Слайд 1
Основы компьютерной техники
Дисциплина: «Архитектура аппаратных средств»
Преподаватель: Солодухин Андрей Геннадьевич
Слайд 2
Основы компьютерной техники
Компьютер представляет собой устройство, способное исполнять четко
определенную последовательность операций, предписанную программой.
Понятие «компьютер» является более широким,
чем «электронно-вычислительная машина» (ЭВМ), поскольку в последнем явный акцент делается на вычисления.
Персональный компьютер (ПК) характерен тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи обслуживающего персонала.
Слайд 3Реализация фон-неймановской архитектуры вычислительных машин
Архитектура ВМ была представлена Джорджем фон
Нейманом (George von Neumann)в 1945 году.
Признаки
состоит из:
блока управления;
арифметико-логического
устройства
(АЛУ);
памяти;
устройств ввода-вывода.
Слайд 4Признаки
Программы и данные хранятся в одной и той же памяти.
Центральный процессор выбирает и исполняет команды из памяти последовательно,
адрес
очередной команды задается «счетчиком адреса» в блоке управления.
Этот принцип исполнения называется последовательной передачей управления.
Данные могут включать переменные - именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью дальнейшего использования в программе.
Слайд 5Фон-неймановская архитектура - не единственный вариант построения ЭВМ, есть и
другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоковые машины).
Большинство
современных компьютеров основаны на указанных принципах, которые можно рассматривать как объединение фон-неймановских машин.
Признаки
Слайд 8Центральный процессор
(АЛУ с блоком управления) реализуется микропроцессором семейства х86
— от 8086/88 до новейших процессоров Pentium, Athlon и Opteron
(и это не конец истории).
Процессор имеет набор регистров, часть которых доступна для хранения операндов, выполнения действий над ними и формирования адреса инструкций и операндов в памяти.
Другая часть регистров используется процессором для служебных (системных) целей, доступ к ним может быть ограничен (есть даже программно-невидимые регистры).
Все компоненты компьютера представляются для процессора в виде наборов ячеек памяти или/и портов ввода-вывода, в которые процессор может записывать и/или из которых может считывать содержимое.
Слайд 10Память
Оперативная память (ОЗУ) - самый большой массив ячеек памяти со
смежными адресами - реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической
памяти.
Для повышения производительности обмена данными (включая и считывание команд) оперативная память кэшируется сверхоперативной памятью.
Два уровня кэширования территориально располагаются в микропроцессоре.
Слайд 11Память
Оперативная память вместе с кэшем всех уровней (в настоящее время
— до трех) представляет собой единый массив памяти,
непосредственно доступный
процессору для записи и чтения данных,
а также считывания программного кода.
Слайд 12Память
Помимо оперативной память включает также постоянную (ПЗУ), из которой можно
только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти
(например, видеопамять графического адаптера).
Вся эта память (вместе с оперативной) располагается в едином пространстве с линейной адресацией.
В любом компьютере обязательно есть энергонезависимая память, в которой хранится программа начального запуска компьютера и минимально необходимый набор сервисов (ROM BIOS).
Слайд 13Память
Процессор (один или несколько), память и необходимые элементы, связывающие их
между собой и с другими устройствами, называют центральной частью, или
ядром, компьютера (или просто центром).
То, что в фон-неймановском компьютере называлось устройствами ввода-вывода (УВВ), удобнее называть периферийными устройствами.
Слайд 14Периферийные устройства
(ПУ) — это все программно-доступные компоненты компьютера, не
попавшие в его центральную часть.
Их можно разделить по назначению
на несколько классов:
Слайд 16Устройства хранения данных (устройства внешней памяти) - дисковые (магнитные, оптические,
магнитооптические), ленточные (стримеры), твердотельные (карты, модули и USB-устройства на флэш-памяти).
Эти устройства используются для сохранения информации, находящейся в памяти, на энергонезависимых носителях и загрузки этой информации в оперативную память.
Периферийные устройства. Классы
Слайд 18Устройства ввода-вывода служат для преобразования информации из внутреннего представления компьютера
(биты и байты) в форму, понятную окружающим, и обратно.
Под
окружающими подразумеваются человек (и другие биологические объекты) и различные технические устройства (компьютер можно приспособить для управления любым оборудованием, были бы датчики и исполнительные устройства).
В какую форму эти устройства преобразуют двоичную информацию — определяется их назначением.
Периферийные устройства. Классы
Слайд 20Коммуникационные устройства служат для передачи информации между компьютерами и/или их
частями.
Сюда относят модемы (проводные, радио, оптические, инфракрасные...), адаптеры локальных и
глобальных сетей.
