Архитектура и аппаратное обеспечение компьютера

Янош Лайош Нейман
Архитектура и аппаратное
обеспечение ЭВМ
Архитектура вычислительной
машины — структура и принципы
работы ЭВМ
1.
• От первых PC
• до современных
Заказ АНБ Принстонскому и Гарвардскому
Университетам: наилучшая архитектура ЭВМ.
«Под Божьей властью
процветает»
• «Истина»
ENIAC & UNIVAC_
Архитектура фон Неймана
1946 г. :
Артур Бёркс, Герман Голдстайн, Джон
фон Нейман
«Предварительное рассмотрение
логического конструирования
электронного вычислительного
устройства»
• Джон фон Нейман (1903 —
1957) — венгро-американский
математик
• Артур Бёркс (1915 – 2008) американский математик
• Герман Голдстайн (1913 –
2004) математик, computer
scientist (информатик) и
научный администратор
Принципы фон Неймана:
• Принцип использования двоичной системы:
для представления данных и команд
используется двоичная система счисления.
• Принцип однородности памяти: программы
(состоящие из команд) и данные хранятся в
одной и той же памяти.
• Принцип адресуемости памяти: память
состоит из пронумерованных ячеек;
процессору доступна любая ячейка.
• Принцип программного управления: все
команды располагаются в памяти и
выполняются последовательно, одна после
завершения другой, в последовательности,
определяемой программой.
Архитектура ЭВМ (по фон Нейману)
процессор
АЛУ
устройства
ввода
потоки информации
УУ
память
устройства
вывода
управляющие сигналы
АЛУ – арифметико-логическое устройство (выполнение
команд и вычисления)
УУ – устройство управления
Открытая архитектура — архитектура компьютера,
периферийного устройства или же программного обеспечения, на
которую опубликованы спецификации, что позволяет другим
производителям разрабатывать дополнительные устройства к
.
системам с такой архитектурой
• Тип Персональный
компьютер (IBM
PC)
• Выпущен
12/8/1981
• Выпускался по
2 /4/ 1987
• Процессор Intel
8088, 4,77 МГц
• Память
16–
640 КБ
• ОС IBM BASIC /
PC-DOS 1.0
Аппаратное обеспечение (hardware)
включает в себя все физические части
(все «железо») компьютера.
Устройство персонального компьютера.
Базовая конфигурация
•
•
•
•
системный блок;
монитор;
клавиатура;
мышь.
СИСТЕМНЫЙ БЛОК
В системном блоке:
• материнская плата с установленными на ней
процессором, памятью, слотами;
• внешняя память: жёсткие диски, накопители на
оптических дисках, накопители USB-флеш и
т.п.;
• блок питания;
• корпус: фронтальная (передняя), задняя и
боковые панели.
Корпуса PC
Desktop
Fulldesktop
SlimLine
UltraSlimLine
MiniTower
MidiTower
BigTower
SuperBigTower
Форм-фактор
• форм-фактор (от англ. form factor) —
спецификация, стандарт, задающий
габаритные размеры устройств (и другие
параметры) и определяющий их форму:
• ATX, m ATX, ITX, mITX, FlexATX и т.д.
Соблюдение стандартов обеспечивает
совместимость оборудования разных
производителей.
Моддинговые корпуса
Современные веяния: неттопы,
моноблоки и баребоны…
Блок питания
преобразует входное переменное сетевое
напряжение (220 В) в выходное постоянное
напряжение ±5 ±12 +3,3 В.
Мощность блока питания обычно составляет
400-500 Вт.
Вентилятор участвует в охлаждении
системного блока.
PowerMan
Блок питания с
пониженным уровнем
шума совместим с Intel,
AMD. Мощность
блока: 450 Вт.
Стандарт: ATX.
Система охлаждения:
Fan 80 мм. Габариты:
140х150х86 мм. Вес
брутто: 1,5 кг.
CORSAIR AX1200i
• Блок питания с
пониженным
уровнем шума
совместим с Intel,
AMD. Мощность
блока:1200 Вт.
Стандарт: ATX
Габариты:
86х150х200 мм. Вес
брутто: 2,3г.
Кулеры
Корпус системного блока.
