Tema 1.1: Teoretične osnove ekonomske informatike

Tema 1.2: Tehnična sredstva za obdelavo informacij

Tema 1.3: Sistemska programska oprema

Tema 1.4: Servisna programska oprema in osnove algoritmiranja

Uvod v ekonomsko informatiko

1.2. Tehnična sredstva za obdelavo informacij

1.2.2. Računalniška arhitektura

Arhitektura računalnika vključuje tako strukturo, ki odraža sestavo osebnega računalnika, kot tudi programsko in matematično podporo. Zgradba računalnika je skupek elementov in povezav med njimi. Osnovno načelo konstrukcije vseh sodobnih računalnikov je nadzor programske opreme.

Temelje teorije računalniške arhitekture je postavil John von Neumann. Kombinacija teh načel je povzročila klasično (von Neumannovo) računalniško arhitekturo.

Von Neumann ni le predstavil temeljnih načel logične naprave računalnika, temveč je predlagal tudi njegovo strukturo, prikazano na sliki 1.

Slika: eno.

Stališča Von Neumanna:

1. Računalnik je sestavljen iz več glavnih naprav (aritmetična logična naprava, krmilna naprava, pomnilnik, zunanji pomnilnik, vhodne in izhodne naprave).
2. Aritmetična logična enota - izvaja logične in aritmetične operacije, potrebne za obdelavo informacij, shranjenih v pomnilniku.
3. Nadzorna naprava - zagotavlja nadzor in nadzor vseh računalniških naprav (krmilni signali so označeni s pikčastimi puščicami).
4. Podatki, shranjeni v pomnilniku, so v binarni obliki.
5. Program, ki nadzoruje delovanje računalnika in podatki, so shranjeni v isti pomnilniški napravi.
6. Za vnos in izhod informacij se uporabljajo vhodne in izhodne naprave.

Eno najpomembnejših načel - načelo shranjenega programa - zahteva, da se program shrani v pomnilnik naprave na enak način, kot se vanj vnesejo začetne informacije.

Aritmetična logična enota in krmilna enota v sodobnih računalnikih tvorita računalniški procesor. Procesor, ki je sestavljen iz enega ali več velikih integriranih vezij, se imenuje mikroprocesor ali mikroprocesorski komplet.

Procesor je funkcionalni del računalnika, ki izvaja osnovne operacije obdelave podatkov in nadzora delovanja drugih enot. Procesor je pretvornik informacij, ki prihajajo iz pomnilnika in zunanje naprave.

Pomnilniške naprave omogočajo shranjevanje začetnih in vmesnih podatkov, rezultatov izračuna in programov. Vključujejo: pomnilnik z naključnim dostopom (RAM), super-operativni RAM), samo za branje (ROM) in zunanje (OVC) naprave za shranjevanje.

Operativni pomnilnik shranjuje informacije, s katerimi računalnik deluje v določenem trenutku neposredno (rezidenčni del operacijski sistem, aplikacijski program, podatki v obdelavi). RAM vsebuje podatke, ki jih procesor najpogosteje uporablja. Procesorju so neposredno dostopne samo informacije, ki so shranjene v RAM-u in RAM-u.

Zunanje naprave za shranjevanje (magnetni diski, kot so hDD ali trdi disk) z veliko večjo zmogljivostjo od RAM-a, vendar z bistveno počasnejšim dostopom, se uporabljajo za dolgoročno shranjevanje večjih količin informacij. Na primer, operacijski sistem (OS) je shranjen na trdem disku, ko pa se računalnik zažene, se stalni del OS naloži v RAM in tam ostane, dokler se računalnik ne konča.

ROM (samo bralni pomnilnik) in EPROM (samo bralni pomnilnik) sta namenjena trajnemu shranjevanju informacij, ki so tam zapisane med njegovo izdelavo, na primer PROM za BIOS.

Na primer, tipkovnica služi kot vhodna naprava. Kot izhodna naprava - zaslon, tiskalnik itd.

V računalniku, zgrajenem po von Neumannovi shemi, se ukazi zaporedno berejo iz pomnilnika in izvajajo. Številko (naslov) naslednje pomnilniške celice, iz katere bo izvlečen naslednji programski ukaz, označuje posebna naprava - števec ukazov v krmilni napravi.

Z razvojem računalništva in programska orodja vsak računalnik se je začel obravnavati kot računalniški sistem, ki je kombinacija dveh konceptualno združenih delov: strojne opreme in programske opreme... Pojavil se je koncept "računalniške arhitekture", povezan s funkcionalnostjo računalniškega sistema, ki ga mora uporabnik poznati za učinkovito uporabo sistema pri reševanju njegovih problemov.

Računalniška arhitektura Je model, ki določa načela organizacije računalniškega sistema, sestavo, vrstni red in interakcijo glavnih delov računalnika, funkcionalnost, enostavnost uporabe, stroški, zanesljivost.

