocco note (notebook).

tasca (Palm Top - palmare);

segretarie elettroniche (PDA - Personal Digital Assistant), hanno funzionalità più ampie come un normale PC e software integrato per la gestione delle informazioni personali (indirizzi, telefoni, orari delle riunioni, ecc.);

taccuini elettronici (organizzatore).

Configurazione di base (tipica) del PC:

unità di sistema (questo è il collegamento centrale di un sistema informatico);

monitor (progettato per visualizzare testo e informazioni grafiche);

tastiera (usata per inserire testo, numeri e comandi nel computer);

Classificazione dei blocchi di sistema:

orizzontale (desktop, piatto ed extra piatto (slim));

verticale (tower, full-size, mid-size, small-size).

Il blocco di sistema contiene i componenti più importanti:

scheda madre (sistema) (contiene il processore centrale, il chipset del microprocessore, il coprocessore matematico, il generatore di clock, i blocchi RAM e ROM, i bus, gli adattatori per tastiera, il disco rigido, l'unità floppy, il controller di interrupt, il timer, ecc.)

alimentatore;

unità disco;

connettori per dispositivi aggiuntivi;

schede di espansione con controller (adattatori) di vari dispositivi.

I dispositivi aggiuntivi esterni progettati per l'input, l'output e l'archiviazione a lungo termine dei dati sono chiamati periferici.

Struttura PC:

microprocessore (unità centrale progettata per controllare il funzionamento di tutti i blocchi della macchina e per eseguire operazioni aritmetiche e logiche sulle informazioni);

generatore di impulsi di clock (genera una sequenza di impulsi elettrici, la cui frequenza determina la frequenza di clock della macchina);

bus di sistema (il principale sistema di interfaccia per PC che fornisce l'interfacciamento e la comunicazione di tutti i suoi dispositivi tra loro; tecnicamente, il bus è costituito da un fascio di fili attraverso i quali vengono trasmessi i segnali. La giunzione del bus con il dispositivo è chiamata porta, a cui, per certezza, viene assegnato un numero chiamato indirizzo);

memoria principale (progettata per archiviare e scambiare rapidamente informazioni con altri blocchi della macchina);

memoria esterna (utilizzata per l'archiviazione a lungo termine delle informazioni, memorizza tutto il software del computer);

fonte di alimentazione (blocco, contenuto del sistema di alimentazione autonoma e di rete);

timer (orologio elettronico in macchina, collegato a una fonte di alimentazione autonoma, funziona quando è disconnesso dalla rete);

dispositivi esterni.

Il coordinamento tra singoli nodi e blocchi viene eseguito utilizzando dispositivi logici hardware di transizione - interfacce hardware.

Gli standard di interfaccia hardware sono chiamati protocolli.

Protocollo è un insieme di condizioni tecniche che devono essere fornite dagli sviluppatori di dispositivi per armonizzare con successo il loro lavoro con altri dispositivi.

Composizione del microprocessore:

dispositivo di controllo (genera e fornisce determinati segnali di controllo, genera indirizzi di celle di memoria e trasferisce questi indirizzi ai blocchi appropriati, riceve una sequenza di impulsi da un generatore di impulsi di clock);

unità aritmetico-logica (esegue operazioni aritmetiche e logiche su informazioni numeriche e simboliche);

memoria a microprocessore (serve per l'archiviazione, la registrazione e l'emissione di informazioni a breve termine, è costruita su registri e viene utilizzata per garantire un'elevata velocità della macchina; i registri sono celle di memoria ad alta velocità di varie lunghezze);

sistema di interfaccia a microprocessore (implementa l'interfacciamento e la comunicazione con altri dispositivi PC, include un'interfaccia interna, registri di memoria buffer, circuiti di controllo per porte di ingresso-uscita (consente di collegare un altro dispositivo PC) e un bus di sistema.

La frequenza del generatore di impulsi di clock è una delle caratteristiche principali del PC e determina in gran parte la velocità del suo funzionamento, perché. ogni operazione viene eseguita per un certo numero di cicli.

Colpo di macchina è l'intervallo di tempo tra impulsi successivi.

L'interfaccia del sistema intramacchina (un sistema di comunicazione e interfacciamento di nodi e blocchi di computer tra loro) è un insieme di linee di comunicazione elettrica (fili), circuiti di interfaccia con componenti di computer, protocolli (algoritmi) per la trasmissione e la conversione del segnale.

Opzioni per organizzare un'interfaccia intramacchina:

interfaccia multi-connessa (ogni unità PC è collegata ad altre unità tramite i suoi cavi locali, utilizzati nei più semplici PC domestici);

interfaccia single-link (tutte le unità PC sono collegate tra loro tramite un bus comune o di sistema).

Utilizzato come interfaccia di sistema autobus di sistema .

Come bus di sistema può essere utilizzato:

bus di estensione (bus generici che consentono di collegare un gran numero di dispositivi diversi);

autobus locali (specializzati nella manutenzione di un piccolo numero di dispositivi di una certa classe).

Il bus di sistema include:

code data bus (contiene fili e circuiti di interfaccia per la trasmissione parallela di tutte le cifre di un codice numerico, copia i dati dalla RAM ai registri del processore e viceversa);

address code bus (include fili e circuiti di interfaccia per la trasmissione parallela di tutti i bit del codice della cella di memoria principale o della porta I/O di un dispositivo esterno);

bus del codice di istruzioni (contiene fili e circuiti di interfaccia per la trasmissione di istruzioni a tutti i blocchi della macchina);

bus di alimentazione (dispone di cavi e circuiti di interfaccia per collegare le unità PC al sistema di alimentazione).

Il bus di sistema fornisce il trasferimento di informazioni:

Le porte di ingresso-uscita di tutti i blocchi macchina sono collegate direttamente tramite i corrispondenti connettori unificati o tramite controller (adattatori).

Lo scambio di informazioni tra dispositivi esterni e il bus di sistema avviene tramite codici ASCII.

