Файл: Архитектура современных компьютеров (Глава 1. Основные принципы построения современных ЭВМ).pdf

Введение

Тема курсовой работы является актуальной в наше время, так как знание архитектуры и основных принципов построения современных компьютеров, а так же понятие основ их программного и аппаратного обеспечения необходимо для современного специалиста связанного с компьютерной техникой.

Число современных ЭВМ как в мире, так и, в частности, в России стремительно растет, кроме персональных компьютеров не менее популярными в наше время стали ноутбуки, планшеты, смартфоны. У всех этих устройств различный функционал и возможности, но объединяет их то, что архитектура и принципы построения у них очень схожи. И зная архитектуру современных ЭВМ можно знать, как работают данные устройства.

Рынок современных ЭВМ является самым перспективным и доходным среди остальных рынков связанных с техникой. В северной Америке и Западной Европе процент семей, имеющих ЭВМ, приближается к 100%. Без сомнения, в наши дни каждый должен изучить и понять ЭВМ не только теоретически, но, что наиболее важно, и практически.

В последние десятилетия ЭВМ стали основной составляющей существования современного человека. Для предприятий это еще более актуально, например вышедший из строя персональный компьютер может повлечь массу проблем для предприятия, так как может остановиться часть трудового процесса, иногда даже производственного.

Развитие ЭВМ принесло человечеству целый ряд преимуществ и большую зависимость от них. Использование ЭВМ упрощает организацию охраны зданий и помещений для предприятий, жилых комплексов или стоянок. Несколько десятилетий тому назад для охраны необходимо было на каждом этаже, либо по всему периметру расставить охранников для того, чтобы они наблюдали за происходящим, то в наше время благодаря компьютеризации, достаточно просто установить камеры наблюдения и все происходящее наблюдать на экране ЭВМ.

Современные ЭВМ за несколько десятилетий уменьшились в размерах и стали на какое-то время энергонезависимыми, т.е. сейчас их можно использовать в командировках, на отдыхе, в гостях, кафе и т.п. Также это позволяет деловому человеку быть всегда при своей работе и необходимых данных. У него под рукой всегда могут быть данные из электронной почты или сети Интернет, а так различные офисные приложения.

Современные ЭВМ помогают так же и детям различного возраста в их развитии. Разработано множество программ, а так же видеофайлов и интерактивных игр для ЭВМ которые могут помочь как малышу так и школьнику.

---

Возможности современного ЭВМ достигли такого уровня, что с его помощью можно создать более комфортные условия для жизни человечества, например умный дом, упрощение производственных процессов, сокращение трудозатрат и многое другое.

В связи с этим знания основных принципов построения и архитектуры современных ЭВМ, его основных элементов и функционального обеспечения должны присутствовать у каждого человека, который связан с компьютерами.

В данной работе были использованы работы известных исследователей в данной области, таких как А.Т.Коротаев, А.П. Жмакин, Л.П. Гудыно, А.А. Микрюков, В.Э.Фигурнов, Э.Таненбаум, М.В. Копейкин, В.В.Спиридонов, Е.О. Шумова, В. Столлингс, А.П. Пятибратов, А.А. Кириченко.

Цель данной курсовой работы – рассмотреть архитектуру современных компьютеров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1. Дать общую характеристику принципов построения ЭВМ.

2. Рассмотреть принцип программного управления современных ЭВМ.

3. Исследовать структурную организацию аппаратного обеспечения ЭВМ.

4. Проанализировать функциональную организацию аппаратного обеспечения ЭВМ.

5. На основе проведенного исследования сделать выводы.

Объектом исследования являются современные компьютеры.

Предметом исследования являются архитектура современных ЭВМ, а так же его аппаратное обеспечение.

Для раскрытия поставленной цели и задач определена следующая структура исследования: работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы. Названия глав отображают их содержание.

Глава 1. Основные принципы построения современных ЭВМ

1.1. Общая характеристика принципов построения ЭВМ

Под архитектурой компьютера понимается набор типов данных, операций и характеристик каждого отдельно взятого уровня. Архитектура компьютера тесно связана с программными аспектами. Аспекты реализации, такие как технология, которая применяется при реализации памяти не будет в данном случае являются частью архитектуры [17].

Можно выделить несколько основных уровней организации компьютерной архитектуры:

---

Уровень 0. Цифровой логический уровень, это аппаратное обеспечение машины, состоящий из вентилей (логические элементы (защелки), триггеры, регистры).

Уровень 1. Микроархитектурный уровень, интерпретация (микропрограммы) или непосредственное выполнение. Электронные схемы исполняют машинно-зависимые программы. Совокупность регистров процессора формирует локальную память (арифметико-логические устройства).

Уровень 2. Уровень архитектуры системы команд, трансляция (ассемблер).

Уровень 3. Уровень операционной системы, трансляция (ассемблер). Это гибридный уровень: одна часть команд интерпретируется операционной системой, а другая — микропрограммой (виртуальная память, файлы).

Уровень 4. Уровень языка ассемблера, трансляция (компилятор). Четвертый уровень и выше используется для написания прикладных программ, с первого по третий — системных программ. Программы в удобном для человека виде транслируются на язык уровней 1-3.

