Презентація на тему:
Архітектура та структура обчислювальної системи. Класифікація комп’ютерів. Базові команди та їх виконання

Учбовий курс Інформатика з основами геоінформатики Тема № 6: Архітектура та структура обчислювальної системи. Класифікація комп’ютерів. Базові команди та їх виконання

План лекції: Загальні поняття про архітектуру та структуру комп’ютерів – слайди 3-9; Принципи сучасної архітектури комп’ютерів - слайди 10-15; Класифікація комп’ютерів – слайди 16-23; - за призначенням; - по рівню спеціалізації; - за розміром та сумісністю. 4) Загальна будова комп’ютерів як базова апаратна конфігурація - слайди 24-30; 5) Базові команди та їхнє виконання - слайди 31-35.

1. Загальні поняття про архітектуру та структуру комп’ютерів

Архітектура та структура комп’ютерів Комп'ютер - це електронний пристрій, що виконує операції введення інформації, її зберігання та оброблення за певною програмою, виведення одержаних результатів у формі, придатної для сприйняття людиною. За кожну з названих операцій відповідають спеціальні блоки комп'ютера: пристрій введення, центральний процесор, запам'ятовуючий пристрій, пристрій виведення. Всі ці блоки складаються з окремих дрібніших пристроїв. Зокрема в центральний процесор можуть входити арифметико-логічний пристрій (АЛП), внутрішній запам'ятовуючий пристрій у вигляді регістрів процесора та внутрішньої кеш-пам'яті, керуючий пристрій (КП). Пристрій введення, як правило, теж не є однією конструктивною одиницею. Оскільки види інформації, що вводиться, різноманітні, джерел може бути декілька. Це стосується і пристрою виведення. Схематично загальна структура комп'ютера зображена на рис.1. наступного слайду

Архітектура та структура комп’ютерів - продовження Запам'ятовуючий пристрій - це блок ЕОМ, призначений для тимчасового (оперативна пам'ять) та тривалого (постійна пам'ять) зберігання програм, вхідних і результуючих даних та деяких проміжних результатів. Інформація в оперативній пам'яті зберігається тимчасово лише при включеному живленні, але оперативна пам'ять має більшу швидкодію. В постійній пам'яті дані можуть зберігатися навіть при вимкненому комп'ютері, проте швидкість обміну даними між постійною пам'яттю та центральним процесором, у переважній більшості випадків, значно менша. Арифметико-логічний пристрій - це блок ЕОМ, в якому відбувається перетворення даних за командами програми: арифметичні дії над числами, перетворення кодів та ін. Керуючий пристрій координує роботу всіх блоків комп'ютера. У певній послідовності він вибирає з оперативної пам'яті команду за командою. Кожна команда декодується, за потреби елементи даних з указаних в команді комірок оперативної пам'яті передаються в АЛП. АЛП настроюється на виконання дії, вказаної поточною командою (в цій дії можуть брати участь також пристрої введення-виведення); дається команда на виконання цієї дії. Цей процес буде продовжуватися доти, доки не виникне одна з наступних ситуацій: вичерпано вхідні дані, з одного з пристроїв надійшла команда на припинення роботи, вимкнено живлення комп'ютера.

Структура комп'ютера — це сукупність його функціональних елементів і зв'язків між ними. Елементами структури можуть бути всілякі пристрої - від основних логічних вузлів комп'ютера до найпростіших схем. Структура комп'ютера графічно представляється у вигляді структурних схем, за допомогою яких можна дати опис комп'ютера на будь-якому рівні деталізації.

Найпоширенішими є наступні архітектурні рішення: Класична архітектура (архітектура фон Неймана) — один арифметико-логічний пристрій (АЛП), через яке проходить потік даних, і один пристрій управління (ПУ), через яке проходить потік команд — програма (Ілюстрація – загальна схема комп’ютеру). Це однопроцесорний комп'ютер. До цього типу архітектури відноситься і архітектура персонального комп'ютера із загальною шиною. Зараз лише зазначимо, що всі функціональні блоки тут зв'язані між собою загальною шиною, яка також називається системною магістраллю.