Pneumatici di espansione:

pneumatico bus PC/XT – bus dati a 8 bit e bus indirizzi a 20 bit, frequenza di clock 4,77 MHz, dispone di 4 linee per interrupt hardware e 4 canali per l'accesso diretto alla memoria;

pneumatico bus AT/PC - bus dati a 16 bit e bus indirizzi a 24 bit, frequenza di clock fino a 8 MHz, utilizzabile da MP con frequenza di clock fino a 16 MHz, dispone di 7 linee per interrupt hardware e 4 canali per accesso diretto alla memoria;

pneumatico È UN (Industry Standard Architecture) - Bus dati a 16 bit e bus indirizzi a 24 bit, frequenza di clock 8 MHz, può essere utilizzato da MP con una frequenza di clock fino a 50 MHz, ha fino a 15 linee per interrupt hardware e fino a 11 canali per l'accesso diretto alla memoria , lo spazio degli indirizzi è stato aumentato a 16 MB, la larghezza di banda è teoricamente di 16 MB / s, praticamente - 4-5 MB / s;

pneumatico EISA (ISA estesa) - bus dati a 32 bit e bus indirizzi a 32 bit, clock 8-33 MHz, spazio indirizzi 4 GB, larghezza di banda fino a 33 MB/s, sistema di interrupt migliorato e configurazione automatica del sistema e gestione dei canali per la accesso alla memoria, è stato aumentato il numero di slot di espansione (teoricamente si possono collegare fino a 15 dispositivi, praticamente fino a 10), compatibile con il bus ISA, utilizzato in PC ad alta velocità, server di rete e workstation;

pneumatico MSA - Bus dati a 32 bit e bus indirizzi a 32,64 bit, frequenza di clock 10-20 MHz, throughput fino a 76 MB / s, può collegare fino a 15 dispositivi, è vicino al bus EISA, ma non è compatibile con ISA o EISA non è ampiamente utilizzato.

Autobus locali:

pneumatico VLB (VESA Local Bus) - Bus dati a 32,64 bit e bus indirizzi a 32 bit, frequenza di clock fino a 33 MHz, throughput teoricamente 132 MB / s, praticamente - 80 MB / s, un piccolo numero di dispositivi collegati - 4, può essere conflitti tra dispositivi connessi, strettamente dipendenti dalla frequenza di clock dell'MP;

pneumatico PCI (Peripheral Component Interconnect) - Bus dati a 32,64 bit e bus indirizzi a 32 bit, frequenza di clock fino a 33 MHz, throughput teoricamente 132,264 MB / s, praticamente - 50,100 MB / s, il numero di dispositivi collegati - 10, può eseguire molti funzioni del bus di espansione, attualmente utilizzato come bus per il collegamento di dispositivi esterni;

pneumatico FSB (Front Side Bus) - Bus dati a 32,64 bit e bus indirizzi a 32 bit, frequenza di clock fino a 133 MHz, larghezza di banda fino a 800 MB / s, utilizzato per comunicare il processore e la memoria, la frequenza di questo bus è una delle parametri del consumatore;

pneumatico AGP (Advanced Graphic Port) - Bus dati a 32,64 bit e bus indirizzi a 32 bit, frequenza di clock 33 o 66 MHz, larghezza di banda fino a 1066 MB / s, utilizzato per comunicare con la scheda video;

pneumatico USB (Universal Serial Bus) - throughput fino a 1,5 Mbps, consente di collegare fino a 256 dispositivi con un'interfaccia seriale, elimina virtualmente i conflitti tra apparecchiature diverse, consente di collegare e scollegare dispositivi in "modalità a caldo" e consente di combinare diversi computer e la rete locale più semplice senza l'uso di apparecchiature e software speciali.

L'uso dei bus VLB e PCI in un PC è possibile con una scheda madre appropriata.

Vengono prodotte schede madri con struttura multi-bus VIP (con lettere iniziali VLB, ISA, PCI).

RAM (RAM - Random Access Memory) è un array di celle cristalline in grado di immagazzinare dati.

Dal punto di vista del principio fisico di azione, ci sono:

memoria dinamica (DRAM) - le celle possono essere rappresentate come microcondensatori in grado di accumulare carica sulle loro piastre. I microcircuiti sono utilizzati come sistema operativo principale di un computer. Questo è il tipo di memoria più comune ed economicamente disponibile. Lo svantaggio è che la rigenerazione (ricarica) delle celle RAM è costantemente richiesta, il che provoca un consumo improduttivo del sistema informatico.

memoria statistica (SRAM) - le celle possono essere rappresentate come microelementi (flip-flop) costituiti da diversi transistor. Il trigger non memorizza la carica, ma lo stato (acceso/spento), quindi questo tipo di memoria fornisce prestazioni elevate. I chip di questa memoria vengono utilizzati come memoria ausiliaria (memoria cache) progettata per ottimizzare le prestazioni del computer.

La memoria principale contiene:

memoria di sola lettura (la ROM viene utilizzata per memorizzare programmi immutabili e informazioni di riferimento, consente di leggere rapidamente solo le informazioni in essa memorizzate);

memoria ad accesso casuale (la RAM è progettata per la registrazione, l'archiviazione e la lettura rapide delle informazioni che partecipano al processo al momento attuale, il vantaggio è la velocità e la capacità di accedere a ciascuna cella di memoria separatamente, lo svantaggio è la volatilità).

Quando il computer è acceso, non c'è nulla nella sua RAM (programmi, comandi). Pertanto, subito dopo l'accensione, l'indirizzo iniziale viene impostato sul bus indirizzi del processore. Ciò accade nell'hardware, senza la partecipazione di programmi. Il processore va all'indirizzo specificato per il suo primo comando e inizia a lavorare sui programmi.

Questo indirizzo di origine non può puntare all'OP, poiché non contiene ancora nulla. Indica ROM. Il chip ROM è in grado di memorizzare informazioni per lungo tempo anche quando il computer è spento.

I programmi che si trovano nella ROM sono chiamati "cablati": vengono scritti lì nella fase di produzione del microcircuito.

Un insieme di programmi in ROM forma un sistema di input-output di base ( BIO – Sistema di input/output di base).

Lo scopo principale dei programmi in questo pacchetto:

controllare la composizione e le prestazioni del sistema informatico;

fornire interazione con la tastiera, il monitor, il disco rigido e l'unità floppy;

fornire la possibilità di monitorare i messaggi diagnostici sullo schermo che accompagnano l'avvio del computer,

fornire, se necessario, la possibilità di intervenire nel processo di lancio utilizzando la tastiera.

