Государственное учреждение
Высшего профессионального образования
СПБГУЭФ
Кафедра информатики
Реферат по информатике
на тему:
«Архитектура IBM PC».
Выполнила студентка 133 группы
Смирнова Полина Сергеевна
Руководитель
Сметкина Ольга Михайловна.
Санкт-Петербург 2009г.
1.
Введение
Общие сведения и типы архитектур компьютеров.
Архитектура компьютера
— логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.
Архитектура персонального компьютера
это компоновка его основных частей, таких как процессор, ОЗУ, видеоподсистема, дисковая система, периферийные устройства и устройства ввода-вывода.
В настоящее время наибольшее распространение получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.
Гарвардская архитектура
— архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.
История
В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру компьютера для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура не использовалась вплоть до конца 70-х годов.
Классическая гарвардская архитектура
Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.
Модифицированная гарвардская архитектура
Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора последний должен иметь почти в два раза больше выводов (т.к. шины адреса и данных составляют основную часть выводов микропроцессора). Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.
Такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Еще дальше по пути удешевления стоимости пошли при создании однокристалльных ЭВМ — микроконтроллеров. В них одна шина адреса и данных применяется и внутри кристалла.
Разделение шин в модифицированной Гарвардской структуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.
Расширенная гарвардская архитектура
Часто требуется выбрать три составляющие : два операнда и инструкцию (в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее распространенная задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — следовательно, обе шины остаются свободными и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») — расширенная Гарвардская архитектура.
Примером могут служить процессоры «Analog Devices»:
ADSP-21xx — модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) — расширенная Гарвардская Архитектура.
Архитектура фон Неймана
(англ. Von Neumann architecture
) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «Машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.
Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.
Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.
Принципы фон Неймана
В 1946 году группа учёных во главе с Джоном фон Нейманом (Герман Голдстайн, Артур Беркс) опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции Электронно-вычислительного устройства». В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций. До этого машины хранили данные в десятеричном виде)[1]
, выдвигалась идея использования программами общей памяти. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «Принципы фон Неймана».
1. Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд.
2. Принцип программного управления
.
Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности.
3. Принцип однородности памяти.
Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
4. Принцип адресуемости памяти.
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
5. Принцип последовательного программного управления
Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.
6. Принцип условного перехода.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.
В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Муровской школе электрических разработок (англ. The Moore School of Electrical Engineering
) в Университете штата Пенсильвания (англ. The University of Pennsylvania
). Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру «ЭНИАК», который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании «Эниака». По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине EDVAC, однако до 1953 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти. Другие научно-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми 5 компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:
«Манчестерский Марк I». Прототип («Манчестерское дитя») Университет Манчестера (англ. The University of Manchester
) Великобритания, 21 июня 1948 года;
EDSAC. Кембриджский университет (англ. The Cambridge University
). Великобритания, 6 мая 1949 года;
BINAC. США, апрель или август 1949 года;
CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;
SEAC. США, 9 мая 1950 года.
2.Основная часть
История создания. Принцип архитектуры IBM PC
Архитектура IBM PC
использует архитектуру фон Неймана.
Распространение персональных компьютеров к концу 70-х го-дов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и миниЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Bussines Machines Corporation) ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 году фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.
Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание компьютера всего лишь как мелкий эксперимент что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования.
Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению ,ответственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер "с нуля", а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс.
Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088.
Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.
В августе 1981 года новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через один-два года компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютер
В основу архитектуры IBM PC-компьютеров положен принцип шинной организации связей между процессором и остальными компонентами компьютера. Хотя с тех пор неоднократно менялись типы используемых шин и их устройство, но архитектура основной принцип внутренней организации компьютера осталась без изменений. Устройство компьютера изображено на схеме ниже.
Центральный процессор (CPU) является ядром компьютерной системы. Связь с остальными компонентами осуществляется посредством внешней шины процессора. Внутри процессора имеются шины для взаимодействия между собой АЛУ, устройства управления и регистров памяти. Внешняя шина процессора состоит из линий, по которым передаются данные, адреса (указывающие, откуда берутся и куда передаются эти данные) и команды управления. Поэтому общая шина подразделяется на шину данных, шину адреса и шину управления. По каждой линии может передаваться один бит данных, адреса или команды управления. Количество линий в шине называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет максимальное количество одновременно передаваемых бит, отчего в свою очередь зависит общая производительность компьютера. То есть чем больше разрядность шины, тем больше данных одновременно может передаваться, тем выше производительность. Вторым параметром, влияющим на производительность, является скорость передачи данных по шине, которая определяется тактовой частотой шины.
Частота шины достаточно важная характеристика, но все же не определяющая производительность компьютера. Наиболее важными параметрами для общей производительности компьютера являются тактовая частота и разрядность центрального процессора. И это естественно по многим причинам. Именно процессор выполняет основные задачи по обработке данных, часто инициирует и управляет обменом данных. Тактовая частота определяет скорость выполнения операций, а разрядность количество данных, обрабатываемых в процессе одной операции.
Блок-схема устройства компьютера
Поскольку данные в процессе работы хранятся в оперативной памяти, важным параметром является скорость записи в память и чтения из памяти, определяемая как время доступа к памяти. Если в процессе работы CPU приходится считывать данные и программы с внешних устройств и накопителей, на общее быстродействие начинает влиять скорость обмена данными, обеспечиваемая контроллером устройства, и быстродействие самого устройства.
Из внешних устройств очень большое влияние на производительность мультимедийного компьютера оказывает видеоконтроллер или видеокарта. При большом потоке видеоданных, используемом в современных играх, требуются быстродействующие видеокарты с видеоускорителями, или акселераторами.
