Конспект лекций часть 1 2008 перечень ссылок основная: М. Гук «Аппаратные средства ibm pc» 3-е изд., энцеклопедия, Киев. 2006. с. icon

Конспект лекций часть 1 2008 перечень ссылок основная: М. Гук «Аппаратные средства ibm pc» 3-е изд., энцеклопедия, Киев. 2006. с.


Смотрите также:
Средства тестирования и отладки пэвм...
Конспект лекций москва 2006 г. Утверждено рис ученого совета Российского университета...
Конспект лекций для студентов специальности 090804 "Физическая и биомедицинская электроника"...
Конспект лекций Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное...
Конспект лекций москва Издательство Российского университета дружбы народов 2008...
Конспект лекций славянск-на-Кубани 2008 ббк 88. 1 Б 83...
Конспект лекций 2010 г. Батычко В. Т. Уголовное право. Особенная часть. Конспект лекций. 2008 г...
Гражданское право часть первая конспект лекций москва 2004 Гражданское право...
Конспект лекций Для студентов вузов Кемерово 2006...
Тексты лекций Санкт-Петербург 2008 Одобрено и рекомендовано к изданию Методическим советом...
Конспект лекций 2010 г. Батычко В. Т. Уголовное право. Общая часть. Конспект лекций. 2010 г...
Конспект лекций, предлагаемый вашему вниманию...



Загрузка...
страницы:   1   2   3   4   5   6   7   8   9
скачать




Архитектура компьютеров



КР ВУЗ ФПТ


Колесников Л.П.

Конспект лекций





ЧАСТЬ 1


2008


ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

Основная:

  1. М.Гук «Аппаратные средства IBM PC» 3-е изд., энцеклопедия, Киев. 2006. с.1071

  2. «Архитектура ЭВМ и вычислительные системы» Н.А.Максимов Т.Л.Парыкина И.И.Попов, Москва, ФОРУМ – ИНФРА – М, 2005, стр.511.

  3. А.П.Жмакин «Архитектура ЭВМ» Учебное пособие. С-П 2006, с.311

  4. «Ваш ПК: устройство, принцип работы» Марк Минаси, Киев, «ВЕК+», 2004, стр.1002

Дополнительная:

  1. «Модернизация и ремонт ПК» Скотт Мюллер, 14-е изд., 2004, Киев, стр.1170

  2. «BIOS» Антон Трасковский Санкт-Петербург, 2004, стр.530




лекции

темы

Содержание тем

Стр.

1

1

Принципы построения компьютеров

    1. История развития вычислительной техники

    2. Варианты классификации ЭВМ

    3. Классическая архитектура ЭВМ

5

2

1

1.4. Состав компьютера

1.5 Биты, байты, слова

1.6 Ячейки памяти, порты и регистры

11

3

1

1.7 История развития ПК

1.8 Структурная схема ПК

1.9 Состав системного блока

15

4

2

Физические основы представления информации в компьютере

2.1 Определение и классификация информации

2.2 Измерение количества информации

2.3 Кодирование символьной информации

23

5

2

    1. Представление чисел в ЭВМ

    2. Алгебраическое представление двоичных чисел

29

6

3

Архитектуры микропроцессоров

    1. Внутренняя структура микропроцессора

    2. Командные и машинные циклы микропроцессора

3.3 Реализация процессорных модулей в составе линий системного интерфейса

35

7

3

    1. Машина пользователя и система команд

    2. Распределение адресного пространства

    3. Система команд i8086

41

8

3

    1. Логические узлы ЭВМ

    2. Простейшие виды архитектур Архитектура ПК

45

9

4

Принцип адресации и структура команд

Принципы адресации

    1. Общие сведения, определения и классификация

    2. Логическая организация памяти и методы адресации информации

53

10

4

Структура команд

    1. Командный цикл процессора

    2. Система команд процессора.