La memoria esterna contiene vari tipi di dispositivi di archiviazione, in particolare dischi rigidi (HDD) e dischi magnetici floppy disk (FPHD).

Il loro scopo è l'archiviazione di grandi quantità di informazioni, la registrazione e l'emissione di informazioni memorizzate su richiesta nella RAM.

Differiscono strutturalmente, nella quantità di informazioni memorizzate e nel tempo di ricerca, registrazione e lettura delle informazioni.

Dischi magnetici - supporti di memorizzazione della macchina.

Le informazioni sull'MD vengono registrate e lette da testine magnetiche lungo cerchi concentrici - tracce (tracce).

Il numero di tracce su un MD e la loro capacità informativa dipendono dal tipo di MD, dal design dell'unità MD, dalla qualità delle testine magnetiche e dal rivestimento magnetico.

Ogni traccia MD è divisa in settori di 128, 256, 512 o 1024 byte.

Lo scambio di dati tra NMD e OP viene effettuato in sequenza da un numero intero di settori.

grappolo - l'unità minima di informazione sul disco, costituita da uno o più settori contigui della traccia.

Durante la scrittura e la lettura delle informazioni, l'MD ruota attorno al proprio asse e il meccanismo di controllo della testina magnetica lo porta sulla traccia selezionata per la scrittura o la lettura delle informazioni.

File – un'area denominata di memoria esterna allocata per la memorizzazione di un array di dati.

File – una sequenza di un numero arbitrario di byte con un nome proprio univoco.

Il nome del file può contenere dati di indirizzo, informazioni sul tipo di dati in esso contenuti. L'archiviazione dei file è organizzata in una struttura gerarchica chiamata struttura dei file.

Il nome completo del file è il nome proprio del file insieme al suo percorso.

<имя носителя \ <имя каталога-1 \...\ <имя каталога-N \ <собственное имя файла

I dati sui dischi sono archiviati in file. Al file viene allocato un campo di memoria che è un multiplo di un certo numero di cluster. I cluster dello stesso file possono trovarsi in qualsiasi spazio libero e non sono necessariamente contigui.

Vengono chiamati i file sparsi sul disco frammentato .

Formattare un dischetto – creazione di una struttura per la registrazione di informazioni sulla sua superficie: marcatura di tracce, settori, marcatori di registrazione e altre informazioni di servizio.

Tenere sotto controllo - un dispositivo progettato per visualizzare informazioni che il computer trasmette all'utente.

Le dimensioni dello schermo del monitor sono misurate diagonalmente in pollici.

È condizionatamente possibile distinguere i gruppi:

monitor a tubo catodico (L'immagine è formata da un fascio di elettroni che “accende” i punti di un fosforo colorato che ricopre dall'interno la superficie dello schermo. Ogni pixel dell'immagine è costituito da tre punti di fosforo colorati: rosso, verde e blu. Il flusso di elettroni utilizzato per formare un'immagine sullo schermo di un monitor a raggi catodici, abbastanza forte, e non tutto viene spento dal fosforo e dal rivestimento protettivo dello schermo. Inoltre, vengono utilizzati forti campi magnetici per controllare i raggi. Tutti ciò porta al fatto che i monitor a fascio catodico, sebbene in misura ridotta, sono fonti di radiazioni nocive);

monitor a cristalli liquidi (lo strato di lavoro dei monitor a cristalli liquidi è costituito da molti piccoli cristalli liquidi che possono cambiare colore e trasparenza sotto l'influenza di piccole tensioni loro applicate. Tali monitor non si irradiano);

monitor multimediali (monitor elettronici ea cristalli liquidi che possono svolgere funzioni aggiuntive: riprodurre e percepire il suono utilizzando gli altoparlanti e il microfono integrati e persino percepire l'immagine utilizzando la videocamera incorporata).

Il display può funzionare:

in modalità testo (lo schermo del display è diviso in 25 righe di 80 caratteri per riga. Questa modalità viene utilizzata per visualizzare caratteri predefiniti: lettere latine grandi e minuscole, lettere dell'alfabeto russo, numeri e altri vari caratteri);

in modalità grafica (l'immagine viene visualizzata sullo schermo del display per punti, (pixel). In questa modalità, di norma, vengono creati disegni e grafici; quando si emettono informazioni di testo in questa modalità, le prestazioni saranno inferiori, perché ogni carattere deve tracciato punto per punto).

Risoluzione - il parametro principale che caratterizza la qualità dell'immagine grafica sullo schermo del display è determinato dal numero di punti verticali e orizzontali.

Punto (pixel) - un'area minima dello schermo in cui avviene la miscelazione di raggi rossi, blu e verdi, la cui intensità determina il colore in un dato punto.

Per display VGA 640x480 si intende un display di tipo VGA con 640 punti orizzontali e 480 punti verticali.I buoni monitor hanno una risoluzione di 1280x1024 o superiore.

Inoltre, ogni display è caratterizzato dal numero di colori riproducibili, che può variare da 2 (bianco e nero) a 256 o più (16 milioni di colori - display Super VGA). Migliore è il display, più colori può riprodurre.

tastiera del computer - un dispositivo per l'inserimento di comandi e testo.

Gruppi chiave per scopo:

blocco alfabetico (contengono tasti per l'inserimento di caratteri di testo. La prima riga dall'alto è costituita da tasti con numeri, sopra i quali vengono visualizzati caratteri speciali. A seconda della pressione di tasti speciali, è possibile digitare numeri o simboli. Per inserire caratteri maiuscoli e altri caratteri situati su le maiuscole della tastiera, utilizzare il tasto "shift");

tasti funzione F1, …, F12 (situato nella parte superiore della tastiera e progettato per inserire rapidamente comandi ripetuti con un tasto in vari programmi. Ad esempio, il tasto F10 viene spesso utilizzato per uscire dai programmi e il tasto F1 viene utilizzato per richiamare aiuto o suggerimenti);

tasti cursore (destinato a spostarsi attraverso i comandi di testo o di menu, situato nella parte inferiore della tastiera, a destra del blocco alfabetico. Il cursore di testo è un carattere speciale che indica il punto nella riga in cui verrà inserito il carattere successivo);

blocco digitale (quando viene premuto il tasto "NumLock", la luce corrispondente si accende e puoi usare questo blocco per inserire numeri. Se la luce è spenta, usando i tasti del blocco digitale puoi controllare il movimento del cursore del testo) ;

chiavi di servizio

Ctrl" e "Alt" di solito agiscono solo se premuti contemporaneamente ad altri tasti e aumentano il numero di comandi eseguiti utilizzando i tasti funzione.

