Архитектура ЭВМ. 
Средства реализации информационных процессов

Архитектура ЭВМ — общее описание её структуры и функций, достаточное для понимания принципов работы и системы команд ЭВМ, но скрывающее детали её технического и физического устройства.

Персональный компьютер — это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Структура компьютера это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Функции компьютера можно разделить на основные и дополнительные.

Основные функции определяют его назначение: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами.

Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ПК реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных.

Классическая архитектура ЭВМ

Основы учения об архитектуре ЭВМ заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. В 1945 г. Джон фон Нейман подготовил доклад. Доклад был разослан многим ученым и получил широкую известность, поскольку в нем Джон фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т. е. компьютеров.

Основные из них:

• — В состав компьютера входят орган арифметики и управления (процессор), орган памяти, орган связи с внешним миром (устройства ввода и вывода).
• — Единственным источником активности в ЭВМ является процессор, который управляется программой, находящейся в памяти ЭВМ.
• — Обработка информации происходит только в регистрах процессора.
• — Вся память разбита на ячейки и каждой ячейке присвоен адрес (принцип дискретности и адресуемости памяти).
• — Каждая машинная команда содержит следующие предписания: из каких ячеек взять обрабатываемую информацию; какие действия с ней совершить; в какие ячейки направить полученный результат.
• — Принцип хранимой программы: машинная программа, которая составлена из команд в двоичном коде, хранится в ячейках памяти.
• — В каждый момент времени процессор выполняет одну команду, адрес которой хранится в специальном регистре сопроцессорной памяти — счетчике команд.
• — Процессор выполняет команду за командой в соответствии со счетчиком команд, пока не получит команду остановиться.

Схема классической архитектуры компьютера («фон-неймановская архитектура»)

Разработанные Джоном фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальны, что получили название «фон-неймановской архитектуры». Основными блоками по Нейману являются (см. рис. 2): устройство управления УУ, АЛУ, память (внутренняя и внешняя), устройства ввода и вывода. Устройство управления и арифметически-логическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором.

Процессор — центральный блок компьютера, предназначенный для обработки информации и управления работой компьютера в целом. Конструктивно процессор представляет собой микросхему (или блок микросхем). Микросхема (интегральная схема) — сложная электронная схема, образованная большим количеством электронных элементов, сформированных на поверхности кристалла кремния (или другого полупроводника).

В его составе два основных устройства: арифметико-логическое устройство (предназначено для обработки информации, выполнения арифметических и логических операций над данными); устройство управления — управляет работой компьютера (формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные управляющие сигналы).

Память

Основное предназначение памяти — хранение информации. Различают внутреннюю и внешнюю память компьютера.

Внутренняя память реализуется в виде микросхем. Высокая скорость обмена сигналами с процессором, что обеспечивает быстрый доступ к хранимой информации. Ёмкость внутренней памяти невелика в сравнении с ёмкостью внешних носителей информации. В составе внутренней памяти выделяют оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). ОЗУ предназначена для хранения информации, с которой компьютер работает в данный момент. Зависит от источника питания, содержимое исчезает при его отключении. ПЗУ предназначено для хранения информации, к которой необходим быстрый доступ, но нет возможности с каждым новым включением загружать ее в ОЗУ. Такая информация записывается в ПЗУ в заводских условиях и в дальнейшем может быть только прочитана.

Внешняя память. К ней относятся накопители на магнитных и оптических дисках вместе с носителями информации, электронные устройства внешней памяти — флэш-память. Их функция — обеспечить чтение и запись информации на внешние носители. Если накопитель работает с дисками, то его называют дисководом. Например, дисковод жестких дисков, дисковод гибких дисков, дисковод компакт-дисков.

Внешние устройства

Внешние устройства ПК (устройства ввода, вывода и обмена данными) предназначены для обмена информацией между компьютером и окружающим миром.

Устройства ввода: клавиатура, манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол), сканеры, видеокамеры, датчики измерительных приборов и т. д.

Устройства вывода: монитор, принтер, графопостроитель, исполнительные механизмы, синтезаторы звука и речи и др.

Устройства обмена информацией выполняют одновременно и функцию ввода, и функцию вывода. К ним относится модем.

Магистрально-модульная или шинная архитектура компьютера

С развитием техники классическая архитектура Неймана не могла не претерпеть определенных прогрессивных изменений.

Переход от транзисторов к интегральным схемам создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механические движущиеся части. Процессор, руководивший работой внешних устройств, значительную часть времени был вынужден простаивать в ожидании информации «из внешнего мира», что снижало эффективность работы всей ЭВМ в целом.

Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам — контроллерам.

Контроллеры можно рассматривать как специализированные процессоры, управляющие работой «вверенных им» внешних устройств, т. е. эти устройства служат для управления внешними устройствами. Каждому внешнему устройству соответствует — свой контроллер. Электронные модули-контроллеры реализуются на отдельных печатных платах, вставляемых внутрь системного блока. Такие платы часто называют адаптерами ВУ (от адапти-ровать — приспосабливать). После получения команды от микропроцессора контроллер функционирует автономно, освобождая микропроцессор от выполнения специфических функций, требуемых для того или другого конкретного ВУ.

Передача данных и управляющих сигналов между всеми устройствами компьютера происходит через магистраль (системная шина, общая шина) микропроцессора, включающую шину адреса, двунаправленную шину данных и шину управления. Магистраль — это кабель, состоящий из множества проводов.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и регистров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина данных обеспечивает передачу обрабатываемой информации между МП, памятью и периферийными устройствами. Шина двунаправленная, т. е. позволяет осуществлять пересылку данных как в прямом, так и в обратном направлении.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов — управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и т. д.

Схема магистрально-модульной или шинной архитектуры компьютера (рис. 3).

к — контроллер или адаптер Для большинства современных персональных компьютеров реализован принцип открытой архитектуры (или магистрально-модульный принцип), согласно которому можно легко менять состав устройств персонального компьютера благодаря тому, что все блоки компьютера подключаются к магистрали.