Системна магістраль і структура комп’ютера Фізично магістраль являє собою багатодротову лінію з гніздами для підключення електронних схем. Сукупність проводів магістралі розділяється на окремі групи: шину адреси, шину даних і шину управління. На ілюстрації цього слайду подається загальна структура персонального комп’ютеру із загальною шиною. Периферійні пристрої (принтер і ін.) підключаються до апаратури комп'ютера через спеціальні контролери — блоки управління периферійними пристроями.

Багатопроцесорна архітектура. Наявність в комп'ютері декількох процесорів означає, що паралельно може бути організовано декілька потоків даних і декілька потоків команд. Таким чином, паралельно можуть виконуватися кілька фрагментів одного завдання. Багатомашинна обчислювальна система. Тут кілька процесорів, що входять в обчислювальну систему, не мають загальної оперативної пам'яті, а мають кожний свою (локальну). Кожний комп'ютер у такій системі має класичну архітектуру, і така система застосовується досить широко. Однак ефект від застосування такої обчислювальної системи може бути отриманий тільки при рішенні завдань, які мають дуже спеціальну структуру: вона повинна розбиватися на стільки зв'язаних, але окремих завдань, скільки комп'ютерів у системі. Архітектура з паралельними процесорами. Тут декілька АЛП працюють під управлінням одного ПУ. Це означає, що безліч даних може оброблятися по одній програмі - тобто на одному потоці команд. Висока швидкодія такої архітектури можна одержати тільки на завданнях, у яких однакові обчислювальні операції виконуються одночасно на різних однотипних наборах даних.

2. Принципи сучасної архітектури комп’ютерів

Сучасну архітектуру комп'ютера визначають також такі принципи: Принцип програмного управління. Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ЕОМ. Згідно з цим принципом, запропонованим англійським математиком Ч. Беббіджем у 1833 р., для розв'язання кожної задачі складається програма, що визначає послідовність дій комп'ютера. Ефективність програмного керування є високою тоді, коли задача розв'язується за тією самою програмою багато разів (хоч і за різних початкових даних). Принцип програми, що зберігається в пам'яті. Згідно з цим принципом, сформульованим Дж. фон Нейманом, команди програми подаються, як і дані, у вигляді чисел й обробляються так само, як і числа, а сама програма перед виконання завантажується в оперативну пам'ять. Це прискорює процес її виконання. Принцип довільного доступу до пам'яті. Згідно з цим принципом, елементи програм та даних можуть записуватися у довільне місце оперативної пам'яті. Довільне місце означає можливість звернутися до будь-якої заданої адреси (до конкретної ділянки пам'яті) без перегляду попередніх.

Принципи сучасної архітектури комп’ютерів (продовження) На підставі цих принципів, що вказані на попередньому слайді, можна стверджувати, що сучасний комп'ютер - технічний пристрій, який після введення в пам'ять початкових даних у вигляді цифрових кодів і програми їх обробки, вираженої також цифровими кодами, здатний автоматично здійснити обчислювальний процес, заданий програмою, і видати готові результати розв'язання задачі у формі придатній для сприйняття людиною. Реальна структура комп'ютера значно складніша, ніж розглянута на слайді 7 (її можна назвати логічної структурою). У сучасних комп'ютерах, зокрема персональних, все частіше здійснюється відхід від традиційної архітектури фон Неймана, зумовлений прагненням розробників та користувачів до підвищення якості та продуктивності комп'ютерів. Якість ЕОМ характеризується багатьма показниками. Це і набір команд, які комп'ютер здатний розуміти, і швидкість роботи (швидкодія) центрального процесора, кількість периферійних пристроїв введення-виведення, які можна приєднати до комп'ютера одночасно і т.д. Головним показником є швидкодія - кількість операцій, яку процесор здатний виконати за одиницю часу. На практиці корситувача більше цікавить продуктивність комп'ютера - показник його ефективної швидкодії, тобто здатності не просто швидко функціонувати, а швидко розв'язувати конкретні поставлені задачі. Як результат, всі ці та інші фактори спричинили принципове і конструктивне вдосконалення елементної бази комп'ютерів, тобто створення нових, більш швидких, надійних і зручних у роботі процесорів, запам'ятовуючих пристроїв, пристроїв введення-виведення і т.д. Проте, слід усвідомлювати, що більшість сучасних комп’ютерів все ще базуються на наступних загальних принципах, сформульованих в 1945 р. американським ученим Джоном фон Нейманом. Ці принципи є нічим іншим аніж вдосконаленням принципів Ч.Беббіджа.