Передняя и боковая панели
отверстие для притока воздуха
на вентилятор (кулер);
2. отверстие для притока воздуха;
3. для оптических приводов;
4. USB разъёмы;
5. микрофон (розовый);
6. цифровая видеокамера
(IEE1394);
7. наушники (зелёный);
8. индикаторы жёсткого диска и
питания;
9. включение – выключение;
10. кнопка сброса RESET
1.
Задняя панель системного блока
1.
2.
3.
4.
5.
дополнительный
вентилятор;
отверстие для разъёмов
материнской платы;
вентилятор блока
питания;
вентилятор притока
воздуха в системный
блок;
отсек для крепления плат
расширения (видеокарта,
звуковая карта, сетевая
карта и т.д.).
Боковая панель
1, 5, 8) винты;
2) вентилятор;
3) отсек для блока питания;
4) видеокарты;
6) место для дополнительного
охлаждения;
7) материнская плата;
9 -12) отсеки для оптических
приводов и для жёстких
дисков.
Материнская плата – печатная
плата, на которой устанавливаются
основные компоненты персонального
компьютера
• Форм-факторы:
• ATX, microATX,
• Flex-ATX.
• Наиболее известные
производители:
• Asus, Gigabyte,
MSI
На материнской плате:
•
•
•
•
Центральный процессор (ЦПУ).
Chipset — набор микросхем.
Оперативная память (ОЗУ).
Постоянное запоминающее устройство
(ПЗУ).
• разъёмы (слоты) для контроллеров.
• шины — проводников для обмена
сигналами.
Chipset
• Северный мост, или
системный контроллер
подключает ЦПУ к ОЗУ и
графическому контроллеру.
• Южный мост, или
периферийный контроллер
контролирует работу
периферийных устройств
(жёсткого диска, сетевых
устройств, аудио и т.п.).
Материнская плата
Система охлаждения: элемент Пельтье
и жидкостное охлаждение
(приёмы оверклокинга)
Разъёмы (слоты)
Слот —разъём (англ.
slot - щель),
соединённый с
системной шиной.
Предназначен для
установки
дополнительных
модулей.
Порты материнской платы
Процессор (Pentium III) для
установки в слот
Центральный процессор
(микропроцессор)
• Процессор —
основная микросхема
компьютера, в
которой производятся
все вычисления.
• Первый
микропроцессор
разработан Intel в
1971 году.
Процессор содержит:
• арифметико-логическое устройство (АЛУ),
выполняющее математические и
логические операции;
• регистры общего назначения, в которых
хранятся данные, команды и адреса;
• устройство управления (УУ),
осуществляющее обмен информации между
процессором и оперативной памятью.
Основные параметры процессора
• Количество ядер
• Рабочее напряжение (около 1 В).
• Разрядность (сколько битов информации
обрабатывается за один такт), современные
процессоры персональных компьютеров 32-х,
64-х разрядные.
• Тактовая частота. Характеризует количество
элементарных операций в секунду.
• Размер кэш-памяти.
• Технология производства (7 нм)
Конвейерная архитектура
Конвейерная обработка - метод,
применяемый, в случае когда
этапы задачи упорядочены
подобно сборочной линии.
Специализированная аппаратура
выполняет операции для каждого
этапа, передает результаты на
следующий этап и сразу же
принимается за новую работу, не
дожидаясь окончания всего
процесса. Теоретически
конвейерная обработка ускоряет
процесс пропорционально числу
этапов конвейера.
При конвейерной обработке:
когда первая операция первой команды
выполнена, начинается вторая операция и
первая операция второй команды;
когда выполнена вторая операция
первой команды начинается третья
операция первой команды, вторая операция
второй команды и первая операция третьей
команды;
и т. д.
Распараллеливание
• Распараллеливание
применяется, когда задача
может быть разделена на
почти независимые кванты.
Аппаратура для выполнения
задачи дублируется
несколько раз - создается
несколько параллельных
процессоров (ядер). Каждый
квант работы обрабатывается
свободным процессором.
Многоядерный процессор
Кэш-память
• Обмен данными внутри процессора
происходит быстрее, чем обмен данными с
оперативной памятью.
• Для того чтобы уменьшить количество
обращений к оперативной памяти, внутри
процессора создают еще одну (буферную)
память - кэш-память (англ. cache —
тайник).
• Когда процессору нужны данные, он
сначала обращается в кэш-память.
