Arhitectura calculatoarelor si sistemelor de calcul. Maksimov N.V. etc. Lista claselor de laborator. Formulare de control, listă de întrebări de testat

De la mijlocul anilor '60, abordarea creării calculatoare. În loc de dezvoltarea independentă a hardware-ului și a unor software, a început să fie proiectat un sistem format dintr-un set de hardwareȘi software fonduri. În același timp, conceptul interacțiunii lor a ieșit în prim-plan. Așa a apărut un concept fundamental nou - arhitectura computerului.

Sub arhitectura calculatorului este înțeles ca un set de principii generale de organizare hardware softwareși caracteristicile acestora, care determină funcționalitatea computerului la rezolvarea claselor corespunzătoare de probleme.

Arhitectura computerelor acoperă o gamă largă de probleme asociate cu construcția unui complex de hardware și software și luând în considerare mulți factori. Dintre acești factori, cei mai importanți sunt: ​​costul, domeniul de aplicare, funcționalitatea, ușurința în utilizare, iar una dintre componentele principale ale arhitecturii este hardware-ul. Componentele principale ale arhitecturii computerului pot fi reprezentate sub forma unei diagrame prezentate în Fig. 1.2.

Orez. 1.2. Componentele principale ale arhitecturii computerelor

Arhitectura unei instalații de calcul ar trebui să se distingă de structura acesteia. Structura unui instrument de calcul determină compoziția sa specifică la un anumit nivel de detaliu (dispozitive, blocuri, noduri etc.) și descrie conexiunile din cadrul instrumentului în întregime. Arhitectura determină regulile de interacțiune a componentelor unui instrument de calcul, a cărui descriere este efectuată în măsura necesară pentru formarea regulilor de interacțiune a acestora. Nu reglementează toate conexiunile, ci pe cele mai importante care trebuie cunoscute pentru o utilizare mai competentă a acestui instrument.

Astfel, utilizatorului calculatorului nu îi pasă ce elemente sunt realizate circuitele electronice, dacă comenzile sunt implementate în circuite sau software etc. Important este modul în care anumite caracteristici structurale ale computerului sunt legate de capacitățile oferite utilizatorului, ce alternativele sunt implementate la crearea mașinii și în funcție de ce criterii au fost luate decizii cu privire la modul în care caracteristicile dispozitivelor individuale care alcătuiesc computerul sunt legate între ele și ce impact au acestea asupra caracteristicilor generale ale mașinii. Cu alte cuvinte, arhitectura computerelor reflectă într-adevăr o serie de probleme legate de proiectarea și construcția generală a computerelor și a software-ului acestora.

Doar 100 de ani mai târziu, pe baza dispozitivelor electronice emergente, această idee a fost dezvoltată de matematicianul american John von Neumann. Construcția marii majorități a calculatoarelor se bazează pe următoarele principii generale, formulate de el în 1945.

În primul rând, computerul trebuie să aibă următoarele dispozitive:

Aritmetic-logic dispozitiv, efectuarea de operații aritmetice și logice;

Dispozitiv de control , care organizează procesul de execuție a programului;

Dispozitiv de memorie , sau memorie pentru stocarea programelor și a datelor;

Dispozitive externe pentru intrare/ieșire de informații.

Funcționarea unui computer se bazează pe următoarele principii:

Principiul codificării binare . Conform acestui principiu, toate informațiile care intră în computer sunt codificate folosind semnale binare.

Principiul controlului programului . Din aceasta rezultă că programul constă dintr-un set de comenzi care sunt executate de procesor automat una după alta într-o anumită secvență.

Principiul omogenității memoriei . Programele și datele sunt stocate în aceeași memorie. Prin urmare, computerul nu distinge ceea ce este stocat într-o anumită celulă de memorie - un număr, text sau comandă. Puteți efectua aceleași acțiuni asupra comenzilor ca și asupra datelor.

Principiul de țintire . Din punct de vedere structural, memoria principală este formată din celule numerotate; Orice celulă este disponibilă procesorului în orice moment.

Mașinile construite pe aceste principii se numesc mașini Von Neumann.

Tipuri de arhitectură de computer (deschis, închis, Harvard).

Arhitectura computerului este structura conceptuală a unui computer care determină procesarea informațiilor și include metode de conversie a informațiilor în date și principii pentru interacțiunea hardware și software.

Arhitecturi închise

Un computer realizat conform acestei arhitecturi nu are capacitatea de a conecta dispozitive suplimentare care nu sunt furnizate de dezvoltator.

O diagramă mărită a unei astfel de arhitecturi de computer este prezentată în Fig. 1. RAM stochează comenzile și datele programelor executabile. Canalul permite conectarea unui anumit număr de dispozitive externe. Dispozitivul de control asigură executarea comenzilor programului și controlează toate nodurile sistemului.

Orez. 1. Arhitectura computerului închis

Calculatoarele cu această arhitectură sunt eficiente în rezolvarea pură sarcini de calcul. Sunt slab potrivite pentru implementarea tehnologiilor informatice care necesită conectarea unor dispozitive externe suplimentare și schimbul de informații de mare viteză cu acestea.

Sisteme de calcul cu arhitectură deschisă

Această arhitectură vă permite să conectați liber orice periferice, care asigură conectarea gratuită la computer a oricărui număr de senzori și actuatoare. Dispozitivele au fost conectate la magistrală în conformitate cu standardul de magistrală. Arhitectura unui computer de tip deschis, bazată pe utilizarea unei magistrale comune, este prezentată în Fig. 2.

Orez. 2. Arhitectura calculatorului deschis

Controlul general al întregului sistem este efectuat de procesorul central. Acesta gestionează magistrala partajată, alocând timp altor dispozitive pentru a face schimb de informații. Dispozitivul de stocare stochează programe și date executabile și își potrivește nivelurile de semnal cu nivelurile de semnal ale magistralei în sine. Dispozitivele externe ale căror niveluri de semnal diferă de nivelul semnalului magistralei sunt conectate la acesta printr-un dispozitiv special - un controler. Controlerul potrivește semnalele dispozitivului cu semnalele magistralei și controlează dispozitivul pe baza comenzilor venite de la procesor central. Procesorul are linii de control speciale, semnalul pe care determină dacă procesorul accesează o celulă de memorie sau un port I/O pe un controler de dispozitiv extern.

În ciuda avantajelor oferite de arhitectura comună a magistralei, aceasta are și un dezavantaj serios, care a devenit din ce în ce mai evident pe măsură ce performanța dispozitivelor externe a crescut și fluxul de schimb de informații între acestea a crescut. Dispozitivele cu volume și cursuri de schimb diferite sunt conectate la magistrala comună și, prin urmare, dispozitivele „lente” au întârziat lucrul celor „rapide”. O creștere suplimentară a performanței computerului a fost găsită în introducerea unei magistrale locale suplimentare la care erau conectate dispozitive „rapide”. Arhitectura unui computer cu autobuze generale și locale este prezentată în Fig. 3.

Orez. 3. Arhitectura computerului cu autobuz comun și local

Controlerul de magistrală analizează adresele de port transmise de procesor și le transmite controlerului conectat la magistrala publică sau locală.

Structural, controlerul fiecărui dispozitiv este plasat pe o placă comună cu un procesor central și un dispozitiv de stocare sau, dacă dispozitivul nu este inclus în mod standard în computer, pe o placă specială introdusă în conectori speciali de pe placa comună - sloturi de expansiune. Dezvoltarea ulterioară a microelectronicii a făcut posibilă plasarea mai multor componente funcționale ale unui computer și controlere ale dispozitivelor standard într-un singur cip VLSI. Acest lucru a redus numărul de cipuri de pe placa comună și a făcut posibilă introducerea a două magistrale locale suplimentare pentru conectarea unui dispozitiv de stocare și a unui dispozitiv de afișare, care au cel mai mare volum de schimb cu procesorul central și între ele.

Controlerul central joacă rolul unui comutator care distribuie fluxurile de informații între procesor, memorie, dispozitiv de afișare și alte noduri de computer.

Un controler funcțional este un VLSI care conține controlere pentru conectarea dispozitivelor externe standard, cum ar fi o tastatură, mouse, imprimantă, modem etc. Adesea, acest controler include un dispozitiv, cum ar fi o placă audio, care vă permite să obțineți difuzoare externe Sunet de înaltă calitate atunci când ascultați muzică și fișiere de vorbire.

Arhitectura Harvard

Arhitectura Harvard a fost dezvoltată de Howard Aiken la sfârșitul anilor 1930 la Universitatea Harvard cu scopul de a crește viteza operațiunilor de calcul și de a optimiza performanța memoriei.

Operațiile tipice (adunare și înmulțire) necesită ca orice dispozitiv de calcul să efectueze mai multe acțiuni: să preia doi operanzi, să selecteze o instrucțiune și să o execute și, în final, să stocheze rezultatul. Schema corespunzătoare pentru implementarea accesului la memorie are un dezavantaj evident - costul ridicat. La separarea canalelor de adrese și de transmisie a datelor pe cipul procesorului, acesta din urmă trebuie să aibă de două ori mai mulți pini. O modalitate de a rezolva această problemă a fost ideea de a folosi o magistrală de date comună și o magistrală de adrese pentru toate datele externe și de a folosi o magistrală de date, o magistrală de comandă și două magistrale de adrese în interiorul procesorului. Acest concept a ajuns să fie numit arhitectură Harvard modificată.

Adesea este necesar să selectați trei componente - doi operanzi și o instrucțiune (în algoritmii de procesare a semnalului digital aceasta este sarcina cea mai comună în filtrele FFT și FIR, IIR). Pentru asta este memoria cache. O instrucțiune poate fi stocată în ea - ambele magistrale rămân libere și devine posibilă transmiterea a doi operanzi simultan. Utilizarea memoriei cache împreună cu magistralele divizate se numește „Arhitectura Super Harvard” (“SHARC”) – o arhitectură Harvard extinsă.

Un exemplu sunt procesoarele Analog Devices: ADSP-21xx - Arhitectura Harvard modificată, ADSP-21xxx(SHARC) - Arhitectura Harvard extinsă.

MINISTERUL EDUCAŢIEI ŞI ŞTIINŢEI RF

AGENȚIA FEDERALĂ DE EDUCAȚIE

SARAPUL TEHNICA INDUSTRIALĂ ŞI ECONOMICĂ

SPECIALITATE 230103

TEST

LA DISCIPLINA „CALCULATOR ȘI ARHITECTURA VS”

SE FAC DE UN STUDENT

GR. ASU-31SZ SUKHIKH A.V.

VERIFICAT

PROFESOR GABBASOVA F.F.