Принципи сучасної архітектури комп’ютерів (продовження) 1) Принцип програмного управління. З нього треба, що програма складається з набору команд, які виконуються процесором автоматично один за одним у певній послідовності. Вибірка програми з пам'яті здійснюється за допомогою лічильника команд. Цей регістр процесора послідовно збільшує збережений у ньому адреса чергової команди на довжину команди. А тому що команди та програми розташовані в пам'яті один за одним, то тим самим організується вибірка ланцюжка команд із послідовно розташованих комірок пам'яті. Якщо ж потрібно після виконання команди перейти не до наступної, а д якийсь іншої, використаються команди умовного або безумовного переходів, які заносять у лічильник команд номер комірки пам'яті, що містить наступну команду. Вибірка команд із пам'яті припиняється після досягнення й виконання команди “Зупинитися”. Таким чином, процесор виконує програму автоматично, без втручання людини.

Принципи сучасної архітектури комп’ютерів (продовження) 2) Принцип однорідності пам'яті. Програми й дані зберігаються в одній і тій же пам'яті. Тому комп'ютер не розрізняє, що зберігається в даній комірці пам'яті - число, текст або команда. Над командами можна виконувати такої ж дії, як і над даними. Це відкриває цілий ряд можливостей. Наприклад, програма в процесі свого виконання також може піддаватися переробці, що дозволяє задавати в самій програмі правила одержання деяких її частин (так у програмі організується виконання циклів і підпрограм). Більше того, команди однієї програми можуть бути отримані як результати виконання іншої програми. На цьому принципі засновані методи трансляції — перекладу тексту програми з мови програмування високого рівня на мову конкретної машини.

Принципи сучасної архітектури комп’ютерів (продовження) 3) Принцип адресності. Структурно основна пам'ять складається з перенумерованих осередків - комірок ; процесору в довільний момент часу доступний будь-який осередок – комірка пам’яті. Звідси треба мати можливість давати імена областям пам'яті так, щоб до запам’ятованих у них значеннях можна було згодом звертатися або міняти їх у процесі виконання програм з використанням привласнених імен. Комп'ютери, побудовані на цих принципах, відносяться до типу фон-неймановських. Але існують комп'ютери, що принципово відрізняються від фон-неймановських. Для них, наприклад, може не виконуватися принцип програмного управління, тобто вони можуть працювати без “лічильника команд”, що вказує поточну виконувану команду програми. Для звертання до який-небудь змінної, що зберігається в пам'яті, цим комп'ютерам не обов'язково давати їй ім'я. Такі комп'ютери називаються не-фон-неймановськими.

3. Класифікація комп’ютерів – - за призначенням; - по рівню спеціалізації; - за розміром та сумісністю

Методи класифікації комп'ютерів Номенклатура видів комп'ютерів на сьогодні величезна: машини розрізняються за призначенням, потужністю, розмірами, елементною базою і т.д. Тому класифікують ЕОМ за різними ознаками. Слід зауважити, що будь-яка класифікація є певною мірою умовна, оскільки розвиток комп'ютерної науки і техніки настільки стрімкий, що, наприклад, сьогоднішня мікро-ЕОМ не поступається за потужністю міні-ЕОМ п'ятирічної давності і навіть суперкомп'ютерам більш далекого минулого. Крім того, зарахування комп'ютерів до певного класу досить умовне як через нечіткість розмежування груп, так і в наслідок впровадження в практику замовного складання комп'ютерів, коли номенклатуру вузлів і конкретні моделі їх адаптують до вимог замовника. Ми розглянемо найбільш поширені критерії класифікації комп'ютерів.