    3. Системы операций

57

11

5

Система прерываний и организация ввода/вывода

5.1 Пространство ввода/вывода

5.2 Подсистема ввода/вывода

5.3 Параллельный обмен

5.4 Последовательный обмен

63

12

5

    1. Виды прерываний

    2. Обнаружение изменения состояния внешней среды

69

13

5

5.7 Прямой доступ к памяти

5.8 Распределение системных ресурсов

75

14

6

Многопроцессорные архитектуры

    1. Представление о вычислительных системах

    2. Основные определения

    3. Уровни и средства комплексирования

81

15

6

6.4 Классификация архитектуры вычислительных систем

85

16

6

    1. Асимметричная мультипроцессорная обработка

    2. Симметричная мультипроцессорная обработка

    3. Кластерная архитектура

89

17

6

    1. Примеры построения коммуникационных сред

    2. Коммутаторы вычислительных систем

95

18

7

Особенности реализации оперативной памяти

7.1 Виды электронной памяти

7.2 Структура оперативной памяти

7.3 Кеширование оперативной памяти

101

19

7

    1. Основные характеристики ЗУ

    2. Основные принципы работы

105

20

7

    1. Динамическая память

    2. Статическая память

109
ВВЕДЕНИЕ


Эта книга создавалась как учебное пособие по архитектуре процессоров и ЭВМ. Материал книги ориентирован на студентов Высших Учебных Заведений 2 уровня аккредитации, обучающихся в области разработки программного обеспечения и ин­формационных систем, для которых "компьютерное железо" не является ос­новным предметом изучения, но которые должны знать основы по­строения процессоров, организацию взаимодействия основных устройств ЭВМ, программирование на низком уровне. Книга может быть полезной и студентам педагогических специальностей, в учебных планах которых преду­смотрены курсы по изучению архитектуры ЭВМ (физика, математика, ин­форматика).

Читателям необходимо владеть начальными знаниями в области цифровой схемотехники (булева алгебра, логические элементы, триггеры, операцион­ные элементы).

В основу книги положены материалы курсов лекций, читаемых автором в комиссии компьютерной техники и программирования Феодосийского политехнического техникума.

Книга построена на основе Отраслевого стандарта высшего образования Украины, Общеобразовательной профессиональной программы подготовки младших специалистов по специальности 5.080405 «Программирование для электронно-вычислительной техники и автоматизированных систем» и объединяет в себе теоре­тический материал, контрольные вопросы и тесты по темам.

В пособие включены следующие темы: Принципы построения компьютеров, Физические основы представления информации в компьютере, Архитектуры микропроцессоров, Принципы адресации и структуры команд, Система прерываний и организация ввода/вывода, Многопроцессорные архитектуры, Особенности реализации оперативной памяти, Физический уровень ввода/вывода, Компьютерный интерфейс, Устройства внешней памяти.

В основу пособия включены лекции читаемые автором по дисциплине «Архитектура компьютеров» в КР ВУЗ «ФПТ», а также материалы книг: «Аппаратные средства IBM PC» М.Гук, «Архитектура ЭВМ и вычислительные системы» Н.А.Максимов и др., и «Архитектура ЭВМ» А.П.Жмакин.





Лекция 1

Тема 1: Принципы построения компьютеров


План лекции:

    1. История развития вычислительной техники

    2. Варианты классификации ЭВМ

    3. Классическая архитектура ЭВМ


1.1. История развития вычислительной техники

С тех пор, как человечество осознало понятие количества, разрабатывались и применялись различные приспособления для отображения количественных эквивалентов и операций над величинами. Отбросив рассмотрение "доисто­рических" с точки зрения вычислительной техники средств (кучки камней, счеты и т. д.), рассмотрим кратко историю развития вычислительных машин.

Пожалуй, первой реально созданной машиной для выполнения арифметиче­ских действий в десятичной системе счисления можно считать счетную ма­шину Паскаля. В 1642 г. Б. Паскаль продемонстрировал ее работу. Машина выполняла суммирование чисел (восьмиразрядных) с помощью колес, кото­рые при добавлении единицы поворачивались на 36° и приводили в движение следующее по старшинству колесо всякий раз, когда цифра 9 должна была перейти в значение 10. Машина Паскаля получила известность во многих странах, было изготовлено более 50 экземпляров машины.