В данном случае преобразование формы представления информации требуется только для передачи ее на расстояние.
Периферийные устройства. Классы
Слайд 22Вывод
Процессор, память и периферийные устройства взаимодействуют между собой с помощью
шин, аппаратных и программных интерфейсов.
Стандартизация интерфейсов делает архитектуру компьютеров
открытой.
Слайд 23Биты, байты, слова, параграфы
Компьютер работает в двоичной системе счисления
— минимальным информационным элементом является бит, который может принимать значение
0 или 1.
Этим значениям соответствуют различимые физические состояния ячейки, чаще всего — уровень напряжения (низкий или высокий).
Слайд 24Биты
организуются в более крупные образования — ячейки памяти и регистры.
Каждая ячейка памяти (и каждый регистр) имеет свой адрес, однозначно
ее идентифицирующий в определенной системе координат.
Минимальной адресуемой (пересылаемой между компонентами компьютера) единицей информации является байт состоящий из 8 бит.
Два байта со смежными адресами образуют
слово (word) разрядностью 16 бит, два смежных слова — двойное слово (double word) разрядностью 32 бита, два смежных двойных слова — учетверенное слово (quad word) разрядностью 64 бита.
Байт (8 бит) делится на пару тетрад (nibble): старшую тетраду — биты [7:4] и младшую тетраду —биты [3:0].
Слайд 25В двухбайтном слове принят LH-порядок следования байтов: адрес слова указывает
на младший байт L (Low), а старший байт Н (High)
размещается по адресу, большему на единицу.
В двойном слове порядок аналогичен — адрес указывает на самый младший байт, после которого размещены следующие по старшинству.
Биты, байты, слова, параграфы
Слайд 26Этот порядок, называемый форматом Little Endian и естественный для процессоров
Intel, применяется не во всех микропроцессорных семействах.
В формате Big
Endian адрес указывает на самый старший байт (двойного, учетверенного...) слова, остальные байты размещаются по нарастающим адресам.
Биты, байты, слова, параграфы
Слайд 27Способы представления чисел
Двоичные (binary) числа — каждая цифра отражает значение
одного бита (0 или 1), старший бит всегда пишется слева,
после числа ставится буква «b».
Для удобства восприятия тетрады могут быть разделены пробелами, например, 1010 0101b.
Слайд 28Шестнадцатеричные (hexadecimal) числа
каждая тетрада представляется одним символом 0...9, А,
В, ..., F.
Обозначаться такое представление может по-разному, в данной
книге используется только символ «b» после последней шестнадцатеричной цифры, например, A5h.
В текстах программ это же число может обозначаться и как 0хА5, и как 0A5h, в зависимости от синтаксиса языка программирования.
Незначащий ноль (0) добавляется слева от старшей шестнадцатеричной цифры, изображаемой буквой, чтобы различать числа и символические имена.
Слайд 29Десятичные (decimal) числа
Десятичные (decimal) числа - каждый байт (слово, двойное
слово) представляется обычным числом, а признак десятичного представления (букву «d»)
обычно опускают.
Байт из предыдущих примеров имеет десятичное значение 165.
В отличие от двоичной и шестнадцатеричной форм записи, по десятичной трудно в уме определить значение каждого бита, что иногда приходится делать
Слайд 30Восьмеричные (octal) числа
Восьмеричные (octal) числа — каждая тройка битов (разделение
начинается с младшего) записывается в виде цифры из интервала 0-7,
в конце ставится признак «о».
То же самое число записывается как 245о. Восьмеричная система неудобна тем, что байт не разделить поровну, но зато все цифры — привычные.
В «про-интеловских» системах это представление непопулярно (у него «DEC’OB-ское» происхождение).
Слайд 31Перевод чисел
Чтобы перевести любое 8-битное число в десятичное, нужно десятичный
эквивалент старшей тетрады умножить на 16 и сложить с эквивалентом
младшей тетрады.
Для нашего примера A5h = 10 x 16 + 5 = 165. Обратный перевод тоже несложен: десятичное число делится на 16, целая часть даст значение старшей тетрады, остаток — младшей.
Слайд 33Перевод чисел
В «наследство» от процессоров 8086/88 достался своеобразный способ задания
адреса ячейки памяти в виде указателя «seg:offset», состоящего из двух
слов: сегмента (seg — segment) и смещения (offset).
Такая запись предполагает вычисление полного адреса по формуле addr = 16 • seg + offset.
Такое представление 20-битного адреса двумя 16-битными числами в процессорах 8086/88 поддерживается и в реальном режиме всех последующих процессоров х86 (подробнее об адресации памяти см. в 7.3).