Vsak računalnik, vključno z osebnim računalnikom, mora imeti najmanj nabora funkcionalnih blokov za izvajanje svojih funkcij. To je blok za izvajanje aritmetičnih in logičnih operacij; blok za shranjevanje informacij (pomnilnika) ali naprave za shranjevanje; naprave za vnos začetnih podatkov in za izpis rezultatov. Ker morajo vse te naprave hkrati izvajati potrebna dejanja, jih je treba nadzorovati. Zato je v strukturi katerega koli računalnika nujna tudi krmilna naprava.

Vsi zgornji bloki, ob upoštevanju dejstva, da sta v pomnilniški napravi dodeljeni dve ravni (notranja in zunanja), v celoti ustrezajo sestavi klasične Fonneumannove strukture računalnika, ki je osnova računalnikov že več kot polovica stoletje (slika 4.1).

Slika: 4.1.

krepke puščice - prenos informacij; tanke puščice - prenos krmilnih signalov; ALU - blok za izvajanje aritmetičnih in logičnih operacij; ZU - naprava za shranjevanje; УУ - krmilna naprava; Uvv - naprava za vnos informacij; Žal - naprava za izhod informacij

Zgradba računalnika opredeljuje nabor funkcionalnih elementov računalnika in način vzpostavljanja povezav med njimi. V sodobnih računalnikih sta naprava za izvajanje aritmetičnih in logičnih operacij in krmilna naprava združeni v osrednji procesor. Namesto omejenega nabora vhodno-izhodnih naprav, ki so na voljo v računalnikih prvih generacij, imajo sodobni stroji velik nabor naprav (različni pogoni na magnetnih, optičnih in magneto-optičnih diskih, optični bralniki, tipkovnica, miška, igralna palica, tiskalniki, risalniki , ploterji). Hranilno hierarhijo predstavlja še več ravni.

Strojna oprema (strojne opreme ) - sklop tehničnih sredstev, ki se uporabljajo v procesu delovanja računalnika in medsebojnega medsebojnega delovanja.

Strukturno je strojna oprema sodobnega računalnika, vključno z osebnim računalnikom, sestavljena iz dveh glavnih delov: osrednjega in zunanjega. Osrednji del običajno vključuje osrednji procesor in glavni pomnilnik, saj se na njihovi osnovi izvaja načelo programskega nadzora.

CPU zagotavlja izvajanje postopkov obdelave podatkov in programski nadzor tega procesa. Vključuje aritmetično logično enoto, nadzorno enoto in lastne pomnilniške naprave (registri, predpomnilnik).

Aritmetična logična enota (ALU) - del procesorja, ki zagotavlja postopke pretvorbe podatkov.

Krmilna naprava (UU) - del procesorja, ki zagotavlja nadzor nad postopkom obdelave podatkov.

UU izbere ukaze iz glavnega pomnilnika, interpretira vrsto ukaza in zažene zahtevano vezje ALU.

Pomnilnik procesorja - naprave za shranjevanje podatkov.

Glavni spomin Računalnik vključuje operativni in trajni pomnilnik.

OVEN - naprava, ki omogoča začasno shranjevanje ukazov in podatkov med izvajanjem programa.

Vztrajen spomin - naprava, ki omogoča trajno shranjevanje in možnost branja informacij, ki so ključne za delovanje računalnika.

Glavne pomnilniške in procesorske naprave za shranjevanje pripadajo notranje naprave za shranjevanje. Neposredno komunicirajo s procesorjem, imajo visoko hitrost in razmeroma majhno zmogljivost.

Vse druge računalniške naprave pripadajo obrobnemu delu in se imenujejo zunanji ali periferni. Zunanje naprave so razvrščene v V / I naprave in zunanje naprave za shranjevanje.

Vhodno-izhodne naprave zagotavljajo vnos začetnih podatkov in izpis rezultatov iz centralnih računalniških naprav.

Zunanje naprave za shranjevanje (VCU) imajo veliko zmogljivost in sorazmerno majhno hitrost. Sem spadajo pogoni z magnetnim diskom (LMD), pogoni z magnetnim trakom (LMD), pogoni z optičnimi diski (POD), bliskovni pogoni.

En računalnik lahko uporabljate od enot do več sto zunanjih naprav. Sestava teh naprav je praviloma spremenljiva in je določena s sestavo nalog, rešenih na določenem računalniku. Zato je v navadi reči o konfiguraciji računalnika , s tem izrazom razumejo posebno sestavo svojih naprav ob upoštevanju njihovih značilnosti.

Sprejeto je, da se imenuje prenos informacij iz zunanjih naprav v jedro računalnika vhodna operacija. Kliče se prenos informacij iz jedra računalnika na zunanje naprave izhodna operacija.

Včasih se zunanje naprave delijo na sistemske zunanje naprave, brez katerih računalnik ne more v celoti delovati, in dodatne. Sistemska zunanja oprema vključuje tipkovnico, monitor, trdi disk, tiskalnik. Za dodatne - različne naprave za vnos in izhod informacij, naprave za komunikacijo z zunanjim okoljem, za obdelavo večpredstavnostnih informacij.