Уровень 5. Язык высокого уровня. Программы на языках высокого уровня транслируются обычно на уровни 3 и 4 [17].

Большая часть современных ЭВМ построены на базе принципов, которые были сформулированы американским ученым Дж. Фон Нейманом, который считается одним из «отцов» кибернетики. Данный ученый в 1945 году впервые опубликовал данные принципы для машины EDVAC. Эту ЭВМ можно считать одной из первых машин, которая имела хранимую программу, которая запоминалась в памяти машины. Ранее программы считывались с перфокарты либо других устройств подобного функционала.

Принципы Дж. Фон Неймана сводятся к следующему:

– фон-неймановская машина имеет следующие основные блоки:

1. блок управления,

2. арифметико-логическое устройство,

3. память

4. устройство ввода-вывода;

– вся информация в машине имеет двоичную кодировку, эта информация разделяется на единицы, которые называются словами;

– алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют смысл операции. Данные управляющие слова являются командами. Совокупность этих команд, представляют алгоритм, который называется программой;

– программы и данные хранятся в одной и той же памяти и не различаются по способу кодирования. Разнотипные слова различаются по способу использования.

– устройство управления и арифметическое устройство объединяются в одно устройство, которое называется центральным процессором. Эти устройства при помощи считывания команд из оперативной памяти определяют, какие действия необходимо выполнить. Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой [10, c.23].

---

Современные ЭВМ включают в себя принцип открытой архитектуры, который позволяет владельцу данного устройства самому выбрать и скомплектовать такую конфигурацию, которая ему необходима, а также при необходимости осуществить модернизацию некоторых улов. Под конфигурацией компьютера подразумевается набор основных компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет пользователю изменить состав устройств ЭВМ. Например, к информационной магистрали возможно подключение дополнительных периферийных устройств, а так же уже существующие модели устройств могут заменить на их аналоги.

Для аппаратного подключения периферийных устройств к магистрали на физическом уровне необходимо воспользоваться специальным блоком - контроллером. Для того чтобы установить контроллеры на материнскую плату необходимо воспользоваться специальными разъёмами - слотами.

Для того чтобы управлять работой периферийного устройства необходимо воспользоваться специальной программой - драйвером, которая должна быть установлена в операционной системе. Для каждого периферийного устройства используется свой драйвер.

С внешними устройствами ЭВМ связываются с помощью портов – это специальные разъёмы, которые обычно находятся на задней панели компьютера. Порты в свою очередь подразделяются на последовательные и параллельные. Некоторые последовательные порты, например COM – порты, уже практически не используются, так как передавали небольшие объёмы информации им на смену пришли USB порты, которые являются последовательными универсальными портами. В настоящее время уже вышла 3-я версия USB порта, которая имеет возможность передавать большие объемы информации за довольно короткое время.

Параллельные порты, например LPT – порты, так же практические не используются, раньше они служили для подключения принтеров и сканеров. Их так же заменили USB-порты, к которым можно подключать различные устройства.

1.2. Принцип программного управления современных ЭВМ

Далее рассмотрим принцип программного управления современных ЭВМ, так как он считается основным принципом построения всех современных ЭВМ. В основе данного принципа лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

---

Алгоритм  конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций [4, c.67]. Это одно из определений алгоритма, так как строгого и однозначного определения алгоритма, а так же однозначных методов его преобразования в программу вычислений, не существует.

Принцип программного управления современных ЭВМ можно осуществить различными способами, но суть все равно остается неизменной. Она заключается в следующем

Все вычисления, которые предписаны в алгоритме решения задачи, необходимо представить в виде программы, которая состоит из последовательности управляющих слов  команд. Все команды включенные в алгоритм содержат указания на ту операцию, которую необходимо выполнить, а так же место нахождения (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Программы и обрабатываемые ими данные должны совместно храниться в памяти ЭВМ.

Под операндами понимаются переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Это могут быть входящие данные, промежуточные значения или результаты вычислений. Массив данных переменных является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для того чтобы получить доступ к программе, команде либо операнду необходимо обратиться к конкретным адресам, в качестве которых являются номера ячеек памяти ЭВМ, которые предназначены для того, чтобы хранить объекты. Вся хранящаяся в ячейках памяти информация кодируется при помощи двоичного кода, то есть с помощью цифр 0 и 1. В связи с этим различные типы информации, которые размещены в памяти ЭВМ, различить практически не возможно, для того чтобы их идентифицировать нужно выполнить программу, согласно ее логике, по контексту.

При выполнении различных команд, таких как выборка команд и операндов или пересылка полученных результатов программа постоянно обращается к памяти ЭВМ. Первые ЭВМ использовали централизованное управление, в этом случае одной и той же аппаратурой выполнялись как основные, так и вспомогательные действия. В дальнейшем эволюция вычислительной техники привела к тому что ЭВМ стали децентрализованными.

В результате децентрализация построения и управления появились такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:

• модульность построения;
• магистральность;
• иерархия управления [1].

Модульность построения выделило в структуре ЭВМ автономные, функционально логические и конструктивно законченные устройства, такие как процессоры, модули памяти, накопители и т.п.

---