Великі ЕОМ (Main Frame) Застосовують для обслуговування великих галузей народного господарства. Вони характеризуються 64-розрядними паралельно працюючими процесорами (кількість яких досягає до 100), інтегральною швидкодією до десятків мільярдів операцій за секунду, багатокористувацьким режимом роботи. Домінуюче положення у випуску комп'ютерів такого класу займає фірма IBM (США). Найбільш відомими моделями супер-ЕОМ є: IBM 360, IBM 370, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000. На базі великих ЕОМ створюють обчислювальний центр, що містить декілька відділів або груп (структура якого зображена на ілюстрації). Штат обслуговування - десятки людей.

Структура обчислювального центру на базі великої ЕОМ: Центральний процесор - основний блок ЕОМ, у якому відбувається обробка даних і обчислення результатів. Уявляє собою декілька системних блоків в окремій кімнаті, де підтримується постійна температура та вологість повітря. Група системного програмування - займається розробкою, відлагодженням і втіленням програмного забезпечення, потрібного для функціонування обчислювальної системи. Системні програми забезпечують взаємодію програм з обладнанням, тобто програмно-апаратний інтерфейс обчислювальної системи. Група прикладного програмування - займається створенням програм для виконання конкретних дій з даними, тобто забезпечення користувацького інтерфейсу обчислювальної системи. Група підготовки даних - займається підготовкою даних, які будуть опрацьовані на прикладних програмах, створених прикладними програмістами. Зокрема, це набір тексту, сканування зображень, заповнення баз даних. Група технічного забезпечення - займається технічним обслуговуванням всієї обчислювальної системи, ремонтом та відлагодженням апаратури, під'єднанням нових пристроїв. Група інформаційного забезпечення - забезпечує технічною інформацією всі підрозділи обчислювального центру, створює і зберігає архіви розроблених програм (бібліотеки програм) та накопичених даних (банки даних). Відділ видачі даних - отримує дані від центрального процесора і перетворює їх у форму, зручну для замовника (роздрук). Великим ЕОМ притаманна висока вартість обладнання та обслуговування, тому робота організована у неперервний цикл.

Класифікація за призначенням (продовження) Міні ЕОМ Подібна до великих ЕОМ, але менших розмірів. Використовують у великих підприємствах, наукових закладах і установах. Часто використовують для керування виробничими процесами. Характеризуються мультипроцесорною архітектурою, підключенням до 200 терміналів, дисковими запам'ятовуючими пристроями, що нарощуються до сотень гігабайт, розгалуженою периферією. Для організації роботи з мініЕОМ, потрібен обчислювальний центр, але менший ніж для великих ЕОМ. МікроЕОМ Доступні багатьом установам. Для обслуговування достатньо обчислювальної лабораторії у складі декількох чоловік, з наявністю прикладних програмістів. Необхідні системні програми купуються разом з мікроЕОМ, розробку прикладних програм замовляють у великих обчислювальних центрах або спеціалізованих організаціях. Програмісти обчислювальної лабораторії займаються втіленням придбаного або замовленого програмного забезпечення, виконують його налаштування і узгоджують його роботу з іншими програмами та пристроями комп'ютера. Можуть вносити зміни в окремі фрагменти програмного та системного забезпечення.

Персональні комп’ютери Бурхливий розвиток набули в останні 30 років. Персональний комп'ютер (ПК) призначений для обслуговування одного робочого місця і спроможний задовольнити потреби малих підприємств та окремих осіб. З появою Інтернету популярність зросла значно вище, оскільки за допомогою персонального комп'ютера можна користуватись науковою, довідковою, учбовою та розважальною інформацією. Персональні комп'ютери умовно можна поділити на професійні та побутові, але в зв'язку із здешевленням апаратної частини, межі між нами розмиваються. З 1999 року задіяний міжнародний сертифікаційний стандарт - специфікація РС99: масовий персональний комп'ютер (Consumer PC) діловий персональний комп'ютер (Office PC) портативний персональний комп'ютер (Mobile PC) робоча станція (WorkStation) розважальний персональний комп'ютер (Entertaiment PC) Більшість персональних комп'ютерів на ринку підпадають до категорії масових ПК. Ділові ПК - мають мінімум засобів відтворення графіки та звуку. Портативні ПК відрізняються наявністю засобів з'єднання віддаленого доступу (комп'ютерний зв'язок). Робочі станції - збільшені вимоги до пристроїв збереження даних. Розважальні ПК - основний акцент на засобах відтворення графіки та звуку.