Struktura visokozmogljivih računalnikov vključuje vhodno-izhodni kanali - niz naprav, ki omogočajo izmenjavo podatkov med centralnim procesorjem, oven in vhodno-izhodne naprave.

Kanali lahko delujejo vzporedno s centralnim procesorjem. Njihov glavni namen je odstraniti iz osrednjega procesorja nekatere funkcije za upravljanje izmenjave podatkov z zunanjimi napravami.

Učinkovitost uporabe računalnika ni odvisna samo od sestave in značilnosti njegovih naprav, temveč tudi od načina njihove organizacije. delati skupaj... Povezava računalniških komponent se izvede z uporabo vmesniki - sklop standardizirane strojne in programske opreme za izmenjavo informacij med napravami. Konstrukcija vmesnikov temelji na uporabi enotnih metod kodiranja podatkov, standardizaciji povezovalnih elementov. Prisotnost standardnih vmesnikov omogoča poenotenje prenosa informacij med napravami, ne glede na njihove lastnosti.

Za različne razrede računalnikov se uporabljajo različne strukture. V visokozmogljivih računalnikih se običajno uporablja hierarhična struktura z več nivoji vmesnikov in vhodno-izhodnih kanalov. Računalnik najpogosteje uporablja strukturo s sistemskim vodilom sistemsko vodilo, ki je sistem funkcionalno medsebojno povezanih žic, ki zagotavljajo prenos podatkov, naslove podatkov in krmilne signale (slika 4.2).

Pokliče se število žic v sistemskem vodilu, namenjenih za prenos podatkov širina vodila. Širina vodila določa število bitov, ki se istočasno prenesejo na vodilo. Število žic za prenos naslovov določa, koliko RAM-a je mogoče nasloviti.

Strojna platforma - sklop tehničnih sredstev, ki določajo okolje za delovanje določenih programov. Osnova strojne platforme je kombinacija sistemske (matične) plošče in vrste uporabljenega procesorja.

Slika: 4.2.

CPU - centralna procesorska enota; RAM - pomnilnik z naključnim dostopom; ROM - pomnilnik samo za branje; Krmilnik - naprava za nadzor zunanje naprave

• Z imenom ameriškega znanstvenika J. von Neumanna (1903-1957), ki je leta 1946 utemeljil sestavo osnovnih naprav in načela delovanja računalnika.

Elektronski računalniki (računalniki) ali, kot jih danes bolj pogosto imenujejo računalniki, so ena najbolj neverjetnih človeških stvaritev. V ozkem smislu so računalniki naprave, ki izvajajo različne vrste izračunov ali olajšajo ta postopek. Najenostavnejše naprave, ki služijo takim namenom, so se pojavile v starih časih, pred nekaj tisočletji. Ko se je človeška civilizacija razvijala, so se počasi razvijale in se nenehno izboljševale. Vendar pa je bil šele v 40-ih letih našega stoletja začetek ustvarjanja računalnikov moderne arhitekture in s sodobno logiko. Prav ta leta lahko upravičeno štejemo za čas rojstva sodobnih (seveda elektronskih) računalnikov.

Da je računalnik lahko učinkovit in vsestranski, mora vključevati naslednje strukture: centralno aritmetično-logično enoto (ALU), centralno krmilno enoto (CU), ki "izvaja" operacije, pomnilniško napravo ali pomnilnik, pa tudi vhodno-izhodne naprave ...

Von Neumann je opozoril, da bi moral ta sistem delovati z binarnimi števili, biti elektronski, ne mehaničen in izvajati postopke zaporedoma, enega za drugim.

Načela, ki jih je oblikoval von Neumann, so postala splošno sprejeta in so postavila temelje za glavne računalnike prvih generacij in kasneje mini in mikroračunalnikov. In čeprav se v zadnjih letih aktivno išče računalnike, ki temeljijo na načelih, drugačnih od klasičnih, je večina računalnikov zgrajena po načelih, ki jih je opredelil Neumann.