Sarapul

Anul universitar 2005 – 2006 an

1. SISTEM DE CALCUL MULTI-MACHINĂ............................... 3

2. CLASIFICAREA CALCULATELOR DUPĂ SCOP ȘI CAPACITĂȚI FUNCȚIONALE........................................ ...... ................................... 6

3. DIAGRAME FUNCȚIONALE ALE ELEMENTELOR LOGICE...... 10

1. SISTEM DE CALCUL MULTI-MACHINĂ

Sistem informatic (CS) - un set de procesoare sau computere interconectate și care interacționează, echipament perifericși software conceput pentru colectarea, stocarea, procesarea și distribuirea informațiilor.

Înființarea Forțelor Armate urmărește următoarele obiective principale:

· creșterea performanței sistemului prin accelerarea proceselor de prelucrare a datelor;

· creșterea fiabilității și a fiabilității calculelor;

· oferirea utilizatorilor cu suplimentare Servicii etc.

O trăsătură distinctivă a computerului în raport cu calculatoarele clasice este prezența în el a mai multor computere care implementează procesare paralelă .

Paralelismul operațiunilor crește semnificativ performanța sistemului; de asemenea, poate crește semnificativ atât fiabilitatea (dacă o componentă a sistemului eșuează, alta își poate prelua funcțiile), cât și fiabilitatea funcționării sistemului dacă operațiunile sunt duplicate și se compară rezultatele executării lor.

Paralelism în calcul în într-o mare măsură complică gestionarea procesului de calcul, utilizarea tehnicilor și resurse software. Aceste funcții sunt îndeplinite de sistemul de operare al aeronavei.

În ciuda faptului că este clasic multi-mașină Opțiunea BC, în BC poate exista un singur computer, dar agregat cu echipamente periferice multifuncționale (costul echipamentelor periferice este adesea de multe ori mai mare decât costul dispozitivelor centrale ale computerului). Un computer poate avea mai multe procesoare (atunci există și o versiune clasică multiprocesor a computerului) sau un procesor (dacă nu țineți cont de procesoarele specializate care fac parte din dispozitivele periferice).

Într-un sistem de calcul cu mai multe mașini, mai multe procesoare incluse în sistemul de calcul nu au o memorie RAM comună, dar fiecare are propria lor (locală). Fiecare computer dintr-un sistem multi-mașină are arhitectura clasica, iar un astfel de sistem este folosit destul de larg. Totuși, efectul utilizării unui astfel de sistem de calcul poate fi obținut doar prin rezolvarea unor probleme care au o structură cu totul specială: acesta trebuie împărțit în atâtea subsarcini slab cuplate câte computere există în sistem.

2. CLASIFICAREA CALCULATELOR DUPA SCOP ȘI CAPACITĂȚI FUNCȚIONALE

Un calculator electronic (calculator), un computer, este un ansamblu de mijloace tehnice concepute pentru prelucrarea automată a informațiilor în procesul de rezolvare a problemelor informatice și de calcul.

Calculatoarele pot fi clasificate în funcție de o serie de caracteristici, în special:

· reprezentare fizică informatii prelucrate;

· generații (etape de creație și element de bază);

· domenii de aplicare și metode de utilizare (precum dimensiunea și puterea de calcul).

După domeniile de aplicare și metodele de utilizare, calculatoarele pot fi împărțite în următoarele grupuri(Fig. 2.1).

Orez. 2.1. Clasificare pe domenii de aplicare și metode de utilizare

3. DIAGRAME FUNCȚIONALE ALE ELEMENTELOR LOGICE

Un element logic de calculator este o parte a unui circuit logic electronic care implementează un element elementar functie logica.

Elementele logice ale computerelor sunt circuitele electronice AND, OR, NOT, NAND, NOR și altele (numite și porți), precum și un flip-flop.

Folosind aceste circuite, puteți implementa orice funcție logică care descrie funcționarea dispozitivelor computerizate. De obicei, supapele au două până la opt intrări și una sau două ieșiri.

Pentru a reprezenta cele două stări logice „1” și „0” în porți, semnalele lor de intrare și ieșire corespunzătoare au unul dintre cele două niveluri de tensiune setate. De exemplu, +5 volți și 0 volți.

Un nivel ridicat corespunde de obicei valorii „adevărat” (“1”), iar un nivel scăzut valorii „fals” (“0”).

Fiecare element logic are propriul său simbol, care își exprimă funcția logică, dar nu indică ce fel de circuit electronic este implementat în el. Acest lucru facilitează scrierea și înțelegerea circuitelor logice complexe.

Funcționarea elementelor logice este descrisă folosind tabele de adevăr.

Tabelul adevărului este vedere la masă un circuit logic (operație) care listează toate combinațiile posibile ale valorilor de adevăr ale semnalelor de intrare (operanzi) împreună cu valoarea de adevăr a semnalului de ieșire (rezultatul operației) pentru fiecare dintre aceste combinații.

Schema I

Un circuit AND implementează conjuncția a două sau mai multe valori booleene.

Simbolul de pe diagramele bloc ale unui circuit AND cu două intrări este prezentat în Fig. 3.1. Tabelul de adevăr este în tabelul 3.1.

Orez. 3.1

Tabelul 3.1

X	y	xy
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Va fi unul la ieșirea circuitului AND dacă și numai dacă există unul la toate intrările. Când cel puțin o intrare este zero, și ieșirea va fi zero.

Relația dintre ieșirea z a acestui circuit și intrările x și y este descrisă prin relația: z = xy (se citește „x și y”).

Operația de conjuncție pe diagramele funcționale este indicată de semnul „&” (a se citi „ampersand”), care este o abreviere a cuvântului englezesc și.

SAU circuit

Un circuit SAU implementează disjuncția a două sau mai multe valori logice.

Când cel puțin o intrare a circuitului SAU este una, ieșirea sa va fi, de asemenea, una.

Simbolul pentru circuitul SAU este prezentat în Fig. 3.2. Semnul „1” din diagramă provine de la desemnarea învechită a disjuncției ca „>=1” (adică, valoarea disjuncției este egală cu unu dacă suma valorilor operanzilor este mai mare sau egală cu 1). Relația dintre ieșirea z a acestui circuit și intrările x și y este descrisă de relația: z = x v y (se citește „x sau y”). Tabelul adevărului - în tabel. 3.2.

Orez. 3.2

Tabelul 3.2

X	y	x v y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

SCHEMA NU

Circuitul NOT (invertor) implementează operația de negație. Relația dintre intrarea x a acestui circuit și ieșirea z poate fi scrisă ca z =

, unde se citește ca „nu x” sau „inversa lui x”.

Dacă intrarea circuitului este 0, atunci ieșirea este 1. Când intrarea este 1, ieșirea este 0. Simbolul invertorului este în Figura 3.3, iar tabelul de adevăr este în Tabel. 3.3.

Orez. 3.3

Tabelul 3.3

X
0	1
1	0

	Extras din GOS SPO
	Notă explicativă
	Scopurile si obiectivele disciplinei
	Cerințe pentru nivelul de stăpânire a conținutului disciplinei
	Domeniul disciplinei și tipurile de activitate academică
	Secțiuni (subiecte) ale disciplinei
	Educational - suport metodologic discipline
	Suportul material și tehnic al disciplinei
	Formulare de control, listă de întrebări de testat

1. Extras din Standardul Educațional de Stat

OPD.00

Discipline profesionale generale

OPD.05

Arhitectura calculatoarelor si sistemelor de calcul: prezentare de informaţii în sisteme informatice; arhitectura și principiile de funcționare ale principalelor blocuri logice ale sistemelor informatice; organizarea internă a procesatorului; registre de procesor; organizarea și principiul memoriei; memorie fizică, liniară, de pagină, segment și virtuală; memorie cache; mod de funcționare protejat; gestionarea memoriei; tipuri de adresare; structura anvelopelor și tipurile de anvelope; multifunctional; arhitecturi de procesoare; interacțiunea cu dispozitivele periferice, organizarea și modurile de operare ale procesorului; comenzile de bază ale procesorului, ciclul de funcționare al procesorului, utilizarea întreruperilor, programe de depanare; tipuri de sisteme de calcul și caracteristicile arhitecturale ale acestora, paralelismul și canalizarea calculelor, clasificarea platformelor de calcul, avantajele și dezavantajele tipuri personale sisteme de calcul

2. Notă explicativă

Programul disciplinei academice „Arhitectura calculatoarelor și sistemele informatice” este conceput pentru a implementa cerințele de stat pentru conținutul minim și nivelul de pregătire al absolvenților de specialitateInformatica aplicataînvăţământul secundar profesional şi este uniform pentru toate formele de învăţământ.

Disciplina academică „Arhitectura calculatoarelor și sistemele informatice” este o disciplină profesională generală care formează nivelul de bază de cunoștințe pentru stăpânirea disciplinelor speciale.

Predarea disciplinei trebuie să aibă o orientare practică și să se desfășoare în strânsă legătură cu disciplinele profesionale generale: „Sisteme și medii de operare”, „Fundamente ale algoritmizării și programării”, „Matematică discretă”, „ Mijloace tehnice informatizare”.

Programa de lucru pentru această disciplină definește: pregătire teoretică 54 de ore, ore practice și de laborator 30 de ore, munca independentă 24 de ore, certificarea intermediară se stabilește sub formă de test la sfârșitul semestrului IV și sub formă de examen la sfârşitul celui de-al cincilea semestru.

3. Scopurile și obiectivele disciplinei

Scopul cursului este de a dezvolta înțelegerea studenților asupra structurii și arhitecturii computerelor moderne. Scopul orelor practice este ca elevii să dobândească abilități în munca practică cu componente PC. Obiectivele cursului includ luarea în considerare a tuturor componentelor unui PC și a principiilor de funcționare a acestora. Obiectivul orelor practice este familiarizarea practică directă cu componentele PC-ului și regulile de lucru cu acestea, precum și luarea în considerare a unor aspecte de diagnosticare a posibilelor defecțiuni și modalități de eliminare a acestora.

4. Cerințe pentru nivelul de stăpânire a conținutului disciplinei

Ca urmare a studierii disciplinei, elevul trebuie

am o idee:

1. despre rolul și locul cunoștințelor în disciplină în domeniul activității profesionale;
2. despre principalele probleme și perspective de dezvoltare a calculatoarelor și sistemelor de calcul;

stiu:

1. tipuri de informații și metode de prezentare a acestora într-un computer;
2. clasificare și unități tipice tehnologia calculatoarelor(VT);
3. arhitectura calculatoarelor electronice si sistemelor de calcul;
4. scopul și principiile de funcționare a configurațiilor arhitecturale individuale;

a fi capabil să:

1. alegeți o configurație rațională a echipamentului în conformitate cu sarcina rezolvată;
2. asigura compatibilitatea hardware-ului și software-ului VT.