Семейства процессоров
(наборы инструкций)
• Процессоры, относящиеся к одному
семейству, имеют одинаковые (близкие)
системы команд. Эти процессоры
совместимы по принципу «сверху вниз» —
каждый новый процессор «понимает» все
команды своих предшественников.
• Пример (семейство x86): Intel 8086, Intel
80286, Intel 80386, Intel 80486, различные
модели Intel Pentium, Intel Celeron и другие.
Информация в магазине:
•
•
•
•
•
•
•
•
фирма AMD
модель Athlon II X2 220
частота: 2800 МГц
частота шины: 4 ГГц
поддерживает 32 и 64 разряда
технология производства: 45 нм
кэш 1: 2х128 Кб, кэш 2: 2х512 Кб
напряжение питания: 0.85-1.425
В;
• тепловая мощность: 65 Вт
• температура (max): 740С.
Процессоры: Intel с
архитектурой Haswel
(Intel Core i7, 4-е поколение)
Закон Гордона Мура (1965г.)
Процессор под микроскопом
Процессоры AMD с
архитектурой Richland
Процессор использует три
шины:
• шину данных. Разрядность шины
(несколько байт) называют машинным
словом.
• адресную шину. Если используется 32разрядная адресная шина, это означает, что
в оперативной памяти не может быть
больше 232 адресов (объем памяти 232 байт =
4 Гбайт);
• шину управления, которую использует
устройство управления.
Шины процессора (разрядность)
8-и разрядная шина
(8 линий)
Система команд процессора
• CISC-процессоры (Complex instruction set
computer — вычисления со сложным набором
команд).
• RISC-процессоры (Reduced instruction set
computer — вычисления с упрощённым набором
команд). RISC-процессоры отличаются меньшим
энергопотреблением и тепловыделением.
• MISC-процессоры (Minimum instruction set
computer — вычисления с минимальным
набором команд - 20-30 команд). Дальнейшее
развитие идей для RISC-процессоров.
Сопроцессоры
• математический
сопроцессор (FPU
- floating point
unit)
• графический
процессор (GPU graphics processing
unit)
Оперативная память
• оперативное
запоминающее
устройство ОЗУ
• RAM Random Access
Memory, память с
произвольным
доступом
Классификации памяти:
• энергонезависимой (содержимое памяти
не исчезает при снятии электропитания).
Жесткие диски, CD, флеш-память, BIOS
• энергозависимой (содержимое памяти
исчезает при снятии электропитания).
Оперативная память
По принципу действия:
• динамическую память (DRAM Dynamic
RAM)
• статическую память (SRAM Static RAM)
Динамическая память DRAM
Ячейки памяти маленькие конденсаторы
Преимущество:
дешевизна.
Недостатки:
для перезаписи
необходимо время;
необходимо постоянно
подзаряжать.
DIMM (англ. Dual In-line
Memory Module) пришел
на смену SIMM.
Статическая память
Ячейки памяти - электронные
схемы триггеры.
В триггере хранится
состояние
(включен/выключен).
• Преимущество: высокое
быстродействие.
• Недостаток: дороговизна.
Микросхемы статической
памяти используют в кэшпамяти для оптимизации
работы процессора.
Информация в магазине:
• 240-контактный
модуль памяти
DDR3 РС10600
• Частота: 1333 МГц
• Пропускная
способность: 10600
Мбайт/с
• Напряжение
питания: 1.5 В.
Постоянное запоминающее
устройство
После включения
процессор обращается к
ПЗУ .
В ПЗУ записана
программа BIOS (Basic
Input/Output System).
Это энергонезависимая
память (CMOS). Она
способна хранить
информацию, даже
когда компьютер
выключен.
•
•
•
•
Cвязь компьютер с внешними
устройствами осуществляется по
магистрали, состоящей из шин
Системные шины: • Шины
расширения
Шина адреса;
Шина данных;
Шина управления.
Совокупность шин и алгоритм
обмена информацией между
ними - интерфейс
• LPT порт
• Квантовый компьютер
Куби́т (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) —
квантовый разряд или наименьший элемент для
хранения информации в квантовом
компьютере.
• Как и бит, кубит
допускает два
собственных
состояния, но при
этом может
находиться и в их
суперпозиции.