Računalniška arhitektura in struktura

Pri obravnavi računalniških naprav je običajno razlikovati med njihovo arhitekturo in strukturo. Računalniška arhitektura njen opis se pokliče na neki splošni ravni, vključno z opisom uporabniških programov, ukaznim sistemom, naslovnim sistemom, organizacijo pomnilnika itd. Arhitektura definira načela delovanja, informacijske povezave in medsebojno povezanost glavnih logičnih vozlišč računalnika: procesor, RAM, zunanje pomnilniške in zunanje naprave. Skupna arhitektura različni računalniki zagotavlja njihovo združljivost z vidika uporabnika. Zgradba računalnika je sklop njegovih funkcionalnih elementov in povezav med njimi. Elementi so lahko najrazličnejše naprave - od glavnih logičnih vozlišč računalnika do najpreprostejših vezij. Zgradba računalnika je grafično predstavljena v obliki strukturnih diagramov, s pomočjo katerih je mogoče računalnik opisati na kateri koli ravni podrobnosti. Naslednje arhitekturne rešitve so najpogostejše. Klasična arhitektura (von Neumannova arhitektura) - ena aritmetična logična enota (ALU), skozi katero prehaja podatkovni tok, in ena nadzorna enota (CU), skozi katero poteka ukazni tok - program. To je enoprocesorski računalnik. Ta vrsta arhitekture vključuje arhitekturo osebnega računalnika s skupnim vodilom. Vsi funkcionalni bloki so tukaj povezani s skupnim vodilom, imenovanim tudi sistemsko vodilo. Fizično hrbtenica je večžilni vod z vtičnicami za priključitev elektronskih vezij. Zbirka prtljažnih žic je razdeljena na ločene skupine: naslovno vodilo, podatkovno vodilo in nadzorno vodilo. Zunanje naprave ( tiskalnik itd.) so na računalniško strojno opremo povezani s posebnimi krmilniki - nadzornimi napravami za zunanje naprave. Krmilnik - naprava, ki povezuje zunanjo opremo ali komunikacijske kanale z osrednjim procesorjem, s čimer procesor osvobodi neposrednega nadzora nad delovanjem te opreme. Večprocesorska arhitektura ... Če imate v računalniku več procesorjev, lahko vzporedno organizirate številne tokove podatkov in številne tokove ukazov. Tako lahko vzporedno izvedemo več fragmentov ene naloge. Zgradba takega stroja s skupnim RAM-om in več procesorji je prikazana na sliki. Večprocesorska računalniška arhitektura Večstrojni računalniški sistem ... Tu več procesorjev, vključenih v računalniški sistem, nima skupnega RAM-a, ima pa vsak svojega (lokalnega). Vsak računalnik v večstrojnem sistemu ima klasično arhitekturo in tak sistem se pogosto uporablja. Vendar pa je učinek uporabe takega računalniškega sistema mogoče doseči le, kadar reševanje problemovki imajo zelo posebno strukturo: razdeliti ga je treba na toliko ohlapno povezanih podopravil, kolikor je v sistemu računalnikov. Prednost večprocesorskih in večstrojnih računalniških sistemov pred enoprocesorskimi je očitna. Vzporedna procesorska arhitektura ... Tu deluje več ALU pod nadzorom ene CU. To pomeni, da lahko en program obdela veliko podatkov - torej en tok navodil. Visoko zmogljivost takšne arhitekture je mogoče doseči le pri nalogah, pri katerih se istočasno izvajajo iste računske operacije na različnih naborih podatkov istega tipa. Zgradba takšnih računalnikov je prikazana na sliki. Vzporedna procesorska arhitektura Sodobni stroji pogosto vsebujejo elemente različnih vrst arhitekturnih rešitev. Obstajajo tudi takšne arhitekturne rešitve, ki se radikalno razlikujejo od zgoraj omenjenih. Sodobna osebni računalnik je sestavljen iz več glavnih strukturnih komponent: sistemska enota; monitor; tipkovnice; manipulatorji. Sistemska enota Sistemska enota je najpomembnejša enota računalnika. Z njim so povezani vsi drugi bloki, imenovani zunanje ali zunanje naprave. Sistemska enota vsebuje glavne elektronske komponente računalnika. Računalnik je zgrajen na osnovi VLSI (zelo velika integrirana vezja) in skoraj vsi se nahajajo znotraj sistemske enote, na posebnih ploščah (plošča je plastična plošča, na kateri so elektronske komponente pritrjene in medsebojno povezane - VLSI, mikrovezja itd.). Najpomembnejša plošča v računalniku je matična plošča. Vsebuje osrednji procesor, koprocesor, pomnilnik z naključnim dostopom - RAM in priključke za priključitev krmilnih plošč zunanjih naprav. Sistemska enota vsebuje: napajalnik - naprava, ki pretvori izmenično napetost omrežja v konstantno napetost različne polarnosti in velikosti, ki je potrebna za napajanje matične plošče in notranje naprave... Napajalnik vsebuje ventilator, ki kroži zrak za hlajenje sistemske enote. sistemska plošča (matična plošča); hrbtenica (sistemsko vodilo); cPU; zvočna kartica; grafična kartica (grafična kartica); trdi diski; disketni pogoni; optične, magneto-optične in druge naprave za shranjevanje; pogon CD-ROM, DVD-ROM; Matična plošča Glavni del katerega koli računalniškega sistema je matična plošča z glavnim procesorjem in mikrovezji, ki ga podpirajo. Funkcionalno lahko matično ploščo opišemo na različne načine. Včasih takšna plošča vsebuje