Esc aiuta a cancellare qualsiasi comando.

"Blocco maiuscole" serve a fissare la modalità delle lettere maiuscole. Quando viene premuto, l'indicatore in alto a destra della tastiera si illumina. Il passaggio della tastiera dalla modalità di immissione delle lettere russe alla modalità di immissione dei caratteri latini viene eseguito utilizzando tasti appositamente assegnati.

"Accedere" (input) (destinato a spostare il cursore all'inizio della riga successiva, utilizzato anche per immettere comandi nel sistema operativo).

Indietro Spazio (mostrato come una freccia sinistra) consente di spostare il cursore di una posizione a sinistra e di cancellare il carattere in quella posizione.

"Eliminare" (delete) viene utilizzato per eliminare il carattere su cui si trova il cursore. In questo caso, il cursore stesso rimane nella stessa posizione e tutti i caratteri a destra del cursore vengono spostati di una posizione a sinistra.

"Inserire" (insert) viene utilizzato per passare dalla modalità di inserimento alla modalità di sostituzione e viceversa. In modalità di inserimento, i caratteri digitati vengono visualizzati nella posizione del cursore e la parte della riga a destra del cursore si sposta di una posizione a destra ogni volta che si preme il tasto. Nella modalità di sostituzione, il testo situato a destra del cursore non viene spostato e i caratteri inseriti vengono visualizzati al posto di quelli vecchi, sovrascrivendoli.

PagSu, PagGiù » vengono utilizzati rispettivamente per scorrere le pagine su e giù per lo schermo.

"Casa" e "Fine" sono progettati per spostare il cursore rispettivamente all'inizio e alla fine delle righe.

Scheda serve a spostare il cursore di alcune () posizioni a destra, solitamente 4 o 8.

"Stampa schermo" serve a salvare lo stato attuale dello schermo in un'apposita area dell'OP, chiamata clipboard.

Blocco scorrimento cambia la modalità operativa in alcuni programmi (di solito obsoleti).

Pausa/Pausa sospende/interrompe il processo.

Topo - un dispositivo di controllo di tipo manipolatore progettato per controllare i programmi per computer.

Il movimento del mouse su una superficie piana è sincronizzato con il movimento di un oggetto grafico (puntatore del mouse) sullo schermo del monitor.

Ci sono due o tre pulsanti di controllo sul corpo del mouse. I manipolatori a tre pulsanti di solito usano solo i pulsanti esterni e il pulsante centrale viene utilizzato solo per lavorare con alcuni tipi di programmi. A volte il pulsante centrale è realizzato sotto forma di una ruota.

Caratteristiche funzionali del computer:

velocità, prestazioni, frequenza di clock;

profondità di bit dei bus di codice della macchina e dell'interfaccia;

tipi di sistema e interfacce locali;

capacità RAM;

capacità di archiviazione su dischi magnetici rigidi (disco rigido);

tipo e capacità delle unità floppy disk;

tipologie e capacità della memoria cache;

tipo di monitor video e adattatore video;

la presenza di un coprocessore matematico;

software disponibile e tipo di sistema operativo;

compatibilità hardware e software con altri tipi di computer;

la capacità di lavorare in una rete di computer;

la capacità di lavorare in modalità multitasking;

affidabilità;

prezzo;

dimensioni e peso.

Dalla metà degli anni '60, l'approccio alla creazione di computer è cambiato in modo significativo. Invece dello sviluppo indipendente dell'hardware e di alcuni strumenti software, è stato progettato un sistema costituito da un insieme di hardware E software (software) fondi. Allo stesso tempo, è emerso il concetto della loro interazione. Così è nato un concetto fondamentalmente nuovo: l'architettura del computer.

Sotto architettura del computer è inteso come un insieme di principi generali per l'organizzazione dell'hardware e del software e delle loro caratteristiche, che determina la funzionalità di un computer nella risoluzione delle corrispondenti classi di problemi.

L'architettura del computer copre una vasta gamma di problemi associati alla costruzione di un complesso di hardware e software e tenendo conto di molti fattori. Tra questi fattori, i più importanti sono: costo, ambito, funzionalità, facilità d'uso e uno dei componenti principali dell'architettura è l'hardware. I componenti principali dell'architettura del computer possono essere rappresentati sotto forma di un diagramma mostrato in Fig. 1.2.

Riso. 1.2. I componenti principali dell'architettura del computer

L'architettura di una struttura informatica dovrebbe essere distinta dalla sua struttura. La struttura di uno strumento informatico definisce la sua composizione specifica a un certo livello di dettaglio (dispositivi, blocchi, nodi, ecc.) e descrive le connessioni all'interno dello strumento nella loro interezza. L'architettura definisce le regole per l'interazione dei componenti dello strumento informatico, la cui descrizione è effettuata nella misura necessaria a formare le regole per la loro interazione. Regola non tutte le connessioni, ma quelle più importanti, che dovrebbero essere conosciute per un uso più competente di questo strumento.

Quindi, all'utente del computer non importa su quali elementi sono realizzati i circuiti elettronici, i comandi sono implementati nel circuito o nel software, ecc. Un'altra cosa è importante: in che modo determinate caratteristiche strutturali del computer sono correlate alle capacità fornite all'utente, quali alternative vengono implementati in fase di creazione della macchina e secondo quali criteri sono state prese le decisioni su come sono interconnesse le caratteristiche dei singoli dispositivi che compongono il computer e quale effetto hanno sulle caratteristiche complessive della macchina. In altre parole, l'architettura del computer riflette davvero la gamma di problemi legati alla progettazione e alla costruzione complessiva dei computer e del loro software.