Здесь сегмент указывает адрес параграфа — 16-байтной области памяти.
Слайд 34Перевод чисел
Выравнивание адреса по границе параграфа означает, что он кратен
16 (4 младших бита нулевые).
Нетрудно увидеть, что один и
тот же адрес можно задавать разными сочетаниями этих двух компонентов.
Так, например, адрес начала области данных BIOS (BIOS Data Area) 00400h представляют и как 0000:0400, и как 0040:0000 (шестнадцатеричное представление подразумевается).
Возможны и другие варианты, но их не используют.
Слайд 35В 32-разрядном (и 64-разрядном) режиме работы процессоров в современных ОС
и приложениях сегментация не применяется, а адрес выражается одним (32-
или 64-битным) числом.
Обозначение и порядок битов и байтов шин адреса и данных, принятое в аппаратуре РС, пришло от процессоров Intel 8086/88 (и даже от 8080).
Самый младший бит (Least Significant Bit, LSB) имеет номер 0, самый старший (Most Significant Bit, MSB) бит байта — 7, слова — 15, двойного слова — 31.
На рисунках принято старший бит изображать слева, а младший — справа.
Перевод чисел
Слайд 36
Ячейки памяти, порты и регистры
Ячейки памяти служат лишь для
хранения информации — сначала ее записывают в ячейку,
а потом
могут прочитать, а также записать иную информацию.
Слайд 37Порты ввода-вывода
Служат для преобразования двоичной информации в какие-либо физические сигналы
и обратно.
Например, порт данных параллельного интерфейса формирует электрические сигналы
на разъеме, к которому обычно подключают принтер.
Электрические сигналы, поступающие от принтера, порт состояния того же интерфейса отображает в виде набора битов, который может быть считан процессором.
Слайд 38Регистр
широкое понятие, которое используется как синоним порта.
Регистры могут служить
для управления устройствами (и их контроллерами) и для чтения их
состояния.
Регистры (как и порты) могут образовывать каналы:
Слайд 39Каналы ввода-вывода данных
Пример — регистр данных COM-порта: байты, записываемые друг
за другом в этот регистр, в том же порядке будут
передаваться по последовательному интерфейсу, то есть поступать в канал вывода.
Если этот интерфейс подключить к СОМ-порту другого компьютера и выполнять программные чтения его регистра данных, мы получим байт за байтом переданные данные.
Тогда регистр играет роль канала ввода.
Слайд 40
Каналы управления. Если запись в регистр определенных данных (битовых комбинаций)
изменяет состояние некоего устройства (сигнал светофора, положение какого-то механизма...), то
регистр образует канал управления.
Каналы состояния. Пример — регистр игрового порта (game-порт), к которому подключен джойстик.
Чтение регистра дает информацию о состоянии кнопок джойстика (нажаты или нет).
Каналы ввода-вывода данных
Слайд 41Отличия
Если в ячейку памяти записывать последовательно информацию, то последующее считывание
возвращает результат последней записи, а все предшествующие записи оказываются бесполезными.
Если ячейку памяти считывать раз за разом, не выполняя запись в нее, то результат считывания каждый раз будет одним и тем же (при исправной памяти).
«Лишнее» чтение ячейки памяти не приведет ни к каким побочным эффектам.
На этих свойствах «настоящей» памяти основаны методы ускорения работы с ней: кэширование и спекулятивное чтение.
Слайд 42Отличия
С регистрами, образующими каналы это недопустимо.
Все обращения приводят к каким-либо
изменениям. Кэширование и спекулятивное чтение недопустимы.
Например, лишнее (спекулятивное) чтение регистра
данных СОМ- порта «выдернет» байт из принимаемого потока.
Операция чтения регистра состояния может быть неявным подтверждением сброса какого-либо признака (например, запроса прерывания), и она изменяет состояние устройства.
Записи в канал данных (и управления) также нельзя опускать (для «ускорения»).
Слайд 43Физический адрес
Каждый байт (ячейка памяти, порт, регистр) имеет собственный уникальный
физический адрес.
Этот адрес устанавливается на системной шине процессором, когда
он инициирует обращение к данным ячейке или порту.
По этому же адресу к этой ячейке (порту, регистру) могут обращаться и другие активные компоненты системы — так называемые мастера шины.
Слайд 44
Нынешние 32-битные процессоры имеют разрядность физического адреса памяти 32 и
даже 36 бит, что позволяет адресовать до 4 и 64
Гбайт соответственно.
Пространство ввода-вывода использует только младшие 16 бит адреса, что позволяет адресовать до 65 384 однобайтных регистров.