celotno računalniško vezje (ena plošča). V nasprotju z enojnimi računalniki matična plošča v vodih usmerjenih računalnikih izvaja minimalno konfiguracijsko shemo, preostale funkcije pa se izvajajo s številnimi dodatne plošče... Vse komponente so povezane z vodilom. Sistemska plošča nima video adapterja, nekaterih vrst pomnilnika in sredstev za komunikacijo z dodatnimi napravami. Te naprave (razširitvene kartice) se dodajo na sistemsko ploščo tako, da se pritrdijo na razširitveno vodilo, ki je del sistemske plošče. Prvo matično ploščo je zasnoval IBM in jo prikazal avgusta 1981 (PC-1). Leta 1983 se je pojavil računalnik s povečano sistemsko ploščo (PC-2). Največ, kar je PC-1 lahko podpiral brez uporabe razširitvenih kartic, je bilo 64K pomnilnika. PC-2 je že imel 256K, najpomembnejša razlika pa je bila programiranje obeh plošč. Matična plošča PC-1 brez prilagoditve ni mogla podpirati najmočnejših razširitvenih naprav, kot so trdi diski in napredni video adapterji. Matična plošča je zapletena različne naprave podpiranje sistema kot celote. Zahtevani atributi matične plošče so osnovni procesor, RAM, sistemski BIOS, krmilnik tipkovnice, razširitvene reže. Matična plošča v računalniku je glavni pritrdilni del, na katerega so pritrjeni ostali deli. Med običajnim delovanjem matične plošče se je ne spomnijo, dokler ni treba izboljšati računalnika. Običajno želijo namestiti hitrejši procesor, kar vodi do zamenjave matične plošče. Brez nove matične plošče na primer ne morete zamenjati starega Pentium MMX s Pentium III. Avtor videz Na matični plošči lahko določite, kateri procesor, pomnilnik in dodatne naprave so vstavljeni v zunanja vrata in vtičnice računalnika. Po velikosti matične plošče na splošno ga lahko razdelimo v tri skupine. Prej so bile vse matične plošče 8,5 / 11 palcev. Pri XT so se dimenzije povečale za 1 palec, pri AT-ju pa še več. Pogosto lahko govorimo o "zelenih" deskah (green mothеrboard). Zdaj se proizvajajo samo take plošče. Te matične plošče omogočajo izvajanje več načinov varčevanja z energijo (vključno s tako imenovanim "spanjem", ki izklopi napajanje računalniških komponent, ki trenutno ne delujejo). Ameriška agencija za varstvo okolja (EPA) se je osredotočila na zmanjšanje porabe energije računalniških sistemov. Oprema, ki izpolnjuje njene zahteve (EPA), mora v povprečju porabiti največ 30 W, ne uporablja strupenih materialov in omogoča 100-odstotno recikliranje. Ker sodobni mikroprocesorji uporabljajo napajalno napetost 3,3-4V, 5V pa se napaja na ploščo, sistem pretvorniki napetosti so nameščeni na ploščah. Frekvence procesorja, sistemskega vodila in zunanjega vodila Zmogljivost različnih računalniških komponent (procesor, RAM in periferni krmilniki) se lahko bistveno razlikuje. Za koordinacijo delovanja so na matični plošči nameščena posebna mikrovezja (nabori čipov), ki vključujejo krmilnik RAM-a (tako imenovani severni most) in krmilnik perifernih naprav (južni most). Slika 1. Logika sistemske plošče Vodilo PCI (Peripherial Component Interconnect bus) je povezano s severnim mostom, ki omogoča izmenjavo informacij s perifernimi krmilniki. Frekvenca krmilnikov je nižja od frekvence sistemskega vodila, na primer, če je frekvenca sistemskega vodila 100 MHz, je frekvenca vodila PCI običajno trikrat nižja - 33 MHz. Periferni krmilniki (zvočna kartica, omrežna kartica, SCSI krmilnik, notranji modem) so nameščeni v razširitvenih režah matične plošče. Ko se ločljivost monitorja in globina barve povečata, se povečajo zahteve glede hitrosti vodila, ki povezuje grafično kartico s procesorjem in RAM-om. Trenutno se za priključitev grafične kartice običajno uporablja posebno vodilo AGP (Accelerated Graphic Port), ki je povezano s severnim mostom in ima frekvenco nekajkrat višjo od vodila PCI. Južni most omogoča izmenjavo informacij med Severnim mostom in pristanišči za priključitev periferne opreme. Naprave za shranjevanje ( trdi diski, CD-ROM, DVD-ROM) so povezani z južnim mostom prek vodila UDMA (Ultra Direct Memory Access - neposredna povezava v spomin). Miška in zunanji modem sta povezana z južnim mostom s pomočjo serijskih vrat, ki drug za drugim oddajajo električne impulze, ki prenašajo informacije v strojni kodi. Zaporedna vrata so označena kot COM1 in COM2 ter strojna oprema, izvedena s pomočjo 25-in 9-pinskih konektorjev, ki se pripeljejo na zadnjo ploščo sistemske enote. Tiskalnik je povezan z vzporednimi vrati, ki zagotavljajo večjo hitrost prenosa podatkov kot serijska vrata, saj hkrati oddaja 8 električnih impulzov, ki prenašajo informacije v strojni kodi. Vzporedna vrata so označena kot LTP in so v strojni opremi nameščena kot 25-pinski konektor na zadnji plošči sistemske enote. Običajno se uporablja za povezavo skenerjev in digitalnih kamer vrata USB (Universal Serial Bus - univerzalno serijsko vodilo), ki omogoča hitro povezavo z računalnikom več zunanjih naprav hkrati. Tipkovnica je običajno povezana z vrati PS / 2.