Solo 100 anni dopo, sulla base dei dispositivi elettronici apparsi, questa idea fu sviluppata dal matematico americano John von Neumann. La costruzione della stragrande maggioranza dei computer si basa sui seguenti principi generali, da lui formulati nel 1945.

Innanzitutto, il computer deve disporre dei seguenti dispositivi:

Aritmetico-logico dispositivo, eseguire operazioni aritmetiche e logiche;

Dispositivo di controllo , che organizza il processo di esecuzione del programma;

Dispositivo di memoria , O memoria per memorizzare programmi e dati;

Dispositivi esterni per le informazioni di ingresso-uscita.

I computer si basano sui seguenti principi:

Il principio della codifica binaria . Secondo questo principio, tutte le informazioni che entrano nel computer sono codificate utilizzando segnali binari.

Principio del controllo del programma . Ne consegue che il programma è costituito da un insieme di istruzioni che vengono eseguite automaticamente dal processore una dopo l'altra in una determinata sequenza.

Il principio di omogeneità della memoria . Programmi e dati sono memorizzati nella stessa memoria. Pertanto, il computer non distingue ciò che è memorizzato in una determinata cella di memoria: un numero, un testo o un comando. Puoi eseguire le stesse azioni sui comandi come sui dati.

Principio di mira . Strutturalmente, la memoria principale è costituita da celle numerate; qualsiasi cella è disponibile per il processore in qualsiasi momento.

Le macchine costruite su questi principi sono chiamate macchine Von Neumann.

Tipi di architetture informatiche (aperta, chiusa, Harvard).

Architettura del computer: una struttura concettuale di un computer che determina l'elaborazione delle informazioni e include metodi per convertire le informazioni in dati e i principi di interazione tra hardware e software

Architetture chiuse

Un computer realizzato secondo questa architettura non ha la possibilità di collegare dispositivi aggiuntivi non forniti dallo sviluppatore.

Un diagramma ingrandito di tale architettura di computer è mostrato in Fig. 1. La RAM memorizza comandi e dati di programmi eseguibili. Il canale consente il collegamento di un certo numero di dispositivi esterni. Il dispositivo di controllo garantisce l'esecuzione dei comandi del programma e controlla tutti i nodi del sistema.

Riso. 1. Architettura del computer chiusa

I computer di questa architettura sono efficaci nella risoluzione di problemi puramente computazionali. Sono poco adatti per l'implementazione di tecnologie informatiche che richiedono la connessione di dispositivi esterni aggiuntivi e un'elevata velocità di scambio di informazioni con essi.

Sistemi informatici ad architettura aperta

Questa architettura consente di collegare liberamente qualsiasi dispositivo periferico, che fornisce una connessione gratuita al computer di qualsiasi numero di sensori e attuatori. I dispositivi sono stati collegati al bus secondo lo standard del bus. L'architettura di un calcolatore di tipo aperto basata sull'utilizzo di un bus comune è mostrata in fig. 2.

Riso. 2. Architettura del computer di tipo aperto

Il controllo generale dell'intero sistema viene effettuato dal processore centrale. Gestisce il bus condiviso, assegnando tempo ad altri dispositivi per lo scambio di informazioni. Il dispositivo di archiviazione memorizza programmi e dati eseguibili e viene abbinato dai suoi livelli di segnale ai livelli di segnale del bus stesso. I dispositivi esterni i cui livelli di segnale differiscono dai livelli di segnale del bus sono collegati ad esso tramite un dispositivo speciale: un controller. Il controller coordina i segnali del dispositivo con i segnali del bus e controlla il dispositivo in base ai comandi ricevuti dal processore centrale. Il processore dispone di linee di controllo speciali, il cui segnale determina se il processore sta accedendo a una cella di memoria oa una porta I / O di un controller di dispositivo esterno.

Nonostante i vantaggi forniti dall'architettura a bus comune, essa presenta anche un grave inconveniente, divenuto sempre più evidente con l'aumento delle prestazioni dei dispositivi esterni e l'aumento dei flussi di scambio di informazioni tra di essi. Dispositivi con volumi e tassi di cambio diversi sono collegati al bus comune, e quindi i dispositivi "lenti" hanno ritardato il lavoro di quelli "veloci". Un ulteriore incremento delle prestazioni del computer è stato riscontrato nell'introduzione di un ulteriore bus locale al quale sono stati collegati dispositivi "veloci". L'architettura di un computer con bus condivisi e locali è mostrata in fig. 3.

Riso. 3. Architettura del computer con bus condiviso e locale

Il controller del bus analizza gli indirizzi di porta inviati dal processore e li passa al controller connesso al bus pubblico o locale.

Strutturalmente, il controller di ciascun dispositivo è posizionato su una scheda comune con un processore centrale e un dispositivo di archiviazione o, se il dispositivo non è incluso di serie in un computer, su una scheda speciale inserita in connettori speciali su una scheda comune - slot di espansione . L'ulteriore sviluppo della microelettronica ha permesso di posizionare diverse unità funzionali di un computer e controller di dispositivi standard in un chip VLSI. Ciò ha ridotto il numero di microcircuiti su una scheda comune e ha permesso di introdurre due bus locali aggiuntivi per il collegamento di un dispositivo di memorizzazione e di un dispositivo di visualizzazione, che hanno il maggior numero di scambi con il processore centrale e tra loro.

Il controller centrale svolge il ruolo di un interruttore che distribuisce i flussi di informazioni tra il processore, la memoria, il dispositivo di visualizzazione e altri nodi del computer.

Un controller funzionale è un VLSI che contiene controller per il collegamento di dispositivi esterni standard come tastiera, mouse, stampante, modem, ecc. Spesso, questo controller include un dispositivo come una scheda audio che consente di ottenere un suono di alta qualità da altoparlanti esterni durante l'ascolto di file musicali e vocali.

Architettura di Harvard

L'architettura di Harvard è stata sviluppata da Howard Aiken alla fine degli anni '30 presso l'Università di Harvard con l'obiettivo di accelerare le operazioni di elaborazione e ottimizzare le prestazioni della memoria.