Физический адрес
Слайд 45
К портам ввода-вывода обращаются только по реальным адресам; возможна виртуализация
программными средствами операционной системы.
Существенное различие пространств памяти и портов
ввода-вывода: процессор может считывать инструкции для исполнения только из пространства памяти.
Через порт ввода можно считать фрагмент программного кода (что и происходит, например, при считывании данных с диска), но для исполнения, его необходимо записать в память.
Физический адрес
Слайд 46Вывод
Разделение пространств памяти и ввода-вывода было вынужденной мерой в условиях
дефицита адресуемого пространства 16-битных процессоров и сохранилось во всех процессорах
х86.
В процессорах ряда других семейств такого разделения нет, и для нужд ввода-вывода используется выделенная область единого адресного пространства.
Тенденция изживания пространства ввода-вывода наблюдается в современных спецификациях устройств и интерфейсов для РС.
Слайд 47
Подсистемы памяти и хранения данных
Память компьютера предназначена для кратковременного
и долговременного хранения информации — кодов команд и данных.
В
памяти информация хранится в массиве ячеек.
Минимальной адресуемой единицей является байт — каждый байт памяти имеет свой уникальный адрес.
Память можно рассматривать как иерархическую систему, простирающуюся от кэш-памяти процессора до ленточных архивов.
Слайд 48Внутренняя память
Для процессора доступной является внутренняя память, доступ по адресу,
заданному программой.
Для внутренней памяти характерен одномерный (линейный) адрес, который
представляет собой одно двоичное число определенной разрядности.
Внутренняя память подразделяется на оперативную, информация в которой может изменяться процессором в любой момент времени,
и постоянную, информацию в которой процессор может только считывать.
Обращение к ячейкам оперативной памяти может происходить в любом порядке, причем как по чтению, так и по записи, поэтому оперативную память называют памятью с произвольным доступом (Random Access Memory, RAM) — в отличие от постоянной памяти (Read Only Memory, ROM).
Слайд 50Внешняя память
адресуется более сложным образом — каждая ее ячейка
имеет свой адрес внутри некоторого блока, который, в свою очередь,
имеет многомерный адрес.
В ходе физических операций обмена данными блок может быть считан или записан только целиком.
В случае одиночного дискового накопителя физический адрес блока является трехмерным — он состоит из номера поверхности (головки), номера цилиндра и номера сектора.
В современных накопителях этот трехмерный адрес часто заменяют линейным номером — логическим адресом блока, а его преобразованием в физический адрес занимается внутренний контроллер накопителя.
Слайд 51
Подсистемы памяти и хранения данных
Слайд 52«Дисковая память»
Название «дисковая память» широко применяется для внешней памяти с
прямым доступом;
словосочетание «прямой доступ» подразумевает возможность обращения к блокам
(но не к его ячейкам!) с чередованием операций чтения и записи в произвольном порядке.
Память с последовательным доступом накладывает ограничения на свободу: в ней невозможны произвольное чередование операций чтения/записи и произвольность адресов.
Устройства последовательного доступа обеспечивают самое дешевое хранение больших объемов информации, к которой не требуется оперативного доступа.
Слайд 53
Параметры подсистемы памяти
Объем хранимой информации.
Максимальный (в принципе — неограниченный)
объем информации хранят ленточные и дисковые устройства со сменными носителями,
за ними идут дисковые накопители, и завершает этот ряд оперативная память.
Время доступа — усредненная задержка начала обмена полезной информацией относительно появления запроса на данные. Минимальное время доступа имеет оперативная память, за ней идет дисковая, после нее — ленточная.
Слайд 54
Скорость обмена при передаче потока данных (после задержки на время
доступа). Максимальную скорость обмена имеет оперативная память, за ней идет
дисковая, после нее — ленточная.
Удельная стоимость хранения единицы данных — цена накопителя (с носителями), отнесенная к единице хранения (байту или мегабайту). Минимальную стоимость хранения имеют ленточные устройства со сменными носителями, их догоняют дисковые накопители, а самая дорогая — оперативная память.
Параметры подсистемы памяти
Слайд 55Другие характеристики
Помимо этих имеется и ряд других характеристик — энергонезависимость
(способность сохранения информации при отключении внешнего питания), устойчивость к внешним
воздействиям, время хранения, конструктивные особенности (размер, вес) и т. п. .
Слайд 56Внутренняя и внешняя память
Внутренняя (оперативная и постоянная) память является хранилищем
программного кода, который может быть исполнен процессором.
В ней хранятся
и данные, доступные процессору (а следовательно, и исполняемой программе).