Pod računalniško arhitekturo pomeni celoto splošna načela organizacija strojne in programske opreme ter njihove značilnosti, ki določa funkcionalnost računalnika pri reševanju ustreznih razredov problemov.

Odprta arhitektura - predpostavlja prisotnost enotnega standarda pri razvoju naprav, ki se nahajajo na matični plošči in razširitveni plošči.

Zgradba računalnika je določen model, ki določa sestavo, vrstni red in načela interakcije njegovih komponent

Slika 3 - računalniška arhitektura.

Trenutno sta v računalnikih najbolj razširjeni 2 vrsti arhitekture: Princeton (von Neumann) in Harvard... Oba ločujeta dve glavni računalniški enoti: centralni procesor in računalniški pomnilnik. Razlika je v strukturi pomnilnika: v Princetonovi arhitekturi so programi in podatki shranjeni v enem nizu pomnilnika in preneseni v procesor po enem kanalu, medtem ko arhitektura Harvarda predvideva ločena shranjevanja in prenose tokov za ukaze in podatke .

Po mnenju Johna von Neumanna mora vsak računalnik vsebovati štiri glavne bloke - procesor, RAM, zunanji pomnilnik in niz vhodno-izhodnih naprav

Slika 4 - Blokovni diagram računalnika

Ta shema, ki se je pogosto uporabljala v prvih računalnikih, je imela eno pomembno pomanjkljivost: V / I nadzor in izvajanje ukazov je izvajala ena nadzorna enota. S takšno računalniško strukturo so se zaradi zasedenosti procesorja ustavile vse vrste obdelave programske opreme za čas V / I operacij, kar je znatno zmanjšalo hitrost stroja.

Da bi odpravili to pomanjkljivost, je bila v vezje vključena dodatna komponenta - vhodno-izhodni kanal (naprava, ki zagotavlja neposredno interakcijo med procesorjem in zunanjimi napravami).

Harvardska arhitektura - računalniška arhitektura, katere značilnost je ločeno shranjevanje in obdelava ukazov in podatkov. Arhitekturo je zasnoval Howard Aiken v poznih tridesetih letih na univerzi Harvard

Tipične operacije (seštevanje in množenje) zahtevajo več dejanj iz katere koli računalniške naprave: pridobivanje dveh operandov, izbira in izvajanje ukaza in na koncu shranjevanje rezultata.

Aikenova ideja je bila fizično ločiti ukazno in podatkovno vrstico. Prvi računalnik Aiken, Mark I, je uporabil perforiran trak za shranjevanje navodil in elektromehanske registre za obdelavo podatkov. To je omogočilo istočasno pošiljanje in obdelavo ukazov in podatkov, kar je močno izboljšalo splošno zmogljivost.

V več natančen opis, ki opredeljuje določeno arhitekturo, vključuje tudi: strukturni diagram računalnika, sredstva in načine dostopa do elementov tega strukturnega diagrama, organizacijo in bitno širino računalniških vmesnikov, nabor in dostopnost registrov, organizacijo pomnilnik in metode njegovega naslavljanja, nabor in oblika strojnih navodil procesorja, načini predstavitve in formati podatkov, pravila za obdelavo prekinitev.

Glede na navedene značilnosti in njihove kombinacije med arhitekturami ločimo:

1. Po bitnosti vmesnikov in strojnih besed: 8-, 16-, 32-, 64-, 128-bit (številni računalniki imajo druge bite);

2. Po posebnostih nabora registrov, obliki ukazov in podatkov: CISC, RISC, VLIW;

3. Po številu centralnih procesorjev: enoprocesor, večprocesor, super skalar; multiprocesor, ki temelji na principu interakcije s pomnilnikom: simetrični večprocesor (SMP), masivno vzporeden (MPP), porazdeljen.

Večina večprocesorskih sistemov danes uporablja arhitektura SMP.

Sistemi SMP omogočajo, da kateri koli procesor deluje pri kateri koli nalogi, ne glede na to, kje so podatki za to nalogo shranjeni v pomnilniku; s pravilno podporo operacijskega sistema lahko sistemi SMP enostavno prenašajo naloge med procesorje in tako učinkovito uravnotežijo obremenitev. Po drugi strani pa je pomnilnik veliko počasnejši od procesorjev, ki do njega dostopajo; celo enoprocesorski stroji morajo porabiti veliko časa za pridobivanje podatkov iz pomnilnika. V SMP lahko naenkrat dostopa do pomnilnika le en procesor.

Masivno vzporedna arhitektura (Eng. Massive Parallel Processing, MPP) - razred arhitektur za vzporedne računalniške sisteme Posebnost arhitekture je, da je spomin fizično ločen. Sistem je zgrajen iz ločenih modulov, ki vsebujejo procesor, lokalno banko operativnega pomnilnika, komunikacijske procesorje oz omrežni vmesniki, včasih trdi diski in / ali druge vhodno / izhodne naprave. Dostop do banke operacijskega pomnilnika iz tega modula imajo samo procesorji iz istega modula. Moduli so povezani s posebnimi komunikacijskimi kanali. Za razliko od sistemov SMP ima vsak računalnik v napravah z ločenim pomnilnikom dostop samo do svojega lokalnega pomnilnika, zato sinhronizacija procesorjev v urni smeri ni potrebna.