Впрочем, еще до Паскаля машину, механически выполняющую арифметиче­ские операции, изобразил в эскизах Леонардо да Винчи (1452—1519). Сумми­рующая машина по его эскизам выполнена в наши дни и доказала свою рабо­тоспособность.

В средние века (расцвет механики) было предложено и выполнено много раз­личных вариантов арифметических машин: Морлэнд (1625—1695), К. Перро (1613—1688), Якобсон, Чебышев и др. Первую машину, с помощью которой можно было не только складывать, но и умножать и делить, разработал Г. Лейбниц (1646—1716).

Все упомянутые выше механизмы обладали одной особенностью— могли автоматически выполнять только отдельные действия над числами, но не могли хранить промежуточные результаты и, следовательно, выполнять по­следовательность действий.

^ Первой вычислительной машиной, реализующей автоматическое выполнение последовательности действий, можно считать разностную машину Ч. Беббеджа (1792—1871). В 1819 г. он изготовил ее для расчета астрономических и морских таблиц. Машина обеспечивала хранение необходимых промежу­точных значений и выполнение последовательности сложений для получения значения функции.

В дальнейшем Беббедж предложил т. н. аналитическую машину, предназначенную для решения любых вычислительных задач. При желании в аналитической машине Беббеджа можно найти прообразы всех основных устройств современной ЭВМ: арифметическое устройство ("мель­ница"), память ("склад"), устройство управления (на перфокартах), позво­ляющее выбирать различные пути решения в зависимости от значений ис­ходных данных и промежуточных результатов. Проект аналитической маши­ны Беббеджа так и не был реализован— из-за несоответствия идеи и элементной базы.

Идеи аналитической машины Беббеджа были использованы в релейных ма­шинах, выпускавшихся в 30—40-х годах XX века. Теоретической основой разработки релейно-контактных схем явился аппарат булевой алгебры, кото­рый в дальнейшем использовался для синтеза схем ЭЭВМ. Однако и элек­трические реле как элементная база вычислительной техники не удовлетво­ряли потребностям этой техники по всем основным параметрам (быстродей­ствие, надежность, потребляемая мощность, стоимость, габариты и др.).

Только освоение электронных схем в качестве элементной базы положило начало действительно массовому внедрению сначала вычислительной, а по­том и информационной техники во все сферы человеческой деятельности. Первые электронные цифровые вычислительные машины (ЭЭВМ) были раз­работаны и выпущены на рубеже 40—50-х годов прошлого века в США, Англии и чуть позднее — в СССР.

^ Первой ЭВМ считается ЭНИАК (электронный цифровой интегратор и вычислитель). Его авторы, американские ученые Дж.Мочли и Преспер Экерт работали над ней с 1943 по 1945 г.г. машина представляла собой сложное сооружение длиной более 30 м, объемом 85 куб.м, массой 30 т. В ней использовались 18 тыс. электронных ламп, 1500 реле, потребляла 150 кВт.

В ^ 1950 году была создана машина ЭДВАК (электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными). В более ёмкой внутренней памяти содержались и данные, и программа. Машина уже работала не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

В 1951 г. была принята в эксплуатацию МЭСМ(малая электронная счетная машина) – первая в СССР электронная вычислительная машина. Колектив разработчиков возглавлял С.А.Лебедев, директор Института электроники

В 1953 г. была готова к эксплуатации БЭСМ (большая электронная счетная машина), которая ничуть не уступала новейшим американским образцам.

В начале 60-х годов создана БЭСМ-1 –самая производительная машина в Европе, 10 тыс операций в секунду, и одной из лучших в мире. Затем созданы БЭСМ-2 и М-20 –первые ламповые ЭВМ. Тогда же были созданы полупроводниковые варианты М-20, М-220 и М-222, а также БЭСМ-3М и БЭСМ-4. В 1967 г. сдана в эксплуатацию БЭСМ-6 в которой все схемы были записаны формулами булевой алгебры.