Внешняя память обычно используется для хранения файлов, содержимое которых может быть произвольным.
Процессор (программа) имеет доступ к содержимому файлов только опосредованно, через отображение их (полное или частичное) на некоторую область оперативной памяти.
Исполнить программный код или обратиться к данным на диске процессор не может в принципе.
То же относится, естественно, и к ленточной памяти.
Слайд 57Главные недостатки дисковой памяти — большое время доступа и низкая
скорость обмена. Устраняются с помощью виртуального диска - область оперативной
памяти. Объем ограничен, и этот объем вычитается из объема физически установленной памяти, доступной процессору в качестве обычной оперативной.
Виртуальный диск в отличие от реального не является энергонезависимым.
Информация на нем не переживет даже перезагрузки операционной системы.
Виртуальный диск во многих случаях может повысить эффективность работы компьютера при интенсивном дисковом обмене.
В операционной системе виртуальный диск реализуется загрузкой программного драйвера, как правило, с именем RAMDRIVE.SYS (в некоторых версиях — VDISK.SYS).
Кэширование дисков — хранение образов последних из использованных блоков дисковой памяти в оперативной в надежде на то, что вскоре будет следующий запрос к ним, который удастся удовлетворить из памяти.
Внутренняя и внешняя память
Слайд 58Кширование
В Windows 9x/NT кэширование возложено на операционную систему, в MS-DOS
кэшированием дисков занимается загружаемый драйвер SMARTDRV.EXE
Этим процессом можно управлять
с помощью строки BUFFERS=xxx файла CONFIG.SYS.
Если затребованный с диска блок уже находится в одном из буферов, ОС не будет «беспокоить» диск, а удовлетворит запрос из буфера.
Чем больше значение ххх, тем больше блоков может держать ОС в оперативной памяти, но область памяти для буферов, естественно, уменьшает объем памяти, доступной программам.
Слайд 59Основной недостаток оперативной памяти
Конструктивно достижимый объем ее во много раз
меньше, чем дисковой (пока что это было справедливо на всех
ступенях технического прогресса).
Решить проблему увеличения объема оперативной памяти за счет дисковой позволяет виртуальная память, которую можно считать кэшированием оперативной памяти на диске.
Суть ее заключается в том, что программам предоставляется виртуальное пространство оперативной памяти, по размерам превышающее объем физически установленной оперативной памяти.
Слайд 60Аппаратные средства IBMРС. Гук М.Ю. Энциклопедия. З-е изд. — СПб.:
Питер, 2006.
Архитектура аппаратных средств. Конспект лекций. Барсукова Т. И.
Архитектура аппаратных
средств. Конспект лекций. Забавина А. А.
Список литературы:
Слайд 61https://i2.wp.com/laptopmedia.com/wp-content/uploads/2017/06/900269711f3c.jpg
http://cart.softline.ru/pictures/products/16/35/05/99/af/f7/e1/63/ad/origin.jpeg
https://i.ebayimg.com/00/s/Njc1WDkwMA==/z/tkwAAOSweW5VAd64/$_57.JPG?set_id=880000500F
https://d.allegroimg.com/s1440/034db7/5bf73aa54f0ebb9f118bdae5d3ed
http://900igr.net/up/datas/55384/033.jpg
https://slide-share.ru/slide/4015074.jpeg
http://www.venuscomputers.pk/wp-content/uploads/2014/10/TG-3468.jpg
https://c-s.ru/uploads/29143/154716.jpg
https://go3.imgsmail.ru/imgpreview?key=65253deb8ce2d91f&mb=storage
https://images.esellerpro.com/2131/I/199/64/lrgscaleDCP_5423.JPG
http://i.imgur.com/45Qca7A.jpg
https://b.allegroimg.com/original/019757/aad3411c46beb8e5254e2ac2c76b
http://aliexpresshlp.ru/images/aliexpresshlp/2017/09/41123-1_perehodnik_pci-e_16_90_grad-1024x685.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/PCIExpress.jpg
https://spectralogic.com/wp-content/uploads/LTO8-Drive-LFOneTape-3MB.png
https://service.pcconnection.com/images/inhouse/808F2CA3-23D0-45CF-92B6-F34813F65C85.jpg
https://magazun.com/images/companies/1/images/verbatim.jpg?1557353100931
https://cf.ppt-online.org/files/slide/q/qHzej1Bk5rTUwyX27WundacDbQ39SFKtOxoRlG/slide-0.jpg
Список ссылок:
Слайд 62Благодарю за внимание!
Преподаватель: Солодухин Андрей Геннадьевич
Электронная почта: asoloduhin@kait20.ru