Porazdeljeno računalništvo, metaračunalništvo (eng.grid - omrežje) je način za reševanje zamudnih računskih nalog z uporabo več računalnikov, združenih v vzporedni računalniški sistem (sočasna rešitev različnih delov ene računske naloge s strani več procesorjev (ali jeder enega procesorja) enega ali več računalnikov)

IN super skalarni procesorji obstaja tudi več računskih modulov, vendar je naloga porazdelitve dela med njimi rešena v strojni opremi. To močno oteži zasnovo procesorja in je lahko nagnjeno k napakam. V procesorjih VLIW je težava z dodeljevanjem rešena v času prevajanja, navodila pa izrecno navajajo, katera računalniška naprava naj izvede kateri ukaz.

Superskalarnost je računalniška jedrna arhitektura, ki uporablja več dekodirnikov ukazov, ki lahko z delom naložijo več izvršilnih enot. Načrtovanje izvajanja ukaznega toka je dinamično in ga izvaja računsko jedro samo. Če si med delovanjem ukazi, ki jih obdeluje cevovod, med seboj ne nasprotujejo in eden ni odvisen od rezultata drugega, lahko takšna naprava izvaja vzporedno izvajanje ukazov. V superskalarnih sistemih se odločitev o zagonu navodil za izvajanje sprejme s pomočjo računalniškega modula, ki zahteva veliko sredstev.

povzetek

Tema: '' Računalniška arhitektura in njene glavne značilnosti ''.

Uvod

Elektronski računalniki (računalniki) ali, kot jih danes bolj pogosto imenujejo računalniki, so ena najbolj neverjetnih človeških stvaritev. V ozkem smislu so računalniki naprave, ki izvajajo različne vrste izračunov ali olajšajo ta postopek. Najenostavnejše naprave za takšne namene so se pojavile v starih časih, pred nekaj tisočletji. Ko se je človeška civilizacija razvijala, so se počasi razvijale in se nenehno izboljševale. Vendar le v 40. leta našega stoletja je bil položen začetek ustvarjanja računalnikov moderne arhitekture in s sodobno logiko. Prav ta leta lahko upravičeno štejemo za čas rojstva sodobnih (seveda elektronskih) računalnikov.

Da je računalnik lahko učinkovit in vsestranski, mora vključevati naslednje strukture: centralno aritmetično-logično enoto (ALU), centralno krmilno enoto (CU), ki "izvaja" operacije, pomnilniško napravo ali pomnilnik, pa tudi vhodno-izhodne naprave ...

Von Neumann je opozoril, da bi moral ta sistem delovati z binarnimi števili, biti elektronski, ne mehaničen in izvajati postopke zaporedoma, enega za drugim.

Načela, ki jo je oblikoval von Neumann, je postala splošno sprejeta in je služila kot osnova za glavne računalnike prve generacije in kasneje mini in mikroračunalnike. In čeprav se v zadnjih letih aktivno išče računalnike, ki temeljijo na načelih, drugačnih od klasičnih, je večina računalnikov zgrajena po načelih, ki jih je opredelil Neumann.

Računalniška arhitektura in struktura

Glavne značilnosti računalništva

Glavne značilnosti računalniške tehnologije vključujejo njene operativne in tehnične značilnosti, kot so hitrost, zmogljivost pomnilnika, računska natančnost itd.

Hitrost računalnika obravnavana v dveh vidikih. Po eni strani je zanj značilno število osnovnih operacij, ki jih izvaja centralni procesor na sekundo. Osnovno dejanje razumemo kot vsako najpreprostejšo operacijo, kot je dodajanje, prenos, primerjava itd. Po drugi strani pa je hitrost računalnika bistveno odvisna od organizacije njegovega pomnilnika. Čas iskanja potrebnih informacij v pomnilniku opazno vpliva na hitrost računalnika.

Odvisno od področja uporabe se računalniki proizvajajo s hitrostjo od nekaj sto tisoč do milijard operacij na sekundo. Za reševanje zapletenih problemov je mogoče združiti več računalnikov v en računalniški kompleks z zahtevano skupno hitrostjo.

Skupaj z zmogljivostjo se pogosto uporablja tudi koncept izvedba... Če je prvi v glavnem posledica sistema elementov, ki se uporabljajo v računalniku, je drugi povezan z njegovo arhitekturo in vrstami problemov, ki jih rešujemo. Tudi za en računalnik takšna značilnost, kot je hitrost, ni stalna vrednost. V zvezi s tem ločite med: največjo zmogljivostjo, določeno z urno frekvenco procesorja brez upoštevanja dostopa do RAM-a; nazivna hitrost, določena ob upoštevanju časa dostopa do RAM-a; zmogljivost sistema, določena ob upoštevanju sistemskih stroškov za organizacijo računalniškega procesa; operativno, določeno ob upoštevanju narave nalog, ki se rešujejo (sestava operacij ali njihova "mešanica").