5. Domeniul disciplinei și tipurile de activitate academică

Tipul muncii educaționale	Total ore	Semestre
Intensitatea totală de muncă a disciplinei
Lecții auditive
Pregătire teoretică
Muncă independentă
Pregătirea pentru test
Pregătirea examenului
Tipul controlului final	examen, test	Test	examen

6. Secțiuni (subiecte) disciplinei)

Subiectul nr.	Numele subiectului	Lecții auditive			Muncă independentă	Total de ore pentru curs
		Pregătire teoretică	Laborator și exerciții practice	Combinate
semestrul 4
	Introducere în disciplină
	Bazele aritmetice ale calculatoarelor
	Prezentarea informațiilor într-un computer
	Fundamentele logice ale calculatoarelor, elementelor și componentelor.
	Bazele construcției calculatoarelor
	Organizarea memoriei calculatorului
	Total pentru semestrul 4
semestrul 5
	Interfețe
	Moduri de funcționare a procesorului.
	Procesoare moderne
	Organizarea calculelor în sisteme informatice.
	Clasificarea sistemelor de calcul.
	Total pentru semestrul 5
	Total pentru anul

Tema 1. Introducere în disciplină

Rolul și locul cunoștințelor la disciplina „Arhitectura Calculatoarelor și Sisteme de Calcul” în domeniul activității profesionale.Prezentarea informațiilor în sistemele de calcul.

Istoria dezvoltării instrumentelor de calcul. Clasificarea calculatoarelor în funcție de reprezentarea fizică a procesării informației, generațiile de calculatoare, domeniile de aplicare și metodele de execuție a calculatoarelor.

Tema 2 Fundamentele aritmetice ale calculatoarelor.

Sisteme numerice. Tipuri de adresare Sisteme numerice non-poziționale și poziționale. Sisteme numerice utilizate în calculatoare. Proprietățile sistemelor de numere poziționale. Conversia numerelor dintr-un sistem numeric în altul.

Reprezentarea numerelor într-un calculator: naturale și forma normala. Formate de stocare a numerelorCALCULATOR. Reprezentarea algebrică a numerelor binare: coduri directe, inverse și complemente. Operații cu numere în binar drept, octal și coduri hexazecimale. Folosind coduri binare inverse și complement a doi pentru a le implementa pe toate operatii aritmetice folosind un dispozitiv de însumare. Avantaj cod suplimentar comparativ cu codul invers.

Tema 3 Prezentarea informațiilor într-un computer

Tipuri de informații și metode de prezentare a acesteia într-un computer. Clasificarea unităţilor informaţionale prelucrate de calculatoare. Tipuri de date, structuri de date, formate de fișiere. Tipuri de date numerice și nenumerice și tipurile acestora. Structuri de date și tipurile acestora.

Codificarea informațiilor simbolice. Codurile de caractere: ASCII, UNICODE etc.Arhitectura și principiile de funcționare ale principalelor blocuri logice ale sistemelor informatice.

Codificare informatii grafice. Codare binară informații sonore. Comprimarea informațiilor. Codificarea informațiilor video. Standard MPEG.Organizarea internă a procesorului.

Tema 4 Fundamentele logice ale calculatoarelor, elementelor și componentelor.

Operații și circuite logice de bază. Tabelele de adevăr. Circuit porți logice Calculatoare: registre, porți, flip-flops, semisumatori și sumatori. Tabelele de adevăr ale RS-, D- și T-flip-flop.Mod protejat

Nodurile logice ale unui computer și clasificarea lor. Aditoare, decodore, matrici logice programabile, scopul și aplicarea acestora.Organizarea și principiul memoriei.

Subiectul 5 Bazele construcției calculatoarelor.

Conceptul de arhitectură și structură a computerului. Principiile (arhitectura) lui von Neumann. Componentele principale ale unui calculator. Tipuri de bază de arhitecturi de calculatoare.Gestionarea memoriei

Tema 6 Organizarea internă a procesorului.

Registrele procesorului. Comenzi de bază procesor, ciclu de lucru al procesorului, utilizarea întreruperilor, programe de depanare

Implementarea principiilor lui von Neumann într-un computer. Structura procesului. Dispozitiv de control: scop și diagramă funcțională simplificată. Registrele procesorului: esență, scop, tipuri. Registrele scop general, registru de comenzi, contor de comenzi, registru de steag.

Structura de instrucțiuni a procesorului. Ciclul de executare a comenzii. Conceptul de ciclu de lucru, curs de lucru. Principii de paralelizare a operațiunilor și construcția structurilor de conducte. Clasificarea comenzilor.

Unitate logică aritmetică (ALU): scop și clasificare. Structura și funcționarea ALU.

Partea de interfață a procesorului: scop, compoziție, funcționare. Organizarea muncii și funcționarea procesorului.

Tema 7 Organizarea memoriei calculatorului.

Memorie cache. Memorie fizică, liniară, de pagină, segment și virtuală

Structura ierarhică a memoriei. Memoria principală a computerului. Acces aleator și dispozitive de stocare permanentă: scop și caracteristici principale.

Organizarea RAM. RAM adresabilă și asociativă: principiu de funcționare și caracteristici comparative. Tipuri de adresare. Linear, pagină, memorie de segmente.

Memoria cache: scop, structură, caracteristici principale. Organizare cache: cache mapat direct, parțial asociativ și complet asociativ.

Memoria dinamică. Principiul de funcționare. Diagrama structurală generalizată a memoriei. Moduri de funcționare: înregistrare, stocare, citire, modul de regenerare. Modificări ale memoriei dinamice cu acces aleator. Module de memorie principale. Creșterea capacității de memorie.

Dispozitive speciale de memorie: memorie read-only (ROM), memorie reprogramabilă read-only (memorie flash), memorie video. Scop, caracteristici, aplicație. Sistem de bază intrare/ieșire (BIOS): scop, funcții, modificări.

Subiectul 8 Interfețele.

Conceptul de interfață. Clasificarea interfețelor. Organizarea interacțiunii dintre un PC și dispozitivele periferice. Chipset: scop și schemă de funcționare.

Structura generală a unui PC cu dispozitive periferice conectate. Bus de sistem și parametrii acesteia. Interfață magistrală și comunicare cu magistrala de sistem. Placa de baza: arhitectura si conectorii principali.

Interfețe PC interne: magistralele ISA, EISA, VCF, VLB, PCI, AGP și caracteristicile acestora.

Interfețele dispozitivelor periferice IDE și SCSI. Modificări moderne și caracteristici ale interfețelor IDE/ATA și SCSI.

Interfețe externe pentru computer. Porturi seriale și paralele. Port serial Standard RS-232: scop, structura cadrului de date, structura conectorului. Port paralel PC: scopul și structura conectorilor.

Scopul, caracteristicile și caracteristicile interfețelor externe USB și IEEE 1394 (FireWire). Standard de interfață 802.11 (Wi-Fi).

Subiectul 9 Moduri de operare a procesorului.

Structura anvelopelor și tipurile de anvelope. Moduri de funcționare a procesorului. Caracteristicile modului real ale procesorului 8086. Adresarea memoriei în modul real.

Concepte de bază ale modului protejat. Adresare în modul protejat. Descriptori și tabele. Sisteme de privilegii. Protecţie.

Schimbarea sarcinilor. Gestionarea memoriei paginii. Întrerupeți virtualizarea. Comutați între modul real și cel protejat.

Subiectul 10 Bazele programării procesoarelor.

Interacțiunea cu dispozitivele periferice, organizarea și modurile de operare ale procesorului

Bazele programării procesoarelor. Selectarea și decodarea comenzilor. Selectarea datelor din registrele de uz general și din memoria microprocesorului. Prelucrarea și înregistrarea datelor. Generarea semnalelor de control.

Instrucțiuni de bază ale procesorului: aritmetică și comenzi logice, mișcare, schimbare, comenzi de comparare, comenzi de sărituri condiționate și necondiționate, comenzi de intrare-ieșire. Subrutine. Tipuri și gestionarea întreruperilor. Etapele compilării codului sursă în codurile mașiniiși metode de depanare. Utilizați de la ladchikov.

Subiectul 11 ​​Procesoare moderne.

Principalele caracteristici ale procesoarelor. Identificarea proceselor. Compatibilitate cu procesorul. Tipuri de prize.Multifunctional; arhitecturi de procesoare.

Revizuirea procesoarelor moderne de la cei mai importanți producători din lume.

Procesoare de arhitectură netradițională. Procesoare celulare și ADN. Procesoare neuronale.

Tema 12. Organizarea calculelor în sisteme informatice.

Tipuri de sisteme de calcul și caracteristicile lor arhitecturale, paralelismul și canalizarea calculelor, clasificarea platformelor de calcul, avantajele și dezavantajele diferitelor tipuri de sisteme de calcul.

Scopul și caracteristicile aeronavei. Organizarea calculelor în sisteme informatice. Calculatoare paralele, concepte de flux de comandă și flux de date. Sisteme asociative. Sisteme matrice. Conducerea calculelor. Conductă de comandă, conductă de date. Suprascalarizarea.

Tema 13 Clasificarea sistemelor de calcul.

Clasificarea aeronavelor în funcție de numărul de fluxuri de comandă și date: OKOD (SISD). OKMD (SIMD), MKOD (MISD), MKMD (MIMD).

Clasificarea calculatoarelor multiprocesor cu căi diferite implementari de memorie partajarea: UMA, NUMA, SOMA. Caracteristici comparative, caracteristici hardware și software.

Clasificarea aeronavelor cu mai multe mașini: MPP, NDW și COW. Scop, caracteristici, caracteristici.

Exemple de diferite tipuri de aeronave. Avantajele și dezavantajele diferitelor tipuri de sisteme de calcul.

7. Suportul educațional și metodologic al disciplinei

Literatura principală

1. [Resursă electronică] Chekmarev Yu.V. Sisteme de calcul, rețele și telecomunicații: manual. – M.: DMK Press, 2009.
2. [Resursa electronica] Dogadin N.B. Arhitectura computerului: manual. – M.: BINOM. Laboratorul de cunoștințe, 2008.
3. [Resursa electronica] Avdeev V.A. Dispozitive periferice: interfețe, proiectare circuit, programare: manual. – M.: DMK Press, 2009.

literatură suplimentară

1. [Resursă electronică] Yurov V.I. Asamblator: manual pentru universități. – Sankt Petersburg: Peter, 2009.
2. [Resursă electronică] Chekmarev Yu.V., Nechaev D.Yu., Kurushin V.D., Kireeva G.I., Mosyagin A.B. Fundamentele tehnologiei informației: manual. – M.: DMK Press, 2009.
3. [Resursă electronică] Chekmarev Yu.V. Rețele locale de calculatoare: manual. – M.: DMK Press, 2009.
4. [Resursă electronică] Prokdi R.G., Dmitriev P.A., Finkova M.A. BIOS. Setări. – Sankt Petersburg: NiT, 2009.

8. Suportul material și tehnic al disciplinei

Implementarea disciplinei academice necesită prezența unei săli de clasă pentru desfășurarea orelor teoretice și a unei săli de computer pentru conducere. munca practica.

Echipamente pentru clasă:

1. mese si scaune pentru studenti;

1. panou de marcat;

Echipamente pentru sala de calculatoare:

1. calculatoare personale pentru elevi;
2. Proiector multimedia;
3. Ecran;
4. Placă de marcare;
5. locul de muncă al profesorului (PC, imprimantă, masă, scaun);

Software de antrenament:

1. Sistem de operare GNU/Linux;
2. interpret Python;
3. Browser web;
4. DBMS MySQL 5.1;
5. set de compilatori gcc;
6. Editor de text;
7. Mediul de dezvoltare QtCreator;
8. biblioteca Qt4;

9. Forme de control, lista întrebărilor de testat

Controlul curentului.Principala formă de monitorizare continuă a nivelului de cunoștințe teoretice este sondajele orale în timpul orelor de seminar; forma de monitorizare continuă a nivelului de cunoștințe și abilități practice este testele și munca independentă pe subiecte individuale, inclusiv sarcini și exerciții destinate implementării extracurriculare independente. .

Întrebări pentru testare

1. Adunator cu o singură cifră.
2. Adder cu mai mulți biți.
3. Trigger.
4. Grămadă. Model de memorie plată și cu mai multe segmente.
5. Memoria statica. Aplicație și principiu de funcționare. Caracteristici cheie. Tipuri de memorie statică.
6. Sisteme de comandă și clase de procesoare: CISC, RISC, MISC, VLIM.

Întrebări pentru examen

1. Principiul de funcționare a memoriei flash.
2. ACPI și tehnologia OnNow.
3. Interfață serial ATA.

3. Materiale educaționale și metodologice pentru elevi

Programul de lucru al disciplinei „Arhitectura Calculatoarelor și retele de calculatoare» instruirea la clasă este oferită sub formă de instruire la clasăîn valoare de 84 de ore, precum și munca independentă a studenților în valoare de 24 de ore.

Lucrați la orele teoretice.La orele teoretice, elevii primesc cele mai necesare date, care completează în mare măsură manualul. Capacitatea de a asculta prelegeri cu concentrare, de a percepe activ și creativ informațiile prezentate este o condiție indispensabilă pentru asimilarea lor profundă, de durată, precum și pentru dezvoltarea abilităților mentale.

Ascultarea atentă și luarea notițelor materialului necesită o activitate mentală intensă a elevului. În timp ce asculți prelegeri, trebuie să te distragi de la gândurile străine și să te gândești doar la ceea ce prezintă profesorul. Notele scurte de la prelegeri și luarea de note vă ajută să învățați materialul.

Atenția unei persoane este instabilă. Este nevoie de voință pentru a-l menține concentrat. Un rezumat este util atunci când sunt notate lucrurile cele mai esențiale și de bază. Acest lucru trebuie făcut de către elev însuși. Nu este nevoie să încercați să scrieți textul întregului curs. Acest tip de „a lua notițe” face mai mult rău decât bine. Unii studenți îi cer uneori profesorului „să citească mai încet”. Dar o prelegere nu se poate transforma într-o prelegere de dictare. Aceasta este o tendință foarte dăunătoare, deoarece în acest caz elevul notează mecanic un numar mare de informații auzite fără să te gândești la ele.

Se recomandă să înregistrați prelegerile folosind propria formulare ori de câte ori este posibil. Este indicat să scrieți pe o pagină și să lăsați următoarea pentru elaborare. material educativ pe cont propriu acasă. Este mai bine să împărțiți conturul în puncte, paragrafe, respectând linia roșie. Pasajele, definițiile, formulele importante ar trebui să fie însoțite de observații: „important”, „deosebit de important”, „Amintiți-vă bine”, etc. Este recomandabil să vă dezvoltați propria „markografie” (icoane, simboluri), abrevieri de cuvinte. De asemenea, ar fi o idee bună să înveți elementele de bază ale stenografiei. Când lucrați la notițele de curs, ar trebui să utilizați întotdeauna nu numai literatura principală, ci și literatura care a fost recomandată suplimentar de către lector. Acest tip de muncă serioasă, minuțioasă, cu materiale de curs, vă va permite să stăpâniți profund cunoștințele.

Laborator și ore practice.Laboratorul și exercițiile practice presupun rezolvarea probleme practice, pregătirea unui mesaj pe o anumită temă și participarea la condamnarea problemei afectate de mesaj. Mesajul nu trebuie să dureze mai mult de 3 – 5 minute. Principalul tip de lucru la seminar este rezolvarea problemelor de calcul și grafice.

Pregătirea pentru o lecție practică (de laborator) începe cu o familiarizare aprofundată cu condițiile lucrării viitoare, de ex. de la referință la planurile de lecție de seminar. După ce te-ai hotărât asupra problemei care atrage cea mai mare atenție, ar trebui să apelezi la literatura recomandată. Trebuie avut în vedere faptul că întregul grup participă la seminar, iar apoi sarcina pentru lecția practică ar trebui să fie distribuită întregii echipe. Sarcina trebuie acoperită în întregime, iar literatura recomandată trebuie să fie stăpânită de grup în întregime.

Pentru a vă pregăti pe deplin pentru o lecție practică, citirea unui manual nu este suficientă - manualele conturează doar principiile fundamentale, în timp ce monografiile și articolele pe o anumită temă examinează problema ridicată din unghiuri diferite sau dintr-un unghi, dar în orice caz suficient de detaliat și adâncime. Cu toate acestea, pentru a înțelege corect esența sarcinii, ar trebui mai întâi să vă familiarizați cu textul relevant al manualului - indiferent dacă prelegerile sunt oferite în plus față de acest seminar sau nu. După ce ați evaluat sarcina, ați ales un anumit subiect și selectat literatura corespunzătoare, puteți începe să vă pregătiți efectiv pentru seminar.

Pregătire temeinică pentru laborator și orele practice, ca și în cazul prelegerilor, are o importanță decisivă: seminarul se va desfășura pe măsură ce publicul s-a pregătit pentru el. Munca independentă este pilonul pe care se sprijină toată pregătirea pentru cursul studiat. Când vă pregătiți pentru orele practice, ar trebui să utilizați în mod activ literatura de referință: enciclopedii, dicționare, albume de diagrame etc. Stăpânirea aparatului conceptual al cursului studiat este o necesitate.

Reguli de conduită în timpul orelor de laborator și practice:

1. Este recomandabil să veniți la cursuri cu un stoc de idei formulate și cunoștințe de metode de analiză computațională și analitică.
2. dacă decideți să spuneți ceva la seminar, atunci lăsați să fie ceva util - nu ar trebui să scuturați aerul cu fraze goale;
3. Discursurile trebuie să fie cât mai compacte și în același timp inteligibile; nu ocupați undele de emisie pentru o perioadă lungă de timp. Încercați să nu întrerupeți difuzorul, acest lucru este incorect; comentariile, obiecțiile și completările urmează de obicei la sfârșitul discursului curent.

La seminar nu există o probă de pregătire pentru lecție (pregătirea este o condiție necesară), ci gradul de pătrundere în esența materialului, problema discutată, sau metodologia de rezolvare a problemei. Prin urmare, conversația nu trebuie să se bazeze pe conținutul lucrărilor citite; profesorul va pune probleme problematice, care nu toate pot avea legătură directă cu literatura prelucrată.

Muncă independentă.În timpul procesului de învățare, un student nu trebuie doar să stăpânească curriculum-ul, ci și să dobândească abilități de lucru independent. Munca independentă a elevilor joacă un rol important în cultivarea unei atitudini conștiente a elevilor înșiși față de stăpânirea cunoștințelor teoretice și practice, insuflându-le obiceiul muncii intelectuale dirijate. Este foarte important ca studenții nu numai să dobândească cunoștințe, ci și să stăpânească metodele de obținere a acestora.

Munca independentă se desfășoară cu scopul de a aprofunda cunoștințele în disciplină și include:

1. studierea secțiunilor individuale ale subiectelor de disciplină;
2. studenții care citesc literatura recomandată și stăpânesc materialul teoretic al disciplinei;
3. pregătire pentru orele practice;
4. lucrul cu surse de internet, baze de date;
5. pregătirea pentru diferite forme de control;
6. rezolvarea lucrărilor de calcul și grafică;
7. redactarea unui eseu pe o temă aleasă.

Secvența tuturor activităților de control este stabilită în planul calendaristic, care este adus la cunoștința fiecărui student la începutul semestrului.

Cel mai bine este ca studenții să planifice timpul pentru munca independentă necesară studierii acestei discipline pentru întregul semestru, oferind în același timp repetarea regulată a materialului acoperit. Materialul prezentat în prelegeri trebuie să fie completat în mod regulat cu informații din surse literare prezentate în programul de lucru.

Pentru extinderea cunoștințelor în disciplină este necesară utilizarea resurselor de pe Internet și a bazelor de date specializate: căutarea în diverse sisteme și utilizarea materialelor de pe site-uri recomandate de profesor în timpul orelor de curs.

Pregătirea pentru sesiune.Fiecare semestru academic se încheie cu teste de certificare: o sesiune de teste și examene

Pregătirea pentru sesiunea de examene și promovarea testelor și examenelor este cea mai importantă perioadă din munca unui student. Pregătirea serioasă pentru sesiune și promovarea cu succes a tuturor examenelor este datoria fiecărui student. Se recomandă organizarea în acest fel lucrare academica astfel încât înainte de prima zi a sesiunii să fie depuse și apărate toate lucrările practice prevăzute de graficul procesului de învățământ.

Principalul lucru de pregătit pentru sesiune este să revizuiți tot materialul, cursul sau subiectul în care trebuie să treceți testul. Doar cei care au stăpânit bine materialul educațional vor reuși.

Dacă un student a lucrat prost în timpul semestrului, a ratat prelegeri și seminarii, le-a ascultat cu neatenție, nu a luat notițe, nu a studiat literatura recomandată, atunci în procesul de pregătire pentru sesiune va trebui să nu repete ceea ce este deja familiar , dar din nou în Pe termen scurt studiază tot materialul. Și acest lucru se dovedește adesea imposibil de realizat din cauza lipsei de timp. Pentru un astfel de student, pregătirea pentru examene va fi dificilă și uneori copleșitoare, iar rezultatul final va fi expulzarea din instituția de învățământ.

Când vă pregătiți pentru o sesiune, întreaga cantitate de muncă ar trebui să fie distribuită uniform în zilele alocate pentru pregătire și fiecare zi de lucru trebuie monitorizată. Este mai bine dacă poți depăși planul. Atunci va exista întotdeauna o rezervă de timp.

Predarea disciplinei academice „Arhitectura calculatoarelor și rețelele de calculatoare” se desfășoară ținând cont de cunoștințele deja pe care elevii le au în filosofie și sociologie. Orientarea practică a disciplinei este determinată de familiaritatea cu metodele teoretice și practice de evaluare a eficacității proiectelor. Principalele forme de conducere a orelor în scopul înțelegerii disciplinei sunt lecțiile de la clasă. Pentru a organiza un proces eficient pentru ca elevii să stăpânească materialul, este posibil să se utilizeze diverse forme: prelegeri, discuții, rezolvarea sarcinilor de calcul, forme de joc, moderne tehnologii multimedia si etc.

Activitățile extracurriculare se desfășoară prin organizarea și îndrumarea muncii independente a elevilor.

Pentru un studiu mai aprofundat al subiectului, profesorul pune la dispoziție elevilor informații despre posibilitatea utilizării resurselor de pe Internet în secțiunile disciplinei.

În cazul în care există datorii academice pentru orele practice asociate absențelor acestora, profesorul trebuie să emită o temă elevului în formularul sarcini de testare pe un subiect de lecție ratat.

Pentru controlul cunoștințelor elevilor la această disciplină este necesar să se efectueze control curent și intermediar.

Monitorizarea curentă este efectuată pentru a determina calitatea asimilării materialului de curs. Cea mai eficientă modalitate este de a o efectua în scris– pe întrebări de control, teste, sarcini de calcul etc. Controlul se realizează sub formă de promovare a sarcinilor de test de către toți studenții fără excepție. Materialele sondajelor scrise ale studenților includ și subiecte sugerate pentru pregătirea lor independentă. În timp ce lucrează la stăpânirea disciplinei, elevii, ghidați de planul calendaristic, performează hârtii de testși sarcini practice.

Sistem de evaluare a performanței

Acest sistem se bazează, în primul rând, pe dreptul profesorului de a determina în mod independent conținutul și metodologia cursului său și, în al doilea rând, pe dreptul elevului de a-și alege propria cale pentru a obține rezultatul dorit.

Se presupune că munca stiintifica Elevul este o parte integrantă a procesului educațional; sensul devine nu atât concentrarea lui pe stăpânirea adevărurilor gata făcute, cât o căutare comună cu profesorul și alți studenți pentru soluții la problemele vieții reale. Ceea ce determină în mare măsură conținutul și metodele procesului de învățare.

Inițial, poate fi oferit un control al testului de admitere al cunoștințelor de bază ale studenților și acesta poate fi, de asemenea, sfârșitul cursului de studiu. Astfel, se determină eficiența antrenamentului.

5. Materiale care stabilesc conținutul și procedura pentru monitorizarea continuă și certificările intermediare.

Întrebări pentru testare

1. Calculatoare cu arhitectură Von Neumann.
2. Principiul organizării unui computer cu arhitectură Von Neumann.
3. Prezentarea informațiilor într-un computer. Tipuri de informații.
4. Prezentarea informațiilor într-un computer. Sisteme numerice.
5. Prezentarea informațiilor într-un computer. Reprezentarea numerelor întregi binare fără semn.
6. Prezentarea informațiilor într-un computer. Reprezentarea numerelor întregi binare cu semn.
7. Particularități ale adunării pe computer a numerelor binare cu semne și nesemnate.
8. Implementarea operatiilor logice. Operația logică I.
9. Implementarea operatiilor logice. Operație logică SAU.
10. Implementarea operatiilor logice. Funcționare logică NOT și circuite de poartă.
11. Adunator cu o singură cifră.
12. Adder complet de un bit.
13. Adder cu mai mulți biți.
14. Trigger.
15. Organizarea memoriei cu acces aleatoriu (RAM).
16. RAM adresabilă și asociativă: principiu de funcționare și caracteristici comparative.
17. Tipuri de adresare. Memorie liniară, de pagină, segment.
18. Grămadă. Model de memorie plată și cu mai multe segmente.
19. Memoria cache: scop, structură, caracteristici principale.
20. Memoria statica. Aplicație și principiu de funcționare. Caracteristici cheie. Tipuri de memorie statică.
21. Structura de bază a unui computer.
22. Structura de bază a unui computer. CPU.
23. Unitate logică aritmetică (ALU). Structura și funcționarea ALU.
24. Dispozitiv de control: scop și diagramă funcțională simplificată.
25. Registre de uz general, registru de comenzi, contor de programe, registru de steag.
26. Structura de bază a unui computer. Organizarea magistralei computerizate.
27. Structura de instrucțiuni a procesorului. Clasificarea comenzilor. Exemple.
28. Un ciclu simplificat pentru executarea comenzilor de către un procesor într-un computer.
29. Conceptul de ciclu de lucru, ciclu de lucru.
30. Principii de paralelizare a operațiunilor și construcția structurilor de conducte.
31. Sisteme de comandă și clase de procesoare: CISC, RISC, MISC, VLIM.

Întrebări pentru examen

1. Istoria dezvoltării computerelor. Generații de calculatoare. Prezentare generală a dispozitivului și principiile de bază ale funcționării computerului.
2. Procesoare. Principalii producatori. Miezuri și linii. Cazuri. Prize și fante. Placa de baza.
3. Conceptul unui chipset de sistem. Principalii producători și caracteristici. Chipset-uri cu autobuz local. Poduri. Arhitectura hub.
4. Dispozitiv memorie de sistem. Tipuri de memorie și principiile lor de funcționare.
5. Conceptul de magistrală de sistem. ISA, MCA, EISA, VLB, PCI, AGP, PCI-Express (EV6, HyperTransport.)
6. Arhitectura controlerelor IDE și SerialATA. Principalele caracteristici.
7. Dispozitiv cu hard disk. Adresarea logică și fizică a datelor.
8. Tehnologie SMART. Tehnologii promițătoare.
9. Discuri optice. Tehnologii promițătoare.
10. Suport de stocare extern. Iomega, ZIP, JAZZ, LS-120, MO-Drive.
11. Principiul de funcționare a memoriei flash.
12. Abordări pentru îmbunătățirea performanței subsistem disc. Niveluri RAID.
13. Porturi COM, IrDa, LPT. Autobuz USB.
14. ACPI și tehnologia OnNow.
15. Interfață serial ATA.
16. Plăci video. Evoluția și arhitectura plăcilor video. RAMDAC. Principalii producatori.
17. Acceleratoare 3D. Caracteristici de performanta. Z-tampon. Tipuri de filtrare.
18. Placi de sunet. Principalele caracteristici. Metode și efecte de sinteză a sunetului. Tipuri de plăci de sunet.
19. Tehnologii de sunet spațial (QSound, HRTS+CC).
20. Tehnologii audio spațiale. Soluții Sensaura. Tehnologii MacroFX, ZoomFX, EnvironmentFX..
21. Tehnologii audio spațiale. (EAX, A3D)
22. Monitoare. Arhitectura monitoarelor CRT. Caracteristici. Tipuri de măști.
23. Monitoare. Standardele de securitate OTS și NPRII.
24. Arhitectura monitoarelor LCD. Matrice pasivă și activă. Conceptul TFT. Alte tipuri de monitoare (PDP, FED, LEP).
25. Imprimante: musetel, matrice de puncte, inkjet, laser, cerneala solida si sublimare termica.
26. Plăci de rețea. Standarde de rețea (10baze2, 10baze5, 10bazet, FDDI). Modemuri. Protocoale de comunicare, compresie, corectare erori. Tehnologia ADSL.
27. Conceptul de petaflop. Hipercalculator. Cluster.

Departamentul de Educație, Știință și Politică pentru Tineret

OGOI SPO „Colegiul Industrial Borisoglebsk”

Arhitectura calculatoarelor si sistemelor de calcul

Orientări pentru studenții cu fracțiune de normă

Colegiul Industrial OGOI SPO Borisoglebsk

după specialitate 2204 „Întreţinerea facilităţilor

tehnologie de calcul și rețele de calculatoare"

Borisoglebsk

Orientările sunt elaborate în conformitate cu programul de lucru

la disciplina „Arhitectura computerelor și sistemelor informatice”

in specialitatea 2204 “Intretinerea echipamentelor informatice si a retelelor de calculatoare”

Alcătuit de: ___________

Aprobat de comisia de ciclu
tehnologia Informatiei

Președinte al Comitetului Central

__________________

1. Introducere

Disciplina academică se bazează pe cunoștințele dobândite de studenți în domeniul informaticii și tehnologia informației. În procesul de predare este necesar să se arate legătura dintre materialul studiat cu activitățile profesionale din această specialitate.

Scopul principal al disciplinei:

Elevii studiază și stăpânesc structura unui computer personal, capacitatea de a analiza funcționarea dispozitivelor PC interne și externe.

Predarea disciplinei are o orientare practică, și se desfășoară în strânsă legătură cu disciplinele profesionale generale: „Sisteme de operare și medii”, „Inginerie electronică”, „Fundamente ale algoritmizării și programării”, „Ingineria microcircuitelor”.

Când studiezi o disciplină, este necesar să se acorde în mod constant atenție respectării normelor de siguranță, importanței organizării științifice a muncii și conexiunii materialului studiat cu alte discipline pe care le studiază studenții.

Pentru a consolida materialul teoretic și pentru a dezvolta abilități practice, acest program oferă lucrări practice și de laborator.

Inainte de munca de laborator Instruirea de siguranță este obligatorie.

Scopul acestor orientări este de a ajuta studenții cu fracțiune de normă în studierea materialelor programului la disciplina „Arhitectura computerului și sistemele de calcul”.

Activitatea academică a unui student cu fracțiune de normă atunci când studiază un curs constă în următoarele etape: studierea independentă a cursului folosind manuale și materiale didactice recomandate; frecventarea orelor de orientare, consultanță și revizuire susținute de profesori în timpul sesiunilor de laborator și de examene sau în perioada intersesiunii; efectuarea de lucrări practice; promovarea probei la disciplina.

Principala formă de educație pentru un student cu fracțiune de normă este munca independentă sistematică pe material educațional.

Pentru a consolida cunoștințele teoretice și a dezvolta abilități practice, programul oferă 10 clase de laborator.

Un student prin corespondență, care începe un studiu independent al subiectului, trebuie să se familiarizeze în detaliu cu conținutul acestui manual și să fie ghidat de acesta în munca sa.

Denumirea secțiunilor și a subiectelor		Sesiuni de formare obligatorii pentru invatarea la distanta
maxim	independent	obligatoriu pentru studii cu normă întreagă		Inclusiv
prezentare generală, cursuri de orientare
laborator ocupat.	practica. ocupat.
1. Blocuri de bază ale sistemelor de calcul. Scopul și principiul lor de funcționare.
2. Prezentarea datelor numerice. Codurile.
3. Structura și funcționarea procesorului
4. Memorie cu microprocesor.
5. Unitate aritmetico-logică
6. Memoria într-un computer. Tipuri și tipuri de memorie. RAM. Memorie cache.
7. Memoria dinamică.
8. Memoria statica.
9. Organizarea procesului input-output.
10. Conectarea dispozitivelor de intrare/ieșire de bază la PC.
11. Controlori. întreruperi.
12. Programe de depanare.
13. Avantajele și dezavantajele diferitelor tipuri de sisteme de calcul.
Total după disciplină

Subiectul 1 Blocuri de bază ale sistemelor de calcul. Scopul și principiul lor de funcționare.

Studentul trebuie

stiu

Compoziția dispozitivelor TV centrale și periferice

Scopul și structura procesorului

Concepte: memorie, registre, magistrale

Instrucțiuni. Când studiază acest subiect, elevul ar trebui să acorde atenție conținutului conceptelor care definesc blocurile principale ale unui computer. Este necesar să le cunoaștem clar scopul.

Întrebări pentru autocontrol

Esența principiilor lui von Neumann

Dispozitiv procesor

Înțelegerea registrelor

Subiectul 2 Prezentarea datelor numerice. Codurile.

Studentul trebuie

stiu

Prezentarea datelor numerice;

Codurile simbolice de bază.

a fi capabil să

Lucrați cu numere în diferite sisteme numerice

Codificarea datelor

Lucrare de laborator nr 1.

Instrucțiuni metodice. Este necesar să se acorde atenție tipurilor de codificări ale datelor numerice.

Întrebări pentru autocontrol.

Tipuri de date dintr-un computer

Conceptul de sisteme numerice

Codificarea datelor

Subiectul 3. Structura și funcționarea procesorului

Studentul trebuie

stiu

Definiția procesorului, structura acestuia

Specificațiile procesorului

Clasele de procesoare

a fi capabil să

Caracterizați principiile execuției instrucțiunilor în procesoare,

Întrebări pentru autocontrol.

Conceptul de viteza de ceas a procesorului

Ciclul de lucru al procesorului

Determinarea principalelor caracteristici ale procesorului

Subiectul 4. Memorie cu microprocesor.

Studentul trebuie

stiu

Scopul și componența memoriei;

Scopul registrelor de memorie;

A fi capabil să

Descrieți funcționarea registrelor de uz general,

Întrebări pentru autocontrol.

Conceptul de memorie PC

Tipuri de memorie PC

Conceptul de registre de memorie

Subiectul 5. Unitate logică aritmetică (ALU)

Studentul trebuie

stiu

Scopul și caracteristicile ALU;

Compoziția ALU;

A fi capabil să

Efectuați operații aritmetice

Lucrare de laborator nr 2.

Lucrare de laborator nr 3.

Întrebări pentru autocontrol.

Ce este ALU

Structura ALU

Efectuarea de operații aritmetice într-o ALU

Subiectul 6. Memoria într-un computer. Tipuri și tipuri de memorie. RAM. Memorie cache.

Studentul trebuie

stiu

Clasificarea dispozitivelor de memorie în calculatoare după diverse criterii;

Caracteristicile de bază ale memoriei;

Tipul și tipurile de memorie

Ordinea schimbului de informații între tipurile individuale de memorie.

A fi capabil să

Determinați ordinea schimbului de informații între tipurile individuale de memorie.

Întrebări pentru autocontrol.

Determinarea memoriei virtuale a PC-ului

Determinarea memoriei fizice a PC-ului

Metode de creștere a memoriei

Subiectul 7. Memoria dinamică.

Studentul trebuie

stiu

Tipuri de memorie dinamică

Caracteristici ale memoriei dinamice;

Întrebări pentru autocontrol.

Definiția memoriei dinamice

Tipuri de memorie dinamică

Subiectul 8. Memoria statica.

Studentul trebuie

stiu

Tipuri de memorie statică

Caracteristici ale memoriei statice;

Lucrare de laborator nr 4.

Întrebări pentru autocontrol.

Definiţia static memory

Tipuri de memorie statică

Subiectul 9. Organizarea procesului de intrare-ieșire.

Studentul trebuie

stiu

Clasificarea magistralelor PC;

Caracteristicile magistralei PC;

A fi capabil să

Defini structura logica PC cu una sau mai multe autobuze;

Interfață, magistrală de sistem. Caracteristicile magistralei de sistem: lățime de biți, frecvență de ceas, debitului. Autobuze de expansiune. Autobuze locale. Autobuze periferice.

Întrebări pentru autocontrol.

Concept de interfață, magistrală de sistem

Caracteristicile magistralei de sistem

Tipuri de anvelope

Subiectul 10. Conectarea dispozitivelor I/O de bază la un computer.

Studentul trebuie

stiu

Metode de conectare a dispozitivelor de intrare/ieșire periferice PC;

A fi capabil să

Conectați dispozitivele I/O de bază la computer.

Întrebări pentru autocontrol.

- Caracteristicile dispozitivelor de intrare PC

Caracteristicile dispozitivelor de ieșire PC

Subiectul 11. Controlorii. întreruperi.

Studentul trebuie

stiu

Definiţia controller, interrupts

Scopul și metodele de conectare a controlerului.

A fi capabil să

Definiți tipurile de întreruperi

Întrebări pentru autocontrol.

Definiţia controller, interrupt

Tipuri și tratare a întreruperilor

Subiectul 12. Programe de depanare.

Studentul trebuie

stiu

Tipuri de programe de depanare

Metode de depanare

A fi capabil să

Descrieți programe de depanare;

Întrebări pentru autocontrol.

Caracteristicile programelor de depanare

Definiția subrutinei

Compilarea codului sursă în codul mașinii

Subiectul 13. Avantajele și dezavantajele diferitelor tipuri de sisteme de calcul.

Studentul trebuie

stiu

Tipuri de sisteme de calcul

Caracteristicile diferitelor tipuri de aeronave

A fi capabil să

Identificați avantajele și dezavantajele diferitelor aeronave

Lucrare de laborator nr 5.

Întrebări pentru autocontrol.

Definiția unui sistem de calcul

Avantajele și dezavantajele diferitelor sisteme de calcul

3. Lista claselor de laborator

Subiectul nr.	Laboratorul nr. ocupat.	Numele lecției de laborator	Număr de ore
		„Efectuarea unei operații de adăugare într-o ALU”
		„Efectuarea unei operații de scădere într-o ALU”
		„Introducere în modul de funcționare al memoriei statice”
		„Testarea performanței computerului”

Opțiunea 1.

1. Conceptul de cod. Tipuri de coduri. Caracteristicile codurilor.

2. Monitoare. Principiul de funcționare, caracteristici.

3. Traduceți numerele date 123,45; 891; 587,45 la sistemul de numere binar

Opțiunea 2.

1. Codarea numerelor într-un computer. Sisteme numerice. Tipuri de sisteme numerice.

2. Interfețe. Parametrii interfeței. Metodă de construcție modulară a unui computer.

3. Adăugați numere binare 1101 + 111111; + 1111101

Opțiunea 3.

1. Procesor, funcțiile sale. Caracteristicile procesorului.

2. Conceptul de controlor. Acces direct la memorie.

3. Înmulțiți numere binare 111*11; 101*111

Opțiunea 4.

1. Clasificarea procesoarelor după numărul de circuite integrate mari.

2. Conceptul de memorie. Tipuri de memorie în funcție de capacitatea de a scrie și rescrie date.

3. Convertiți acest număr 456,78 în sistemul de numere binar

5. Controlul cunoștințelor.

Controlul final se acordă sub forma unui examen (semestrul 7).

Lista de exemple de întrebări pentru examen:

1. Baza teoretica construirea unui calculator. Mașina Turing și automatul Neumann.

2. Codificarea informațiilor simbolice într-un computer.

3. Reprezentarea binară, octală și hexazecimală a numerelor

4. Dispozitiv aritmetico-logic.

5. Efectuarea operațiunilor de adăugare în ALU.

6. Efectuați operațiuni de scădere în ALU.

7. Efectuarea operațiilor de înmulțire în ALU.

8. Efectuarea operațiunilor de divizare în ALU.

9. Structura unui calculator clasic. Scopul nodurilor.

10. Unități ROM FMD. Unități flash.

11. Structura procesorului. Scopul dispozitivelor individuale.

12. Clasificarea procesoarelor.

13. Memoria virtuală. Strategie de organizare a memoriei virtuale.

14. Sistem de comandă al procesorului. Clasele de procesoare.

15. Design și tipuri de memorie dinamică.

16. Registre de uz general.

17. Dispozitiv de control.

18. Procesoare ADN. Procesoare neuronale.

19. Design și tipuri de memorie statică.

20. Arhitectura clusterului.

21. Interfete PC.

22. Organizarea memoriei principale. Memorie cu stratificare.

23. Comunicarea procesoarelor într-un sistem cluster.

24. Memoria cache.

25. Organizarea sistemului de intrare/ieșire.

1. E. Tanenbaum Computer Architecture St. Petersburg, 2003

2. Maksimov EVM Moscova, Forum 2005

3. Enciclopedia M. Guk IBM PC Hardware, Sankt Petersburg, 2004

1. Introducere
2. Program de disciplină academică:
3. Lista claselor de laborator
4. Sarcini pentru teste.
5. Controlul cunoștințelor.

ARHITECTURA CALCULATELOR ȘI A SISTEMELOR

note de curs

Principalele caracteristici ale unui calculator. Principii generale construirea calculatoarelor moderne. Informații generale și clasificarea dispozitivelor de memorie. Organizarea arhitecturală a unui procesor de calculator. Structura de comandă a mașinii. Metode de adresare. Caracteristicile arhitecturii microprocesoarelor. Arhitectura microprocesoarelor superscalare. Principii de organizare a unui sistem de întrerupere a programelor. Clasificarea sistemelor de calcul.

Sursa /file/14319/

Curs 1. PRINCIPII ALE CONSTRUCȚIILOR ȘI ARHITECTURII CALCULATORULUI

1.1. Principalele caracteristici ale calculatorului

calculator electronic - un set de instrumente tehnice și software concepute pentru a automatiza pregătirea și soluționarea problemelor utilizatorilor.

Structura - un ansamblu de elemente și conexiunile lor. Există structuri de instrumente tehnice, software și hardware-software.

Arhitectura calculatorului - Aceasta este o ierarhie pe mai multe niveluri de hardware și software din care este construit un computer. Fiecare nivel permite construcție și aplicare multiple. Implementarea specifică a nivelurilor determină caracteristicile designului structural al computerului.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale unui computer este sa performanţă, care se caracterizează prin numărul de comenzi executate de un calculator într-o secundă. Deoarece comenzile computerului includ operații care diferă în ceea ce privește durata de execuție și probabilitatea utilizării lor, este logic să o caracterizam fie prin viteza medie a computerului, fie prin viteza maximă (pentru cele mai „scurte” operațiuni ale „registrului la- tip registru”). Calculatoarele moderne au caracteristici de performanță foarte înaltă, măsurate în sute de milioane de operații pe secundă. De exemplu, cel mai recent microprocesor Merced, coprodus de Intel și Hewlett-Packard, are o performanță de vârf de peste un miliard de operațiuni pe secundă.

O alta cea mai importantă caracteristică Un computer este capacitatea dispozitivelor de stocare. Acest indicator vă permite să determinați ce set de programe și date pot fi plasate simultan în memorie. În prezent, computerele personale pot avea teoretic o capacitate RAM de 768 MB (chipset BX). Acest indicator este foarte important pentru a determina ce pachete software și aplicațiile acestora pot fi procesate simultan în mașină.