^ Деятельность фирмы IBM. Безусловно, ключевой этап в развитии вычислительных средств и методов связан с этой фирмой. Исторически первые ЭВМ классической структуры и состава это IBM/360 выпущенная в 1964 г. и последующие её модификации IBM/370, IBM/375 которые выпускались вплоть до середины 80-х годов, когда под влиянием микроЭВМ (ПК) не начали постепенно сходить со сцены.

ЭВМ данной серии послужили основой для создания в СССР так называемой Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ), которая в течении 70-90 годов была основой отечественной компьютеризации.

ЕС ЭВМ. Эти машины включали следующие компоненты:

  • Центральный процессор (32-разрядный) с двухадресной системой команд;

  • Главную (оперативную) память –от 128 Кбайт до 2 Мбайт;

  • Накопители на магнитных дисках (НМД) со сменными пакетами дисков (7,25, 29 и 100 Мбайт);

  • Накопители на магнитных лентах (НМЛ) катушечного типа. Рабочая емкость накопителя определялась размером катушки и плотностью записи и достигала 160 Мбайт на бабину МЛ;

  • Устройство печати (АЦПУ) – построчное печатающее устройство барабанного типа с фиксированным набором символов, обычно 128 (или 64). Вывод осуществлялся на бумажную ленту шириной 42 или 21 см со скоростью до 20 строк/сек.

  • Терминальные устройства –сначала электрические пишущие машинки, затем видеотерминалы) –для выполнения функций управления вычислительным процессом и интерактивной отладки программ и обработки данных.

^ В 1974 г. фирма Intel разработала первый универсальный 8-разрядный микропроцессор 8080 с 4500 транзисторами. Эдвард Робертс построил на его базе микрокомпьютер Альтаир, имевший огромный коммерческий успех.

В 1975 г. программист Пол Ален и студент Билл Гейтс реализовали для Альтаира язык Бейсик. Впоследствии они основали фирму Microsoft.

В 1976 г. студенты Стив Возняк и Стив Джобс создали компьютер Apple-1, положив начало корпорации Apple.

В 1983 г. –корпорация Apple Computers построила персональный компьютер Lisa –первый компьютер с манипулятором «мышь».

^ 1.2 Варианты классификации ЭВМ

За свою полувековую историю ЭВМ из единичных экземпляров инструмен­тов ученых превратились в предмет массового потребления. Спектр приме­нения ЭВМ в современном обществе чрезвычайно широк, причем именно область применения накладывает основной отпечаток на характеристики ЭВМ. Поэтому в большинстве подходов к классификации ЭВМ именно об­ласть применения является основным параметром классификации.

Изделия современной техники, особенно вычислительной, традиционно при­нято делить на поколения (табл. 1.1), причем основным признаком поколения ЭВМ считается ее элементная база. Следует помнить, что любая классифика­ция не является абсолютной. Всегда можно отыскать объект классификации, который по одним параметрам относится к одному классу, а по другим — к другому. Это в большой степени относится и к классификации поколений ЭВМ: некоторые авторы выделяют три поколения ЭВМ (дальнейшее разви­тие ЭВМ идет как бы вне поколений), другие насчитывают целых шесть.

В рамках первого поколения ЭВМ не возникала необходимость в классифика­ции, т. к. машин были считанные единицы и использовались они, как прави­ло, для выполнения научно-технических расчетов.

Таблица 1.1- Поколения ЭВМ

Поколение

Элементная база

Годы существования

Области применения

Первое

Электронные лампы

50—60

Научно-технические расчеты

Второе

Транзисторы, ферритовые сердечники

60—70

Научно-технические расчеты, планово-экономические расчеты

Третье

Интегральные схемы

70—80

Научно-технические расчеты, планово-экономические расчеты, системы управления

Четвертое

СИС, БИС, СБИС и т. д.

80 и по сей день

Все сферы деятельности

Использование транзисторов в качестве элементной базы второго поколения привело к улучшению примерно на порядок каждого из основных параметров ЭВМ.