Le operazioni tipiche (addizione e moltiplicazione) richiedono diverse azioni da qualsiasi dispositivo informatico: recuperare due operandi, selezionare un'istruzione ed eseguirla e infine memorizzare il risultato. Lo schema corrispondente per l'implementazione dell'accesso alla memoria presenta un ovvio inconveniente: il costo elevato. Quando si separano i canali di trasmissione degli indirizzi e dei dati su un chip del processore, quest'ultimo deve avere il doppio dei pin. Il modo per risolvere questo problema era l'idea di utilizzare un bus dati comune e un bus indirizzi per tutti i dati esterni, e all'interno del processore di utilizzare un bus dati, un bus di comando e due bus indirizzi. Questo concetto divenne noto come l'architettura di Harvard modificata.

Spesso è necessario selezionare tre componenti: due operandi e un'istruzione (negli algoritmi di elaborazione del segnale digitale questo è il compito più comune nei filtri FFT e FIR, IIR). Ecco a cosa serve la cache. In esso può essere memorizzata un'istruzione: entrambi i bus rimangono liberi e diventa possibile trasferire due operandi contemporaneamente. L'uso della memoria cache insieme ai bus condivisi è chiamato "Super Harvard Architecture" ("SHARC"), un'architettura Harvard estesa.

Un esempio sono i processori "Analog Devices": ADSP-21xx - Harvard Architecture modificata, ADSP-21xxx(SHARC) - Harvard Architecture estesa.

Struttura il computer è un insieme dei suoi elementi funzionali e delle connessioni tra di essi. Gli elementi possono essere una varietà di dispositivi, dai principali nodi logici di un computer ai circuiti più semplici. La struttura di un computer è rappresentata graficamente sotto forma di diagrammi a blocchi, che possono essere utilizzati per descrivere il computer a qualsiasi livello di dettaglio.

architettura un computer è considerato la sua rappresentazione a un livello generale, compresa una descrizione delle capacità di programmazione dell'utente, dei sistemi di comando, dei sistemi di indirizzamento, dell'organizzazione della memoria, ecc. L'architettura determina i principi di funzionamento, i collegamenti di informazioni e l'interconnessione dei principali nodi logici di un computer: processore, memoria ad accesso casuale (RAM, OP), memoria esterna e dispositivi periferici. L'architettura comune di diversi computer garantisce la loro compatibilità dal punto di vista dell'utente.

Principi di Von Neumann

L'architettura della maggior parte dei computer si basa sui seguenti principi generali formulati nel 1945 dallo scienziato americano John von Neumann in un rapporto sul computer EEUAS:

il principio del controllo del programma. Ne consegue che il programma è costituito da un insieme di istruzioni che vengono eseguite automaticamente dal processore una dopo l'altra in una determinata sequenza. Un programma viene recuperato dalla memoria utilizzando contatore di programma(Shak). Questo registro del processore aumenta in sequenza l'indirizzo dell'istruzione successiva memorizzata in esso. Se, dopo aver eseguito un comando, non si deve passare a quello successivo, ma a un altro, si usano i comandi salti condizionati o incondizionati, che entrano nel contatore del programma il numero della cella di memoria contenente l'istruzione successiva;
principio di omogeneità della memoria - programmi e dati vengono memorizzati nella stessa memoria. Pertanto, il computer non distingue tra ciò che è memorizzato in una data cella di memoria: un numero, un testo o un comando. Puoi eseguire le stesse azioni sui comandi come sui dati. Ad esempio, è possibile elaborare anche un programma in corso di esecuzione, il che consente di impostare le regole per ottenere alcune sue parti nel programma stesso (è così che è organizzata l'esecuzione di cicli e sottoprogrammi nel programma);
principio di mira. Strutturalmente, la memoria principale è costituita da celle rinumerate; qualsiasi cella è disponibile per il processore in qualsiasi momento. È quindi possibile assegnare nomi alle aree di memoria in modo che i valori in esse memorizzati possano essere successivamente consultati o modificati durante l'esecuzione dei programmi utilizzando i nomi assegnati.

I computer costruiti su questi principi sono del tipo von Neumann. Esistono altre classi di computer che sono fondamentalmente diverse da loro: quelli non von Neumann.

Ad esempio, i computer associativi potrebbero non seguire il principio del controllo del programma, poiché ogni istruzione qui contiene l'indirizzo della successiva (cioè possono funzionare senza contatore di programma indicando il comando del programma in esecuzione).

Dopo più di 60 anni, la maggior parte dei computer ha ancora una "architettura di von Neumann" e i principi di von Neumann sono implementati nella seguente forma:

la memoria di lavoro (RAM) è organizzata come una raccolta parole macchina (MS) di lunghezza fissa o di parola(intendendo il numero di quelli binari o bit contenuti in ogni MS). Ad esempio, i primi PC erano a 8 bit, poi a 16 bit e poi sono apparse macchine a 32 e 64 bit. Un tempo c'erano anche macchine a 45 bit (M-20, M-220), 35 bit (Minsk-22, Minsk-32) e altre;
OP forma un unico spazio di indirizzi, gli indirizzi MS aumentano da junior a senior;
sia i dati che i programmi sono inseriti nell'OP, e nell'area dati una parola, di regola, corrisponde a un numero, e nell'area del programma - a un comando (istruzione macchina - l'elemento minimo e indivisibile del programma);
i comandi vengono eseguiti in sequenza naturale(in ordine crescente di indirizzi nell'OP) finché non si incontra team di gestione(transizione condizionale / incondizionata, o ramificazione - diramazione), a seguito della quale verrà violata la sequenza naturale;
La CPU può accedere in modo casuale a qualsiasi indirizzo nell'OP per recuperare e/o scrivere numeri o istruzioni nella MS.

Blocchi funzionali (aggregati, dispositivi)

Mentre gli elementi e i nodi logici sono in gran parte universali e possono essere utilizzati in un'ampia varietà di combinazioni per risolvere vari problemi, i blocchi di computer (aggregati) sono complessi di elementi (nodi) focalizzati su una gamma ristretta di attività (operazioni). Tali unità come ALU, processore, banco di memoria, dispositivi esterni (NGMD, ecc.) includono necessariamente (ad eccezione delle apparecchiature meccaniche, ottiche, elettromagnetiche e di altro tipo) elementi e nodi logici utilizzati per archiviare informazioni, elaborarle e controllarle questi processi.