Fiabilitate - aceasta este capacitatea unui computer, în anumite condiții, de a îndeplini funcțiile necesare în interior perioada specificata timp. De exemplu, HDD-urile moderne au un timp mediu între defecțiuni de până la 500 de mii de ore. (aproximativ 60 de ani).

Precizie - capacitatea de a distinge între valori aproape egale. Acuratețea obținerii rezultatelor prelucrării este determinată în principal de capacitatea de biți a computerului, precum și de unitățile structurale folosite pentru a reprezenta informația (octet, cuvânt, cuvânt dublu). Utilizarea instrumentelor de programare a limbajului nivel inalt acest interval poate fi mărit de mai multe ori, permițând obținerea unei precizii foarte ridicate.

Credibilitate- proprietatea informatiei de a fi corect percepute. Fiabilitatea este caracterizată de probabilitatea de a obține rezultate fără erori. Nivelul specificat de fiabilitate este asigurat de instrumentele de control hardware și software ale computerului însuși. Metodele de monitorizare a fiabilității sunt posibile prin rezolvarea problemelor de referință și repetarea calculelor. În cazuri deosebit de critice, deciziile de control sunt efectuate pe alte computere și rezultatele sunt comparate.

1.2.Clasificarea dispozitivelor electronice

În mod tradițional, tehnologia computerelor electronice (ECT) este împărțită în analogică și digitală. Mostre rare de computere analogice sunt utilizate în principal în instituțiile de proiectare și cercetare, ca parte a diferitelor standuri pentru testarea echipamentelor complexe. După scopul lor, pot fi considerate calculatoare specializate.

Ceea ce acum 10-15 ani era considerat un computer mainframe modern. este în prezent o tehnologie învechită cu capabilități foarte modeste. În aceste condiții, orice clasificare propusă a computerelor devine foarte repede depășită și trebuie ajustată. De exemplu, în clasificările de acum zece ani au fost utilizate pe scară largă denumirile mini-, midi- și microcalculatoare, care aproape au dispărut din utilizare.

Academicianul V.M. Glushkov a subliniat că există trei sfere globale ale activității umane care necesită utilizarea unor tipuri de computere calitativ diferite.

Prima direcție este tradițională - utilizarea computerelor pentru automatizarea calculelor.O trăsătură distinctivă a acestei direcții este prezența bunelor baza matematica, stabilite de dezvoltarea științelor matematice și aplicațiile acestora. Primul și apoi computerele ulterioare ale structurii clasice au fost create în primul rând pentru a automatiza calculele.

A doua zonă de aplicare a computerelor este legată de utilizarea lor în sistemele de control. S-a născut în anii 60, când calculatoarele au început să fie introduse în buclele de control ale sistemelor automate și automatizate. Baza matematică a acestei zone a fost creată în următorii 15-20 de ani. Noua utilizare a computerelor a necesitat modificarea structurii acestora. Calculatoarele utilizate în management trebuiau nu numai să ofere calcule, ci și să automatizeze colectarea datelor și distribuirea rezultatelor prelucrării.

A treia direcție este legată de utilizarea computerelor pentru rezolvarea problemelor de inteligență artificială. Amintiți-vă că sarcinile inteligenţă artificială nu implică obținerea unui rezultat exact, ci cel mai adesea a unui rezultat mediu în sens statistic, probabilistic. Există multe exemple de astfel de probleme: probleme de robotică, demonstrarea teoremei, traducerea automată a textelor dintr-o limbă în alta, planificarea luând în considerare informatii incomplete, realizarea de prognoze, modelarea proceselor și fenomenelor complexe etc. Această direcție capătă din ce în ce mai mult putere. În multe domenii ale științei și tehnologiei, sunt create și îmbunătățite baze de date, baze de cunoștințe și sisteme expert. Pentru a oferi suport tehnic pentru această direcție, avem nevoie de structuri informatice calitativ noi, cu un număr mare de calculatoare (calculatoare sau elemente de procesor) care să asigure paralelism în calcule. În esență, computerele fac loc unor sisteme de calcul extrem de complexe.

O altă clasă a celor mai populare mijloace de tehnologie informatică este microprocesoarele încorporate. Progresele în microelectronică fac posibilă crearea de dispozitive de calcul în miniatură, până la computere cu un singur cip. Aceste dispozitive, de natură universală a aplicației, pot fi încorporate în mașini, obiecte și sisteme individuale. Sunt din ce în ce mai folosiți în aparate electrocasnice(telefoane, televizoare, ceasuri electronice, cuptoare cu microunde etc.), în servicii urbane (energie, căldură, alimentare cu apă, controlul traficului etc.), în producție (robotică, management). procese tehnologice). Treptat ele intră în viața noastră, schimbând tot mai mult mediul uman.

Astfel, putem propune următoarea clasificare a tehnologiei informatice, care se bazează pe împărțirea lor în funcție de viteză,

Supercalculator pentru rezolvarea problemelor de calcul la scară largă. pentru deservirea celor mai mari bănci de date de informații.

Calculatoare mari pentru personalul centrelor de calcul departamentale, teritoriale și regionale.

Calculatoare de dimensiuni medii de uz general pentru gestionarea complexă tehnologică și logică Procese de producție. Calculatoarele de acest tip pot fi folosite și pentru a controla procesarea distribuită a informațiilor ca servere de rețea.

Calculatoare personale și profesionale , permițându-vă să satisfaceți nevoile individuale ale utilizatorilor. Pe baza acestei clase de calculatoare, stațiile de lucru automatizate (AWS) sunt construite pentru specialiști la diferite niveluri.

Microprocesoare încorporate care automatizează controlul dispozitivelor și mecanismelor individuale.

1.3. Principii generale pentru construirea calculatoarelor moderne

Principiul de bază al construirii tuturor computerelor moderne este controlul programelor. Se bazează pe reprezentarea unui algoritm pentru rezolvarea oricărei probleme sub forma unui program de calcul. Standardul pentru construcția aproape a tuturor calculatoarelor a devenit metoda descrisă de J. von Neumann în 1945 la construirea primelor mostre de computer. Esența sa este următoarea.

Toate calculele prescrise de algoritmul pentru rezolvarea problemei trebuie prezentate sub forma unui program constând dintr-o succesiune de cuvinte-comenzi de control. Fiecare comandă conține instrucțiuni pentru o anumită operație care trebuie efectuată, locația operanzilor (adresele operanzilor) și o serie de caracteristici ale serviciului. Operanzi - variabile ale căror valori sunt implicate în operațiunile de transformare a datelor. O listă (matrice) a tuturor variabilelor (date de intrare, valori intermediare și rezultate de calcul) este un alt element integral al oricărui program.

Pentru a accesa programe, comenzi și operanzi, se folosesc adresele acestora. Adresele sunt numerele de celule de memorie de calculator destinate stocării obiectelor. Diferite tipuri de obiecte situate în memoria computerului sunt identificate prin context.

Se numește o secvență de biți într-un format care are o semnificație specifică camp. De exemplu, în fiecare comandă de program există un câmp de cod de operare și un câmp de adrese de operanzi. În ceea ce privește informațiile numerice, se disting cifrele semnului, un câmp de cifre semnificative de numere, cifrele mari și mici.

Este apelată o secvență constând dintr-un anumit număr de octeți acceptați pentru un anumit computer intr-un cuvant.

Orez. 1.1. Schema structurala Calculatoare din prima și a doua generație

Orice computer are dispozitive de introducere a informațiilor (IID), cu ajutorul cărora utilizatorii introduc programe pentru sarcinile rezolvate și date pentru acestea în computer. Informațiile introduse, în întregime sau parțial, sunt mai întâi stocate în memoria cu acces aleatoriu (RAM) și apoi transferate pe un dispozitiv de stocare extern (ESD), conceput pentru stocarea pe termen lung a informațiilor, unde sunt convertite într-un fișier. Atunci când un fișier este utilizat într-un proces de calcul, conținutul său este transferat în RAM. Apoi informațiile programului sunt citite comandă cu comandă în dispozitivul de control (CU).

Dispozitivul de control este proiectat să execute automat programe prin coordonarea forțată a tuturor celorlalte dispozitive computerizate. Circuitele semnalului de control sunt prezentate în Fig. 1.1 cu linii întrerupte. Comenzile apelate din RAM sunt decriptate de dispozitivul de control: se determină codul operației care trebuie efectuată în continuare și adresele operanzilor care participă la această operație.

În funcție de numărul de operanzi utilizați în comandă, se disting comenzile cu una, două, trei, patru adrese și fără adresă. Comenzile Unicast indică unde se află unul dintre cei doi operanzi procesați. Al doilea operand trebuie plasat în prealabil în unitatea aritmetică.

Instrucțiunile cu două adrese conțin instrucțiuni despre doi operanzi aflați în memorie (sau în registre și memorie). După ce comanda este executată, rezultatul este trimis la una dintre aceste adrese, iar operandul aflat acolo se pierde.

În instrucțiunile cu trei adrese, de obicei, două adrese indică unde sunt operanzii sursă și o a treia unde ar trebui plasat rezultatul.

În comenzile fără adresă, de obicei este procesat un operand, care înainte și după operație se află într-unul dintre registrele unității aritmetico-logice (ALU). În plus, comenzile fără adresă sunt folosite pentru a efectua operațiuni de service (dezactivare întrerupere, ieșire dintr-o subrutină etc.).

Toate comenzile programului sunt executate secvenţial, comandă cu comandă, în ordinea în care sunt scrise în memoria calculatorului (ordinea naturală a comenzilor) sau dacă comanda este cu patru adrese (tipic primelor calculatoare), adresa următoarei comanda se află în al patrulea câmp operand. Această ordine este tipică pentru programele liniare, adică programe care nu conțin ramuri. Pentru organizarea ramurilor se folosesc comenzi care încalcă ordinea naturală a comenzilor. Caracteristicile individuale ale rezultatelor r (r= 0, r < 0, r > 0 etc.) dispozitivul de control este utilizat pentru a modifica ordinea de executare a comenzilor programului.

ALU efectuează operații aritmetice și logice asupra datelor. Partea principală a ALU este o mașină de operare, care include sumatoare, contoare, registre, convertoare logice etc. Este reconfigurată de fiecare dată pentru a efectua următoarea operație. Rezultatele operațiilor individuale sunt salvate pentru utilizare ulterioară într-unul dintre registrele ALU sau scrise în memorie. Rezultatele obținute după executarea întregului program de calcul sunt transferate către dispozitive de ieșire a informațiilor (OUV). Un ecran de afișare, o imprimantă, un plotter etc. pot fi folosite ca afișaj vizual.