Класифікація по рівню спеціалізації універсальні; спеціалізовані. На базі універсальних ПК можна створити будь-яку конфігурацію для роботи з графікою, текстом, музикою, відео тощо. Спеціалізовані ПК створені для рішення конкретних задач, зокрема, бортові комп'ютери у літаках та автомобілях. Спеціалізовані мініЕОМ для роботи з графікою (кіно- відеофільми, реклама) називаються графічними станціями. Спеціалізовані комп'ютери, що об'єднують комп'ютери у єдину мережу, називаються файловими серверами. Комп'ютери, що забезпечують передачу інформації через Інтернет, називаються мережними серверами.

Класифікація за розміром настільні (desktop); портативні (notebook); кишенькові (palmtop); айпеди (iPad). Найбільш поширеними є настільні ПК, які дають змогу легко змінювати конфігурацію. Портативні зручні для користування, мають засоби комп'ютерного зв'язку. Кишенькові моделі можна назвати 'інтелектуальними' записниками, дозволяють зберігати оперативні дані і отримувати швидкий доступ.

iPad – дещо детальніше….. iPad  — интернет-планшет, що випускається компанією Apple. Перша версія планшета була представлена на презентації в Сан-Франциско Стивом Джобсом 27 січня 2010 року. В Україні офіційні продажі пристрою почалися 9 листопаду 2010 року.2 березня 2011 року публіці була представлена модель другого покоління  — iPad 2, з поліпшеними характеристиками. 7 березня 2012 року публіці була представлена модель третього покоління  під назвою «The New IPad». Нова модель з'явилася у продажу в США 16 березня 2012 року, 23 березня вона вийшла ще в десяти країнах. В ніч з 24 на 25 травня 2012 року в Україні почалися офіційні продажі нового iPad. Apple iPad є класичним прикладом інтернет-планшетів і принципово відрізняється від ПК. Багато аналітиків відносять інтернет-планшети до пристроїв післякомп’ютерної ери, які простіші і зрозуміліше звичних ПК і з часом можуть витіснити їх з ІТ-ринку.

Класифікація за сумісністю Існує безліч видів і типів комп'ютерів, що збираються з деталей, які виготовлені різними виробниками. Важливим є сумісність забезпечення комп'ютера: апаратна сумісність (платформа IBM PC та Apple Macintosh) сумісність на рівні операційної системи; програмна сумісність; сумісність на рівні даних.

4. Загальна будова комп’ютерів як базова апаратна конфігурація

Апаратне та програмне забезпечення Основу комп'ютерів утворює апаратура (HardWare), побудована, в основному, с використанням електронних і електромеханічних елементів і пристроїв. Принцип дії комп'ютерів полягає у виконанні програм (SoftWare) — заздалегідь заданих, чітко визначених послідовностей арифметичних, логічних і інших операцій. Команда — це опис операції, яку повинен виконати комп'ютер. Як правило, у команди є свій код (умовна позначка), вихідні дані (операнди) і результат.