Кроме рассмотренных устройств немаловажную роль играют: BIOS (базовая система ввода-вывода) и набор системных программ, определяющий многие параметры взаимодействия элементов компьютера. BIOS записывается и хранится в микросхеме постоянной памяти. В современных компьютерах для этих целей применяются микросхемы на основе флэш-технологии, позволяющие многократно перепрограммировать или, как говорят, перепрошивать BIOS.
К одной из микросхем или, как часто говорят, чипе хранятся установки конфигурации компьютера и показания часов реального времени. Выполняется эта микросхема по технологии CMOS, характеризующейся малым энергопотреблением. Для сохранения конфигурационных данных и обеспечения хода часов реального времени после выключения компьютера микросхема питается от встроенного в материнскую плату аккумулятора.
Такой принцип построения компьютера сохранен и по сей день. Хотя, используя современную элементную базу, на материнской плате можно разместить большую часть компонентов компьютера.
Одной из основных оригинальных идей архитектуры была ее открытость.
Доступность спецификации стандартной системной шины ISA позволяло третьим фирмам производить комплектующий платы расширения. В конце концов эта возможность вознесла Архитектуру IBM PC на вершину популярности.
3 Реализация архитектуры.
Составные части IBM PC.
ОСНОВНЫЕ БЛОКИ IBM PC
Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей (блоков) :
· системного блока;
· клавиатуры,позволяющей вводить символы в компьютер;
· монитора (или дисплея) для изображения текстовой и графической информации.
Компьютеры выпускаются и в портативном варианте (ноутбук) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.
Хотя из этих частей компьютера системный блок выглядит наименее эффектно, именно он является в компьютере "главным". В нем располагаются все основные узлы компьютера:
· электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память,контроллеры устройства и т.д.);
· блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
· дисководы для записи информации с/на переносные носители – дисководы оптических (или даже магнитных) дисков. Даже означает в данном случае архаичность последних.
· накопитель на жестом магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
К системному блоку компьютера IBM PC можно подключать различные устройства ввода-вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности. Многие устройства подсоединяются через специальные гнезда (разъемы), находящиеся обычно на задней стенке системного блока компьютера. Кроме монитора и клавиатуры,такими устройствами являются:
· принтер для вывода на печать текстовой и графической информации;
· мышь устройство,облегчающее ввод информации в компьютер;
· джойстик манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки кнопкой, употребляется в основном для компьютерных игр;
Некоторые устройства могут вставляться внутрь системного блока компьютера, например:
· модем для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть;
· факс-модем сочетает возможность модема и телефакса;
ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА
МИКРОПРОЦЕССОР. Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом", является микропоцессор небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема,выполняющая все вычисления и обработку информации. Микропроцессор умеет производить сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций в секунду. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel,а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD,Cyrix,IBM и др.).
СОПРОЦЕССОР. В тех случаях,когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений (например,в инженерных расчетах),к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор. Он помогает основному микропроцессору выполнять математические операции над вещественными числами. Новейшие микропроцессоры фирмы Intel (80486 и Pentium) сами умеют выполнять операции над вещественными числами, так что для них сопроцессоры не требуются.
ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ. Следующим очень важным элементом компьютера является оперативная память. Именно из нее процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки,в нее они записывают полученные результаты. Название "оперативная" эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен, при выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается .
КОНТРОЛЛЕРЫ И ШИНА. Чтобы компьютер мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера клавиатуры, дисководов и т.д. Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находиться не снаружи компьютера,а встраиваться внутрь системного блока, как это описывалось выше. Результаты выполнения программ выводятся на внешние устройства монитор, диски,принтер и т.д. Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом-выводом.
Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются целых два промежуточных звена :
· Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером или адаптером. Некоторые контроллеры (например контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.
· Системная магистраль (шина). Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных,которую в просторечии обычно называют шиной.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЛАТЫ.
Для упрощения подключения устройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей электронных плат. На основной плате компьютера системной, или материнской, плате обычно располагаются основной микропроцессор, сопроцессор, оперативная память и шина.
Схемы, управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры), находятся на отдельных платах, вставляющихся в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере шине.Таким образом, наличие свободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств.
4. Заключение.
Кроме удачных решений как например общая шина, архитектура IBM PC имеет и один существенный недостаток – центральный процессор. Поэтому иногда компьютеры построенные по этой архитектуре сравнивают иногда с заводом, где директор управляет всеми станками завода и увеличение производительности означает не появление ‘новых сотрудников завода’, а лишь увеличение скорости с которой работает директора.
Это в целом справедливо, хотя и нельзя не отметить, что компьютеры этого типа сумели частично учесть этот недостаток, за счет введения сопроцессоров и процессоров периферийных устройств.
Спустя более чем четверть века после своего появления архитектура IBM PC по факту является архитектурой самого массового семейства персональных компьютеров. Она продолжает эволюционировать и развиваться. Под развитием в данном случае подразумевается способность использовать новые технические и технологические новшества. Примером чего может служить USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина). Формально не имеющая отношения к архитектуре, она оказалась тем ключем который превратил компьютер из сложного в настройке технического устройства в почти бытовой прибор, не требующий от пользователя специальных знаний и навыков. Архитекура IBM PC позволила органично и безболезненно интегрировать это новшество в свою структуру.
Этим и другими примерами доказывая удачность использования данной архитектуры для персональных компьютеров.
5. Источники.
· http://monmak.ru/notes/post_1239225877.html Автор: Чистяков В.
· Вычислительная техника. Терминология: Справочное пособие. Выпуск 1 / Рецензент канд. техн. наук Ю. П. Селиванов. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 168 с. — 55 000 экз. — ISBN 5-7050-0155-X
· http://p6.ru/referats/inf/15/vdv-0691.zip.htm Автор: Радзиевский А. Г.
· Автор: Митницкий В. Я. «Архитектура IBM PC и язык Ассемблера»..