Соответственно в рамках второго поколения ЭВМ выделялись:

  • ЭВМ для научно-технических расчетов, характеризующиеся мощным бы­стродействующим процессором с развитой системой команд (в т. ч. реали­зующей арифметику с плавающей запятой) и относительно небольшой внешней памятью и номенклатурой устройств ввода/вывода;

  • ЭВМ для планово-экономических расчетов, характеризующиеся, прежде всего, большой многоуровневой памятью, развитой номенклатурой уст­ройств ввода/вывода (УВВ), но относительно простым и дешевым про­цессором, система команд которого включает простые арифметические команды (сложение, вычитание) с фиксированной запятой.

Характерно, что и языки программирования "второго поколения" так же раз­делялись на "математические" (FORTRAN) и "экономические" (COBOL).

В рамках ЭВМ третьего поколения стал усиленно развиваться новый класс — управляющие ЭВМ. К ЭВМ, работающим в контуре управления объ­ектом или технологическим процессом, предъявляются специфические тре­бования: прежде всего, высокая надежность, способность работать в экстре­мальных внешних условиях (перепады температуры, давления, питающих напряжений, высокий уровень электромагнитных помех и т. п.), быстрая ре­акция на изменения состояния внешней среды, малые габариты и вес, просто­та обслуживания. В то же время к таким характеристикам, как быстродейст­вие процессора, мощность системы команд, объем памяти, часто не предъяв­лялись слишком высоких требований, зато решающим становился фактор стоимости. Эти особенности привели к появлению класса т. н. мини-ЭВМ, а затем и микроЭВМ, хотя в дальнейшем и мини- и микроЭВМ использовались не только в качестве управляющих. Иногда эти классы объединяли понятием проблемно-ориентированные ЭВМ.

Наряду с упомянутыми классами ЭВМ широкого применения всегда выпус­кались машины которые можно было считать специализированными. Это, во-первых, т. н. суперЭВМ, выпускаемые в единичных экземплярах и предназна­ченные для решения задач, недоступных для серийной вычислительной тех­ники. Еще одним важным явлением, проявившимся при развитии третьего поколе­ния ЭВМ, стало появление семейств ЭВМ. В рамках одного семейства, объ­единенного общими архитектурными, структурными, а иногда — и конструк­тивными решениями, выпускались несколько (иногда — более десятка) клас­сов ЭВМ: малые, средние, "полусредние", большие, очень большие и т. д.

Общими для большинства семейств являются:

  • внутренний язык, что позволяет осуществлять совместимость программ на уровне машинных кодов (IBM-360, ЕС ЭВМ) либо системы команд, обла­дающие совместимостью "снизу вверх" (PDP-11), когда старшие предста­вители семейства реализуют все команды младших моделей плюс еще не­которые команды;

  • форматы данных;

  • форматы записи на внешний носитель;

  • интерфейс, что позволяет иметь единую номенклатуру внешних устройств для всех представителей семейства;

  • преемственность программного обеспечения (как правило, та же совместимость "снизу вверх").

Для решения конкретной задачи пользователь подбирал соответствующий экземпляр семейства, а по мере усложнения задачи осуществлялся переход на более старшие модели семейства, причем уже отлаженные на младших моде­лях программы, как правило, не требовали доработки.

Наиболее известными примерами семейств ЭВМ могут служить:

  • семейство универсальных ЭВМ третьего поколения IBM-360 и его совет­ский аналог — ЕС ЭВМ, включающее малые машины ЕС-1010 и ЕС-1020, средние ЕС-1022, ЕС-1030, ЕС-1035 и др., большие ЕС-1050, ЕС-1060, ЕС-1065;

  • семейство мини-ЭВМ PDP-11 и его советский аналог— СМ ЭВМ (лишь часть представителей семейства — СМ-3, СМ-4, СМ-1420);

  • семейство микроЭВМ LXI-11 (Электроника-60 и ее модификации);

  • семейство микропроцессоров i80x86.