Dispositivo centrale(CU) rappresenta il componente principale del computer e, a sua volta, include la CPU - l'unità di elaborazione centrale (CPU) e l'OP - memoria ad accesso casuale (principale) o memoria ad accesso casuale - RAM (sinonimi - Main Storage, Core Storage , Memoria ad accesso casuale - RAM).

Il processore implementa direttamente le operazioni di elaborazione delle informazioni e di controllo del processo computazionale, prelevando dalla RAM le istruzioni ei dati della macchina, eseguendoli e scrivendo i risultati nella RAM, accendendo e spegnendo la VU. I blocchi principali del processore sono:

un dispositivo di controllo (CU) con un'interfaccia di processore (un sistema per interfacciare e comunicare il processore con altri nodi della macchina);
unità logica aritmetica (ALU);
memoria del processore (cache interna).

La RAM è progettata per l'archiviazione temporanea di dati e programmi nel processo di esecuzione di operazioni computazionali e logiche.

Unità logica aritmetica (ALU). Unità aritmetica e logica (ALU) - la parte del processore che esegue operazioni aritmetiche e logiche sui dati.

L'ALU implementa una serie di semplici operazioni. Un'operazione aritmetica è una procedura di elaborazione dati i cui argomenti e risultati sono numeri (addizione, sottrazione, moltiplicazione, divisione). Un'operazione logica è una procedura che costruisce un'istruzione complessa (operazioni e o meno). L'ALU è costituito da registri, un sommatore con i circuiti logici corrispondenti e un'unità di controllo del processo. Il dispositivo opera secondo i codici operativi ad esso segnalati, che devono essere eseguiti sulle variabili poste nei registri.

Dispositivi esterni (VU). VU fornisce un'interazione efficace del computer con l'ambiente: utenti, oggetti di controllo, altre macchine.

Nei computer di controllo specializzati (processi tecnologici, comunicazioni, razzi, ecc.), i dispositivi di input esterni sono sensori (temperatura, pressione, distanza, ecc.), i dispositivi di output sono manipolatori (idraulici, pneumatici, servoazionamenti di timoni, valvole, ecc. ).

Nei computer generici (elaborazione delle informazioni uomo-macchina), i terminali, le stampanti e altri dispositivi fungono da VU.

Interfacce (canali di comunicazione) servono ad interfacciare le unità centrali della macchina con i suoi dispositivi esterni.

Lo stesso tipo di dispositivi CC e di archiviazione dati può essere utilizzato in diversi tipi di macchine. Sono noti esempi di come aziende che hanno iniziato la loro attività con la produzione di macchine di controllo, migliorando i propri prodotti, siano passate alla produzione di sistemi che, a seconda della configurazione dell'unità di controllo, possono svolgere il ruolo sia di macchine universali che di controllo ( macchine Hewlett-Packard - HP e Digital Equipment Corporation - DEC).

Dispositivo centrale astratto

Elenchiamo i concetti di base e consideriamo la struttura e le funzioni dell'unità astratta del computer centrale (Fig. 2.23), l'unità aritmetica e logica (ALU) (unità aritmetica e logica - ALU) di cui è progettata per elaborare numeri interi e stringhe di bit.

Comando, istruzione (istruzione) - descrizione dell'operazione da eseguire. Ogni comando è caratterizzato da un formato che ne definisce la struttura. Un tipico comando contiene:

codice operazione (COP), che caratterizza il tipo di azione eseguita;
parte dell'indirizzo (A4), che generalmente comprende:
- numeri (indirizzi) dei registri indice (IR) e base (BR);
- indirizzi degli operandi - Al, A2, ecc.

Ciclo del processore - il periodo di tempo per il quale viene eseguita l'istruzione del programma sorgente in forma macchina; è costituito da diversi cicli.

Tatto funzionamento del processore - l'intervallo di tempo tra impulsi adiacenti (tick dell'orologio interno) generatore di orologio, la cui frequenza è velocità di clock del processore. Ciclo del processore (ciclo di clock) - quanto di tempo durante il quale viene eseguita un'operazione elementare: campionamento, confronto, trasferimento dati.

Profondità di bit

Squadra A+ 1 Squadra A

Parte dell'indirizzo (targeting) /

Registri di base (BR1, BR2, ...)

Registri indice (IR1, IR2, ...)

Registro dei risultati

Registri numerici (RF1, RF2, ...)

Registro degli indirizzi di comando (RAK, SCHAK)

Registri indirizzi (PA1, PA2, ...)

Registro di comando (RK)

Vipera

Dispositivo di controllo (CU)

Riso. 2.23. La struttura del più semplice dispositivo informatico centrale

Prestazione comando breve - aritmetica con FT (punto fisso - FZ), operazione logica - richiede almeno cinque cicli (vedi anche Fig. 3.1):

comando recupero (Fetch);
decodifica/decodifica codice operazione (istruzione Decode);
calcolo dell'indirizzo e recupero dei dati dalla memoria (generazione indirizzo, caricamento)
esecuzione dell'operazione (Execute);
scrittura del risultato in memoria (write Back, store).

La procedura corrispondente a ciascun ciclo è implementata da un certo circuito logico (circuito) del processore, solitamente indicato come microistruzione.

Registri - dispositivi destinati all'archiviazione temporanea di dati di dimensioni limitate (dispositivo di archiviazione registrato - RZU). Una caratteristica importante del registro è l'elevata velocità di ricezione ed emissione dei dati. Il registro è costituito da bit in cui è possibile scrivere, memorizzare e leggere rapidamente una parola, un comando, un numero binario, ecc. Di solito, il registro ha la stessa larghezza di bit della parola macchina.

Viene chiamato un registro che ha la capacità di spostare il contenuto dei suoi bit taglio. In questi registri, in un ciclo, la parola memorizzata viene spostata bit per bit di una posizione.

Registri di uso generale - RON, registri di scratchpad o file di registro - RF (General Purpose Registers) - il nome generale dei registri che contengono temporaneamente dati trasferiti o ricevuti dalla memoria.