Kapaciteta ali prostornina pomnilnika je določena z največjo količino informacij, ki jih je mogoče shraniti v računalniški pomnilnik. Kapaciteta pomnilnika se običajno meri v bajtih. Kot smo že omenili, je računalniški pomnilnik razdeljen na notranji in zunanji. Notranji pomnilnik ali pomnilnik z naključnim dostopom je različen po velikosti za različne razrede strojev in ga določa sistem za naslavljanje računalnika. Zmogljivost zunanjega pomnilnika je praktično neomejena zaradi strukture blokov in snemljivih pogonov.

Natančnost izračuna je odvisno od števila števk, s katerimi predstavljamo eno številko. Sodobni računalniki so opremljeni z 32- ali 64-bitnimi mikroprocesorji, kar je povsem dovolj za zagotovitev visoke natančnosti izračunov v najrazličnejših aplikacijah. Če pa to ni dovolj, lahko uporabimo dvojno ali trojno bitno mrežo.

Ukazni sistem je seznam ukazov, ki jih računalniški procesor lahko izvaja. Nabor ukazov določa, katere specifične operacije lahko izvaja procesor, koliko operandov mora v navodilu navesti, kakšno vrsto (obliko) naj ima navodilo, da ga prepozna. Število osnovnih vrst ukazov je majhno. Z njihovo pomočjo lahko računalniki izvajajo operacije seštevanja, odštevanja, množenja, deljenja, primerjave, zapisovanja v pomnilnik, prenosa številke iz registra v register, pretvorbe iz enega številskega sistema v drugega itd. izvede, ob upoštevanju posebnosti izračunov. Običajno računalnik uporablja od deset do stotine ukazov (ob upoštevanju njihove spremembe). V sedanji fazi razvoja računalniške tehnologije se za oblikovanje nabora procesorskih ukazov uporabljata dva glavna pristopa. Po eni strani je to tradicionalni pristop, povezan z razvojem procesorjev s popolnim naborom navodil - arhitekturo CISC (Complete Instruction Set Computer - računalnik s celotnim naborom ukazov). Po drugi strani pa gre za izvedbo v računalniku zmanjšanega nabora najpreprostejših, a pogosto uporabljenih navodil, ki omogoča poenostavitev strojne opreme procesorja in povečanje njegove zmogljivosti - arhitekture RISC (Reduced Instruction Set Computer - računalnik z zmanjšanim nizom navodil).

Stroški računalnika je odvisno od številnih dejavnikov, zlasti od hitrosti, zmogljivosti pomnilnika, nabora navodil itd. Na stroške močno vpliva posebna konfiguracija računalnika in predvsem zunanje naprave, ki sestavljajo stroj. Na koncu pa stroški programske opreme pomembno vplivajo na stroške računalnikov.

Zanesljivost računalnika je sposobnost stroja, da ohrani svoje lastnosti pod določenimi obratovalnimi pogoji za določeno časovno obdobje. Naslednji kazalniki lahko služijo kot kvantitativna ocena zanesljivosti računalnika, ki vsebuje elemente, katerih okvara vodi v okvaro celotnega stroja:

Verjetnost brezhibnega delovanja za določen čas v danih pogojih obratovanja;
računalniški čas med napakami;
povprečni čas okrevanja avtomobila itd.

Za bolj zapletene strukture, kot sta računalniški kompleks ali sistem, koncept "okvare" nima smisla. V takšnih sistemih okvare posameznih elementov vodijo do določenega zmanjšanja učinkovitosti delovanja in ne do popolne izgube zmogljivosti kot celote.

Pomembne so tudi druge značilnosti računalniške tehnologije, na primer: vsestranskost, združljivost programske opreme, teža, mere, poraba energije itd. Upoštevajo se pri ocenjevanju določenih področij uporabe računalnika.

Seznam referenc

L. V. Bukčin, Yu. L. Bezrukiy Diskovni sistem IBM združljivi računalniki. - M.: Binom, 1993. - 284 str.

Lagutenko O.I. Modemi. Navodila. - SPb.: Lan, 1997. - 364

Računalništvo. Osnovni tečaj

Simonovich S.V. in drugi - Sankt Peterburg: Založba "Peter", 2000.

Ugrinovič N.D. Informatika in informacijska tehnologija. Študijski vodnik za razrede 10-11. Napredni tečaj. - M.: Laboratorij za osnovno znanje, 2000.

A. A. Smirnov Arhitektura računalniških sistemov, M. Nauka, 1990

Povzetek 1

Uvod 2

Računalniška arhitektura in struktura 3

Računalnik ... koncept arhitektura računalnik, katere vsebina je precej obsežna. Arhitektura računalnik - ... značilnosti računalnikdoločanje njo struktura: tehnična in operativna značilnosti računalnik ...