^ 1.3 Классическая архитектура ЭВМ

Считается, что основные идеи построения современных ЭВМ в 1945 г. сфор­мулировал американский математик Дж. фон Нейман, определив их как принципы программного управления:

  1. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы — слова.

  2. Разнотипные по смыслу слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования.

  3. Слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек — адресами слов.

  4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, называемых командами.- Команда определяет наименование опера­ции и слова информации, участвующие в ней. Алгоритм, записанный в виде последовательности команд, называется программой.

  5. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последо­вательному выполнению команд в порядке, однозначно определенном программой.

Поэтому классическую архитектуру современных ЭВМ, представленную на рис. 1.1, часто называют "архитектурой фон Неймана".



^ Рисунок 1.1- Классическая архитектура ЭВМ

Программа вычислений (обработки информации) составляется в виде после­довательности команд и загружается в память машины— запоминающее устройство (ЗУ). Там же хранятся исходные данные и промежуточные ре­зультаты обработки. Центральное устройство управления (ЦУУ) последова­тельно извлекает из памяти команды программы и организует их выполнение. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для реализа­ции операций преобразования информации: Программа и исходные данные вводятся в память машины через устройства ввода (УВв), а результаты об­работки предъявляются на устройства вывода (УВыв).

Характерной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что па­мять представляет собой единое адресное пространство, предназначенное для хранения как программ, так и данных.

Такой подход, с одной стороны, обеспечивает большую гибкость организа­ции вычислений — возможность перераспределения памяти между програм­мой и данными, возможность самомодификации программы в процессе ее выполнения. С другой стороны, без принятия специальных мер защиты сни­жается надежность выполнения программы, что особенно недопустимо в управляющих системах.

Действительно, поскольку и команды программы, и данные кодируются в ЭВМ двоичными числами, теоретически возможно как разрушение програм­мы (при обращении в область программы как к данным), так и попытка "ры-полнения" области данных как программы (при ошибочных переходах про­граммы в область данных).

Альтернативной фон-неймановской является т. н. гарвардская архитектура. ЭВМ, реализованные по этому принципу, имеют два непересекающихся ад­ресных пространства— для программы и для данных, причем программу нельзя разместить в свободной области памяти данных и наоборот. Гарвард­ская архитектура применяется главным образом в управляющих ЭВМ.


^ ВЫВОДЫ ПО ТЕМЕ




Первой реально созданной машиной для выполнения арифметиче­ских действий в десятичной системе счисления можно считать счетную ма­шину Паскаля 1642 г.


Первой вычислительной машиной, реализующей автоматическое выполнение последовательности действий, можно считать разностную машину Ч. Беббеджа 1819г.


^ Первой ЭВМ считается ЭНИАК (электронный цифровой интегратор и вычислитель). Его авторы, американские ученые Дж.Мочли и Преспер Экерт работали над ней с 1943 по 1945 г.


В 1974г. фирма Intel разработала первый универсальный 8-разрядный микропроцессор 8080 с 4500 транзисторами. Эдвард Робертс построил на его базе микрокомпьютер Альтаир, имевший огромный коммерческий успех.


Изделия современной техники, особенно вычислительной, традиционно при­нято делить на поколения, причем основным признаком поколения ЭВМ считается ее элементная база.


^ Основные идеи построения современных ЭВМ в 1945 г. сфор­мулировал американский математик Дж. фон Нейман, определив их как принципы программного управления:

  1. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы — слова.

  2. Разнотипные по смыслу слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования.

  3. Слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек — адресами слов.

  4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, называемых командами.- Команда определяет наименование опера­ции и слова информации, участвующие в ней. Алгоритм, записанный в виде последовательности команд, называется программой.

  5. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последо­вательному выполнению команд в порядке, однозначно определенном программой.



Лекция 2





Скачать 2,44 Mb.
оставить комментарий
страница1/9
Дата30.09.2011
Размер2,44 Mb.
ТипКонспект, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4   5   6   7   8   9
отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх