Спроектировать выполнить схему компьютера закрытого типа

В последнее время все более широкое распространение получает операционная система Windows 95.

Операционная система MS DOS обеспечивает решение двух главных задач:

• • предоставление пользователям возможности общего управления компьютером;
• • поддержка работы всех программ, обеспечение их взаимодействия с аппаратурой.

К hardware относятся следующие устройства:

• • CPU (Central Proceccing Unit) - центральное процессорное устройство (ЦПУ), выполненное на основе микропроцессора фирмы Intel Corporation, называемое также Central processor - Центральный процессор (ЦП);
• • ALU (.Arithmetic Logical Unit) - арифметико- логическое устройство (АЛУ);
• • CU (Control Unit) - устройство управления (УУ);
• • Controller - контроллер (УУ подсистемами ПК);
• • ROM (Read-Only Memory) — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
• • устройства ввода-вывода:

monitor — монитор (дисплей, экран);

printer — принтер (печатающее устройство);

keyboard — клавиатура.

• • MSD (Mass Storage Device) — устройство массового хранения (память на накопителях, внешнее запоминающее устройство);
• • disk drive — дисковод (устройство для считывания и записи информации на магнитные диски);
• • hard disk drive, winchester disk — накопитель на жестком магнитном диске (НМД), винчестерский диск (винчестер);
• • floppy disk drive — накопитель на гибком магнитном диске (НГМД), на дискете, флоппи диске.

Большинство из перечисленных компонент IBM PC объединены в системный блок (system unit).

Основным блоком IBM PC является центральное процессорное устройство (CPU), состоящее из арифметико-логического устройства (ALU) и устройства управления (CU):

• • ALU осуществляет с данными операции сложения, вычитания, умножения, деления, сравнения и т.д.;
• • CU устанавливает очередность выполнения операций, управляет потоками данных внутри и между блоками IBM PC.

Память IBM PC состоит из ОЗУ (RAM) и ПЗУ (ROM), а также памяти на накопителях (MSD):

> ROM реализована на микросхемах, информация с которых может только считываться, не изменяясь при этом. ROM IBM PC содержит BIOS (basic input/output system) — базовую систему ввода/вывода, являющуюся первой основной компонентой операционной системы MS DOS. BIOS MS DOS выполняет следующие функции:

• • устанавливает, какие устройства подключены к IBM PC, т.е. выясняет конфигурацию системы;
• • организует взаимосвязь между устройствами;
• • определяет местоположение загрузочной части MS DOS и передает ей управление.

Рис. 1.5. Структурная схема ПК

> RAM состоит из микросхем, которые временно хранят информацию. При отключении питания компьютера информация из RAM пропадает.

RAM делится на категории:

• • базовую память — объемом 640 Кбайт, доступную всем программам, работающим под управлением MS DOS;
• • наращенную память — за пределами 1 Мбайт, для использования которой нужны особые программные средства в MS DOS или другие ОС (например OS/2);
• • расширенную память — выход в нее осуществляется из верхней области памяти (от 640 Кбайт до 1 Мбайт).

Основная память (Base Memory)

Расширенная память (ЕМА)

Верхняя память (UMB)

Высокая память (НМА)

Сигналы и данные между блоками IBM PC объединяются в потоки и передаются по шинам. В IBM PC имеются три стандартные шины:

• • шина данных, по которой передаются собственно данные («что передавать»);
• • шина адреса, по которой передаются адреса данных («куда и откуда передавать»);
• • шина управления, по которой передаются команды управления данными («как передавать»).

Большинство устройств ввода/вывода IBM PC содержат устройства сопряжения сигналов и данных между блоками и собственные CU, называемые адаптерами и контроллерами, а также собственную память для хранения данных при обмене (такую память имеют, например, монитор и принтер).

Дисководы НГМД считывают и записывают информацию на дискеты. До последнего времени использовались дискеты двух типов: диаметрами 5,25 и 3,5 дюйма (1 дюйм = 2,54 см). На дискетах обычно указывается следующая маркировка:

• • DS,2S (Double Side) — двусторонние;
• • DD,2D (Double Density) — двойной плотности;
• • HD (High Density) — высокой плотности.

Перед записью информации на дискету она должна

быть отформатирована. Максимальный объем информации на дискетах двух указанных выше типов при различном форматировании приведен в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Возможность использования дисководов при работе с различными дискетами

5,25" DD 5,25" HD 3,5" DD 3,5" HD

Важнейший принцип построения IBM PC совместимых ПК — открытая архитектура — означает модульный принцип построения и возможность замены блоков на новые по мере развития. В IBM PC имеются специальные разъемы расширения для подключения дополнительных устройств, таких, как дополнительная память, сопроцессор, джойстик (координатная ручка), мышь (устройство ввода координат), плоттер (графопостроитель), сканер (устройство ввода изображений), стример (запоминающее устройство на магнитной ленте), модем (устройство для подключения к телефонной линии связи и обмена информацией с другими компьютерами).

При разработке hardware и software для IBM PC совместимых ПК соблюдается принцип совместимости «сверху-вниз», т.е. улучшенные версии подсистем должны содержать все возможности старых версий. Например, программы, разработанные на старых версиях IBM PC, должны работать на новых моделях.

Таблица 1.3. Характеристики дисковых накопителей

доступа, мс

Скорость передачи, Кбайт/с

* Ч — чтение; 3 — запись. ** Запись однократная.

Принципы, заложенные в основу построения IBM PC, привели к созданию семейства IBM-совместимых ПК, которое называется «клоном» IBM. Первая модель этого семейства появилась в 1983 г. и называлась IBM PCjr. Родословное дерево PC представлено на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Семейство ПК IBM PC

Центральная линия обозначает главную ветвь семейства, на которой модели располагаются в соответствии с их мощностями: от наименее мощной PCjr до наиболее мощной АТ/486. Ветви - это модели со сходными характеристиками.

• • IBM PC/XT (IBM PC/eXTended version) - IBM PC расширенная версия — на основе микропроцессора Intel 8088;
• • IBM PC/AT (IBM PC/Advanced Technology) — IBM PC/усовершенствованная технология - на основе микропроцессора Intel 80286;

. IBM РС/АТ/386 и IBM РС/АТ/486 - на микропроцессорах Intel 80386 и Intel 80486, соответственно.

• Возможности ПК, расположенных на главной ветви семейства, определяются главным образом именно типом используемого микропроцессора.

Микропроцессор (МП) конструктивно представляет собой кристалл кремния, в котором в результате технологического процесса создана электронная схема. Количество электронных компонент (транзисторов) в этой схеме: от десятков тысяч - до нескольких миллионов. Кристалл помещен в пластиковый корпус, а выводы выходят наружу, как у типичной микросхемы широкого применения.

Стоимость компьютера в значительной степени определяется стоимостью МП, однако себестоимость производства одного экземпляра очень мала. Основная доля затрат приходится на разработку технологии производства.

Основные характеристики микропроцессора:

• • максимальная тактовая частота;
• • разрядность;
• • тип архитектуры.

> Тактовая частота. Вычислительный процесс представляет собой последовательность элементарных действий, выполнение которых синхронизируется тактовым генератором. Превышение тактовой частоты выше некоторого предела может привести к срыву вычислений или перегреву МП. Таким образом, максимальная тактовая частота определяет быстродействие процессора. (Но она не равна быстродействию МП, тем более быстродействию компьютера).

> Разрядность процессора — максимальное количество разрядов двоичного кода, которое может вырабатываться и передаваться одновременно.

Разрядность определяется тремя параметрами: ш/пД.

• • т — разрядность внутренних регистров, т.е. количество разрядов, с помощью которых обмениваются информацией внутренние устройства М П;
• • n - разрядность шины данных, которая представляет собой часть системной шины, показывает количество разрядов, через которые МП обменивается данными с различными устройствами;
• •к— разрядность шины адреса, определяет объем доступной для МП части ОП.

> Архитектура микропроцессора. МП представляет собой довольно сложное электронное устройство, в котором отдельные части связаны информационными каналами. Часть из этих каналов фиксирована при создании МП, другая — может изменяться при программировании, — в целом это образует архитектуру МП.

Более широкое представление об архитектуре МП - организация М П с точки зрения пользователя - включает в себя пользовательские возможности программирования, а именно: состав регистров, систему команд, способы адресации, организацию памяти, средства ввода-вывода и типы обрабатываемых данных.

К наиболее важным аспектам архитектуры относятся:

• • система команд и способы адресации;
• • возможность выполнения тех или иных команд во времени;
• • наличие дополнительных узлов и устройств в составе МП (например, кэш-память, устройство для работы с числами с плавающей точкой - сопроцессор математики);
• • режим работы.

Основные типы и характеристики микропроцессоров фирмы Intel, являющейся лидером по производству микропроцессоров для IBM PC совместимых ПК, приведены в табл. 1.4.

Знакомство с архитектурой ЭВМ: открытая и закрытая архитектура. Принципы Джона Фон Неймана, магистрально-модульный принцип построения компьютера.

Содержимое разработки

Открытый урок по информатике в 8 классе

Тема урока: «Что такое архитектура компьютера. Начальные сведения об архитектуре компьютера. Магистрально-модульный принцип построения архитектуры»

Цель урока: знакомство с архитектурой ЭВМ, открытая и закрытая архитектура. Принципы Джона Фон Неймана, магистрально-модульный принцип построения компьютера.

Задачи урока:

Образовательная – познакомить учащихся с архитектурой ЭВМ, открытая и закрытая архитектура. Принципы Джона Фон Неймана, магистрально-модульный принцип построения компьютера.

Воспитательная – воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности, дисциплинированности, усидчивости, привитие навыков самостоятельной работы, обеспечение сознательного усвоения учебного материала.

Развивающая – развивать познавательный интерес, прививать исследовательские навыки.

Тип урока: комбинированный.

Вид урока: урок изучения нового материала

Наглядность и оборудование:

Компьютер с проектором;

Видеоролик из мультфильма «Почемучки. Архитектура компьютера.

Карточки с ребусами.

Презентация ««Что такое архитектура компьютера. Начальные сведения об архитектуре компьютера.

Структура урока:

Актуализация усвоения изученного ранее материала

Объяснение нового материала.

Закрепление материала, выполнение работы на тренажере «Устройство компьютера».

С этого урока мы начинаем знакомство с компьютером.
Сначала речь пойдет о техническом устройстве компьютера. В информатике есть такое понятие: «архитектура ЭВМ». Под архитектурой ЭВМ понимают описание устройства и принципов работы компьютера, достаточное для пользователя и программиста. Архитектура не включает в себя конструктивных подробностей устройства машины, электронных схем. Эти сведения нужны конструкторам, специалистам по наладке и ремонту ЭВМ.

С давних времен люди стремились облегчить свой труд. С этой целью создавались различные машины и механизмы, усиливающие физические возможности человека. Компьютер был изобретен в середине XX века для усиления возможностей интеллектуальной работы человека, т.е. работы с информацией.

Из истории науки и техники известно, что идеи многих изобретений человек подглядел в природе. Например, еще в XV веке великий итальянский ученый и художник Леонардо да Винчи изучал строение тел птиц и использовал эти знания для конструирования летательных аппаратов. Русский ученый Н.Е. Жуковский, основоположник науки аэродинамики, также исследовал механизм полета птиц.

Сегодня на уроке нам предстоит ответить на вопросы:

С кого списан компьютер?

Как устроен персональный компьютер?

Основные принципы совместного хранения программ и данных? (Принципы фон Неймана)

Какие существуют типы архитектуры? Каковы их преимущества.

На что влияет архитектура компьютера?

Что относится к устройствам ввода?

Что относится к устройствам вывода?

Что находится внутри системного блока?

Какие устройства являются внутренними, какие внешними?(Слайд4)

А с кого списали компьютер? С самого себя. Только человек постарался передать компьютеру не свои физические, а свои интеллектуальные способности, т.е. возможность работы с информацией.

По своему назначению компьютер — это универсальное техническое средство для работы с информацией.
По принципам своего устройства компьютер — это модель человека, работающего с информацией.

Четыре основных компонента информационной функции человека: (слайд 5)

речь, двигательная система

Ответим на вопрос Что такое АРХИТЕКТУРА компьютера?

Просмотр мультфильм «Почемучки. Архитектура по Нейману»

Отвечаем на вопросы:

Что определяет архитектура компьютера?

По какому принципу в компьютере обрабатывается информация Софт (программного обеспечения) и Железо (оборудование, из которого состоит компьютер)

Эти принципы и заложил Джон фон Нейман

А кем же он был?

Джон фон Нейман (1903—1957)

Американский математик и физик Джон фон Нейман был родом из Будапешта. Своими необычайными способностями этот человек стал выделяться очень рано: в шесть лет он разговаривал на древнегреческом языке, а в восемь освоил основы высшей математики.

До 1930-х годов работал в Германии. Он выполнял фундаментальные исследования, связанные с математической логикой, теорией групп, алгеброй операторов, квантовой механикой, статистической физикой, развил теорию игр и теорию автоматов.

В 1945 году был опубликован доклад фон Неймана, в котором он наметил основные принципы построения и компоненты современного компьютера.

Идеи, отраженные в докладе, развивались, и примерно через год появилась статья “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства”.

Здесь важно, что авторы, отвлекшись от электронных ламп и электрических схем, сумели обрисовать формальную организацию компьютера.

Джон фон Нейман был удостоен высших академических почестей. Он был избран членом Академии точных наук (Лима, Перу), Американской академии искусств и наук, Американского философского общества, Ломбардского института наук и литературы, Нидерландской королевской академии наук и искусств, Национальной академии США, почетным доктором многих университетов США и других стран.

Архитектурные принципы организации ЭВМ, указанные Джоном фон Нейманом, долгое время оставались почти неизменными, и лишь в конце 1970-х годов в архитектуре суперЭВМ и матричных процессоров появились отклонения от этих принципов.

Джон фон Нейман умер 8 февраля 1957 года.

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. (компоновка основных деталей компьютера)

Сформулируем основные принципы

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресуемости памяти. Основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Принцип последовательного программного управления. Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Физкультминутка

Разгадаем ребусы и соберём компьютер на основе магистрально-модульного принципа. (один ребус 1 балл) Каждый получает по 3 ребуса для разгадывания.

Архитектуры вычислительных систем сосредоточенной обработки информации

Современный компьютер состоит из нескольких функциональ­ных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого могут входить миллионы логических элементов, Для луч­шего понимания принципа работы каждого узла и компьютера в це­лом вводится понятие уровней представления компьютера.

Цифровой логический уровень – уровень логических схем базовой системы элементов.

Микроархитектурный уровень – уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регист­ры различного назначения, устройство обработки поступающих ко­манд, устройство преобразования данных, устройство управления.

Командный уровень – набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами.

Набор блоков, связей между ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектурой уровня.

Архитектура командного уровня называется обычно компьютер­ной архитектурой или компьютерной организацией.

Архитектуры с фиксированным набором устройств

Компьютерами с сосредоточенной обработкойназываются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры 1-го и 2-го поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Компь­ютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности под­ключения дополнительных устройств, не предусмотренных раз­работчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные испол­няемых программ. АЛУ обеспечивает не только числовую обработ­ку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществ­ляя ее занесение в оперативную память. Канал ввода/вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чи­сто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализа­ции компьютерных технологий, требующих подключения дополни­тельных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Вычислительные системы с открытой архитектурой

В начале 70-х гг. фирмой DEC(Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитек­тура позволяла свободно подключать любые периферийные устрой­ства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свобод­ное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполни­тельных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, кобщей шине переда­чи информации. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии состандартом шины. Стандарт шины являлся свобод­но распространяемым документом, что позволяло фирмам— произ­водителям периферийного оборудования разрабатывать контроллер для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информаци­ей. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигна­лов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых от­личаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через спе­циальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Контроллер подключается к шине специальными устройствами –портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обраще­ние к нему процессора происходит, также как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сиг­нал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке па­мяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который прояв­лялся все больше при повышении производительности внешних ус­тройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и ско­ростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности ком­пьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компь­ютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые про­цессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устрой­ством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с централь­ным процессором и между собой. Хотя архитектура компьютера ос­талась прежней, структура современного персонального компьютера имеет вид, представленный на рис. 2.12,

Рис. 4. Структура персонального компьютера

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распре­деляющего потоки информации междупроцессором, памятью, устрой­ством отображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого в состав микросхемы центрального контроллера включены устрой­ства, которые поддерживают работу компьютера. К ним относятсясистемный таймер; устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и па­мятью и периоды, когда это не требуется процессору;устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию про­цессора на запросы внешних устройств, имеющих данные для пере­дачи.

Функциональный контроллер — это СБИС, которая содержит кон­троллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких какклавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, какаудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при про­слушивании музыкальных и речевых файлов.

Для подключения специфических устройств часть обшей шины, соединяющая центральный и функциональный контроллеры, имеет слоты расширения для установки плат контроллеров.

Читайте также:

  
• Как заменить содержимое файла
  
• Каких действий следует избегать при работе с файлами
  
• Данные конфигурации загрузки вашего компьютера отсутствуют или содержат ошибки
  
• Файл обработчик смены данного статуса на какой либо другой либо удаление результата
  
• Нет звука на планшете при звонке по вайберу