Апаратне та програмне забезпечення (продовження) Наприклад, у команди "скласти два числа" операндами є що складають, а результатом — їхня сума. А у команди "зупинитися" операндiв нема, а результатом є припинення роботи програми. Різноманіття сучасних комп'ютерів дуже велике. Але їхні структури засновані на загальних логічних принципах, що дозволяють виділити в будь-якому комп'ютері наступні головні пристрої, як складові його базової апаратної конфігурації: наступний слайд

Базова апаратна конфігурація пам'ять (запам'ятовувальний пристрій, ЗУ), що складається з перенумерованих осередків; процесор, що включає в себе пристрій управління (ПУ) і арифметико-логічний пристрій (АЛП); пристрій уведення; пристрій виводу. Ці пристрої з'єднані каналами зв'язку, по яких передається інформація. Основні пристрої комп'ютера й зв'язки між ними представлені на схемі (Ілюстрація). Жирними стрілками показані шляхи й напрямки руху інформації, а простими стрілками - шляху й напрямку передачі керуючих сигналів.

Базова апаратна конфігурація (продовження) Функції пам'яті: прийом інформації з інших пристроїв; запам'ятовування інформації; видача інформації із запиту в інші компоненти машини. Функції процесора: обробка даних по заданій програмі шляхом виконання арифметичних і логічних операцій; програмне управління роботою пристроїв комп'ютера. Та частина процесора, що виконує команди, називається арифметико-логічним пристроєм (АЛП), а інша його частина, що виконує функції керування пристроями, називається пристроєм керування (ПУ). Звичайно ці два пристрої виділяються чисто умовно, конструктивно вони не розділені. Треба також окремо зазначити, що у складі процесора є ряд спеціалізованих додаткових комірок пам'яті, називаних регістрами.

Базова апаратна конфігурація (продовження) Регістр виконує функцію короткочасного збереження числа або команди. Основним елементом регістра є електронна схема, називана тригером, що здатна зберігати одну двійкову цифру (розряд). Логічну схему тригера будемо розглядати пізніше. Регістр являє собою сукупність тригерів, зв'язаних один з одним певним чином загальною системою керування. Існує кілька типів регістрів, що відрізняються видом виконуваних операцій. Деякі важливі регістри мають свої назви, наприклад: суматор — регістр АЛП, що бере участь у виконанні кожної операції; лічильник команд — регістр ПУ, вміст якого відповідає адресі чергової виконуваної команди; служить для автоматичної вибірки програми з послідовних комірок пам'яті; регістр команд — регістр ПУ для зберігання коду команди на період часу, необхідний для її виконання. Частина його розрядів використається для зберігання коду операції, інші — для зберігання кодів адрес операндів.

5. Базові команди та їх виконання

Команди як елементарні операції комп’ютера Команда — це опис елементарної операції, яку повинен виконати комп'ютер. У загальному випадку, команда містить наступну інформацію: код виконуваної операції; вказівки по визначенню операндів (або їхніх адрес); вказівки по розміщенню одержуваного результату. Залежно від кількості операндів, команди бувають: одноадресні; двоадресні; трьохадресні; змінноадресні.

Команди як елементарні операції комп’ютера (продовження) У сучасних комп'ютерах довжина команд змінна (звичайно від двох до чотирьох байтів), а способи вказівки адреси змінних досить різноманітні. В адресній частині команди може бути зазначений, наприклад: сам операнд (число або символ); адреса операнду (номер байта, починаючи з якого розташований операнд); адреса адреси операнду (номер байта, починаючи з якого розташована адреса операнду), та ін. Розглянемо кілька можливих варіантів команди складання (англ. add — додавання), при цьому замість цифрових кодів і адрес будемо користуватися умовними позначками (пояснення на ілюстрації наступного слайду):

Команди як елементарні операції комп’ютера (продовження)

Схема виконання базової команди – етапи процесу: з комірки пам'яті, адреса якої зберігається в лічильнику команд, вибирається чергова команда; вміст лічильника команд при цьому збільшується на довжину команди; обрана команда передається в пристрій керування (ПК) на регістр команд; пристрій керування розшифровує адресне поле команди; по сигналах ПК операнди зчитуються з пам'яті й записуються в АЛП на спеціальні регістри операндів; ПК розшифровує код операції й видає в АЛП сигнал виконати відповідну операцію над даними; результат операції або залишається в процесорі, або відправляється на згадку, якщо в команді була зазначена адреса результату; всі попередні етапи повторюються до досягнення команди “Зупинитися”.

Thank you for your patience!!!