Registro dei comandi(RK, Instruction Register - IR) serve per posizionare l'istruzione corrente che si trova in esso durante il ciclo corrente del processore.

Indirizzi comando registro (RAK), contatore (SchAK).(program counter - PC) - un registro contenente l'indirizzo dell'istruzione corrente.

Registro indirizzi (numero) - RA(H) - contiene l'indirizzo di uno degli operandi del comando in esecuzione (possono esserci più registri).

Registro numerico (RF) contiene l'operando dell'istruzione in esecuzione, ci sono anche molti di questi registri.

Registro dei risultati (RR) ha lo scopo di memorizzare il risultato dell'esecuzione del comando.

Vipera - un registro che esegue operazioni di addizione (aritmetica booleana e binaria) di numeri o stringhe di bit rappresentate in codice diretto o inverso. Il registro che memorizza i dati intermedi è spesso indicato come batteria.

Ci sono altri registri che non sono contrassegnati sul diagramma, per esempio registro di stato - Registro di stato (SR) o registro flag. Il contenuto tipico di una SR è l'informazione sui risultati speciali del completamento del comando (zero, overflow, divisione per zero, riporto, ecc.). La CU utilizza le informazioni della SR per eseguire salti condizionati (ad esempio, "in caso di overflow, salta all'indirizzo 4170"). Di seguito sono discussi in modo più dettagliato registro del processore 18086.

Eseguire il ciclo breve comando potrebbe assomigliare a questo.

1. In accordo con il contenuto del SAC (indirizzo del comando successivo), la CU estrae il comando successivo dall'OP e lo inserisce nella RC. La CU elabora alcuni comandi da sola, senza il coinvolgimento dell'ALU (ad esempio, al comando “vai all'indirizzo 2478”, il valore 2478 viene immediatamente inserito nel SAC, e il processore procede all'esecuzione dell'istruzione successiva.
2. Il comando è decodificato (decodificato).
3. Gli indirizzi Al, A2, ecc. vengono inseriti nei registri degli indirizzi.
4. Se nel comando sono specificati IR o BR, il loro contenuto viene utilizzato per modificare RA - infatti, vengono selezionati numeri o comandi che vengono spostati in una direzione o nell'altra rispetto all'indirizzo specificato nel comando.
5. In base ai valori di RA, i numeri (linee) vengono letti e inseriti in RF.
6. Esecuzione dell'operazione e inserimento del risultato nel PP.
7. Registrazione del risultato presso uno degli indirizzi (se necessario).
8. Aumentare di uno il contenuto di SCAC (vai al comando successivo).

Ovviamente, aumentando il numero di registri, è possibile parallelizzazione, sovrapposizione operazioni. Ad esempio, quando viene letto un comando, FAA può essere incrementato automaticamente di 1 per preparare un campione del comando successivo. Dopo la decrittazione del comando corrente, l'RK viene rilasciato e può essere letto il comando successivo. Quando viene eseguita un'operazione, è possibile decrittografare il comando successivo, ecc. Tutto questo è un prerequisito per la costruzione delle cosiddette strutture di pipeline (tubatura). Tuttavia, tutto ciò va bene solo con un ordine sequenziale (naturale) di esecuzione dei comandi. La comparsa di transizioni (soprattutto da una condizione non definita in precedenza) viola questo quadro (in particolare, l'aumento di NfAK di 1, menzionato sopra, risulta non valido). Pertanto, i processori moderni cercano di prevedere i salti nel programma (previsione del ramo).

Architettura del computer

Architettura a stella. Qui il processore (CU) (Fig. 2.24, UN) collegato direttamente alla VU e ne controlla il funzionamento (primi modelli di macchine). Questo tipo è anche indicato come architettura classica (von Neumann) - un'aritmetica

processore

Principale

Ponte PCI-ISA

slot PCI

Controllore

periferia

Bus seriale universale

Bus di gestione del sistema

Riso. 2.24. Le principali classi di architetture di computer: UN- centralizzato; B - gerarchico; V- principale; G - struttura generale di un personal computer (architettura Triton 430 TX - Northbridge /

un'unità co-logica (ALU) attraverso la quale passa il flusso di dati e un'unità di controllo (CU) attraverso la quale passa il flusso di istruzioni: il programma. Questo è un computer a processore singolo.

Architettura di Princeton e Harvard. L'architettura di von Neumann è spesso associata all'architettura di Princeton, caratterizzata dall'uso della RAM condivisa per memorizzare programmi e dati.

Un'alternativa: l'architettura di Harvard (il nome è associato al computer Mark-1 (1950), che utilizzava una memoria separata per i comandi) è caratterizzata dalla separazione fisica della memoria dei comandi (programmi) e della memoria dei dati. Ciascuna memoria è collegata al processore tramite un bus separato, che consente di recuperare e decodificare l'istruzione successiva contemporaneamente ai dati di lettura-scrittura durante l'esecuzione dell'istruzione corrente.

L'architettura di Harvard appare nei processori moderni quando la memoria delle istruzioni (I-Cache) e la memoria dei dati (D-Cache) sono allocate nella cache della CPU.

Architettura gerarchica(Fig. 2.24, B) - Il centro di controllo è collegato a processori periferici (processori ausiliari, canali, processori di canale), che a loro volta controllano i controllori a cui sono collegati i gruppi VU (sistemi IBM 360-375, computer EC);

Struttura portante(bus comune - unibas, Fig. 2.24, V). Il processore (processori) e le unità di memoria (RAM) interagiscono tra loro e con le VU (controllori VU) attraverso un canale interno comune a tutti i dispositivi (macchine DEC, PC IBM PC compatibili). Fisicamente autostradaè una linea multifilare con prese per il collegamento di circuiti elettronici. L'insieme delle linee principali è suddiviso in gruppi separati: il bus indirizzi, il bus dati e il bus di controllo.

Questo tipo di architettura include anche l'architettura di un personal computer (PC). Naturalmente, la vera struttura del PC (Fig. 2.24, G) differisce dagli schemi teorici: utilizza diversi tipi di interfacce bus, che sono interconnesse da bridge: controller di memoria (Northbridge) e dispositivi periferici (Southbridge).