Calculatoarele moderne au sisteme destul de dezvoltate de operare a mașinilor. De exemplu, calculatoarele precum IBM PC au aproximativ 200 de operațiuni diferite (170 - 300 în funcție de tipul de microprocesor). Orice operațiune într-un computer se realizează conform unui microprogram specific, implementat în circuite ALU cu o secvență corespunzătoare de semnale de control (microcomenzi). Fiecare microinstrucțiune individuală este cea mai simplă transformare elementară date precum adunarea algebrică, schimbarea, rescrierea informațiilor etc.

Deja în primele computere, combinarea operațiunilor era utilizată pe scară largă pentru a le crește productivitatea. În acest caz, fazele succesive ale execuției comenzilor individuale ale programului (formarea adreselor operanzilor, selectarea operanzilor, executarea unei operații, transmiterea rezultatului) au fost efectuate separat. blocuri funcționale. În munca lor, au format un transportor, iar funcționarea lor paralelă a făcut posibilă procesarea diferitelor faze ale unui întreg bloc de comenzi. Acest principiu a fost dezvoltat în continuare în calculatoarele din generațiile ulterioare. Dar, totuși, primele calculatoare aveau o centralizare foarte puternică a controlului, standarde uniforme pentru formatele de comandă și date și o construcție „rigidă” a ciclurilor pentru efectuarea operațiilor individuale, ceea ce este explicat în mare măsură. dizabilități elementul de bază folosit în ele. Unitatea centrală de control a servit nu numai operațiunilor de calcul, ci și operațiunilor de intrare-ieșire, transferuri de date între unități de stocare etc. Toate acestea au făcut posibilă simplificarea hardware-ului computerului într-o oarecare măsură, dar au împiedicat foarte mult creșterea productivității acestora.

La calculatoarele din a treia generație, structura a devenit mai complexă datorită separării proceselor de intrare-ieșire a informațiilor și procesării acesteia (Fig. 1.2).

Sunt numite dispozitive ALU și de control strâns cuplate CPU, GE. un dispozitiv conceput pentru prelucrarea datelor. În circuitul informatic a apărut și dispozitive suplimentare, care avea denumirile: procesoare de intrare-ieșire, dispozitive de control al schimbului de informații, canale de intrare-ieșire (IOC). Numele de familie a devenit cel mai răspândit în raport cu computerele mari. Există o tendință spre descentralizarea controlului și a funcționării în paralel a dispozitivelor individuale. ceea ce a făcut posibilă creșterea dramatică a vitezei computerului în ansamblu.

Orez. 1.2. Schema bloc a unui computer de a treia generație

Printre canalele de intrare-ieșire au existat canale multiplex, capabil să deservească un număr mare de dispozitive de intrare-ieșire (I/O) care funcționează lent. și canale de selecție care deservesc dispozitive de stocare externă de mare viteză (ESD) în moduri cu mai multe canale.

În calculatoarele personale legate de calculatoare a patra generație, a avut loc o nouă modificare a structurii (Fig. 1.3). L-au moștenit de la minicalculator.

Orez. 1.3. Schema bloc a unui PC

Conectarea tuturor dispozitivelor într-o singură mașină este asigurată cu ajutorul unei magistrale comune, care constă din linii pentru transmiterea datelor, adreselor, semnalelor de control și de alimentare. Un sistem unificat de conexiuni hardware a simplificat semnificativ structura, făcând-o și mai descentralizată. Toate transferurile de date prin autobuz sunt efectuate sub controlul programelor de service.

Nucleul PC-ului este format dintr-un procesor și memorie principală (RAM), constând din RAM și memorie read-only (ROM). ROM-ul este destinat stocării permanente a programelor de testare inițială a PC-ului (POST) și încărcării sistemului de operare. Conexiunea tuturor dispozitivelor externe (VnU), display, tastatură, memorie externă și altele este asigurată prin adaptoare adecvate - potrivitori de viteză a dispozitivelor de împerechere sau controlere - dispozitive speciale pentru controlul echipamentelor periferice. Controlerele din PC-uri joacă rolul de canale de intrare-ieșire. Ca dispozitive speciale, ar trebui să evidențiem un cronometru - un dispozitiv de măsurare a timpului și un controler de acces direct la memorie (DMA) - un dispozitiv care oferă acces la RAM, ocolind procesorul.

Descentralizarea construcției și managementului a adus la viață astfel de elemente care sunt standardul general pentru structurile computerelor moderne:

modularitatea construcției, trunking, ierarhia managementului.

Modularitatea construcției presupune alocarea în structura computerului a unor dispozitive suficient de autonome, complete din punct de vedere funcțional și structural (procesor, modul de memorie, hard disk sau unitate de dischetă).

Designul modular al computerului face din acesta un sistem deschis, capabil de adaptare și îmbunătățire. Dispozitivele suplimentare pot fi conectate la computer, îmbunătățindu-i performanța tehnică și economică. Devine posibilă creșterea puterii de calcul, îmbunătățirea structurii prin înlocuirea dispozitivelor individuale cu altele mai avansate, modificarea și gestionarea configurației sistemului, adaptând-o la condițiile specifice aplicației în conformitate cu cerințele utilizatorului.

În calculatoarele moderne, principiul descentralizării și funcționării în paralel este extins atât la dispozitivele periferice, cât și la computerele în sine (procesoare). Au apărut sisteme de calcul care conţin mai multe tu-numeratorii(calculatoare sau procesoare) lucrând în concert și în paralel. În interiorul computerului în sine, a existat o împărțire și mai clară a funcțiilor între instrumentele de procesare. Au apărut procesoare specializate separate, de exemplu, coprocesoare care procesează numere în virgulă mobilă, procesoare matrice etc.

Sunt produse toate tipurile existente de calculatoare familii,în care se disting modele mai vechi şi mai tinere. Există întotdeauna posibilitatea de a înlocui un model mai slab cu unul mai puternic. Acest lucru este asigurat de informații, hardware și compatibilitate software. Compatibilitatea software-ului în familii este stabilită de jos în sus, de exemplu. programele dezvoltate pentru modelele timpurii și juniori pot fi procesate pe cele mai vechi, dar nu neapărat invers.

Modularitatea structurii computerului necesită standardizarea și unificarea echipamentelor, o gamă de hardware și software, mijloace de interfață, soluții de proiectare, unificarea elementelor standard de înlocuire, bază de elemente și documentație de reglementare și tehnică. Toate acestea ajută la îmbunătățirea caracteristicilor tehnice și operaționale ale calculatoarelor și la creșterea capacității de fabricație a producției lor.

Descentralizarea managementului presupune organizarea ierarhică a structurii computerului. Controlul centralizat este efectuat de dispozitivul de control al procesorului principal sau central. Modulele conectate la procesorul central (controlere și KVV) pot, la rândul lor, folosi speciale cauciucuri sau autostrăzi pentru schimbul de semnale de control, adrese și date. Inițializarea funcționării modulelor este asigurată prin comenzi de la dispozitivele centrale, după care acestea continuă să funcționeze conform programe proprii management. Rezultatele efectuării operațiunilor solicitate sunt prezentate de către aceștia „în sus în ierarhie” pentru coordonarea corectă a tuturor lucrărilor.

Sistemul de memorie al computerului este construit după un principiu ierarhic. Deci, din punctul de vedere al utilizatorului, este de dorit să aibă în computer RAM capacitate mare de informare și viteză mare. Cu toate acestea, o structură de memorie cu un singur nivel nu permite satisfacerea simultană a acestor două cerințe contradictorii. Prin urmare, memoria computerelor moderne este construită pe un principiu piramidal cu mai multe niveluri.

Procesoarele pot include un dispozitiv de stocare ultra-aleatoriu de capacitate mică format din câteva zeci de registre cu timp rapid acces (unități ns). Datele utilizate direct în procesare sunt de obicei stocate aici.

Următorul nivel formează memoria cache. Este un dispozitiv de stocare tampon conceput pentru a stoca pagini active cu un volum de zeci și sute de kiloocteți. Timpul de acces la date este de 2-10 ns, iar eșantionarea asociativă a datelor poate fi utilizată. Memoria cache, ca memorie mai rapidă, are scopul de a accelera recuperarea comenzilor de program și a datelor procesate. Programele de utilizator și datele pentru ele sunt localizate în memoria cu acces aleatoriu (capacitate - milioane de cuvinte mașină, timp de eșantionare 10-70 ns).

Unele dintre programele mașinii care asigură controlul automat al calculelor și sunt utilizate cel mai des pot fi localizate în memoria de doar citire (ROM). La nivelurile inferioare ale ierarhiei se află dispozitive externe de stocare pe suport magnetic: discuri magnetice rigide și flexibile, benzi magnetice, discuri magneto-optice etc. Se disting prin viteză mai mică și capacitate foarte mare.

Organizarea schimbului de avans fluxurile de informațiiîntre memorie diferite niveluri cu gestionarea descentralizată a acestora, ne permite să considerăm ierarhia memoriei ca un singur abstract memorie virtuala. Munca coordonată la toate nivelurile este asigurată sub controlul programului sistem de operare. Utilizatorul are posibilitatea de a lucra cu memorie mult mai mare decât capacitatea RAM.

Descentralizarea managementului și structurii computerelor a făcut posibilă trecerea la mai complexe multi-program (multi-program) moduri. În același timp, mai multe programe de utilizator pot fi procesate într-un computer în același timp.

În calculatoarele cu un singur procesor, procesarea multiprogram este evidentă. Acesta implică funcționarea în paralel a dispozitivelor individuale implicate în calcule pentru diferite sarcini ale utilizatorului. De exemplu, un computer poate tipări orice documente și poate primi mesaje care sosesc prin canale de comunicare. În acest caz, procesorul poate procesa date folosind un al treilea program, iar utilizatorul poate introduce date sau un program pentru sarcina noua, asculta muzică etc.

În calculatoarele sau sistemele de calcul care au mai multe procesoare de procesare, munca multiprogram poate fi mai profundă. Controlul automat al calculelor presupune creșterea complexității structurii prin includerea sistemelor și blocurilor care separă diferite procese de calcul unele de altele, eliminând posibilitatea interferențelor și erorilor reciproce (sisteme de întrerupere și prioritate, protecție a memoriei). Ele nu au semnificație independentă în calcule, dar sunt un element necesar al structurii pentru a asigura aceste calcule.

După cum puteți vedea, istoria de jumătate de secol a dezvoltării computerelor nu a oferit o gamă foarte largă de structuri de bază ale computerului. Toate structurile date nu depășesc structura clasică von Neumann. Acestea sunt unite de următoarele caracteristici tradiționale:

Nucleul computerului este format dintr-un procesor - singurul computer din structură, completat de canale pentru schimbul de informații și memorie -

Organizarea liniară a celulelor de toate tipurile de memorie de dimensiune fixă;

Adrese cu un singur nivel a 11 celule de memorie, ștergând diferențele dintre toate tipurile de informații:

Interior limbajul mașinii nivel scăzut, în care comenzile conțin operații elementare de conversie a operanzilor simpli;

Secvenţial management centralizat calcule;

Capabilități destul de primitive ale dispozitivelor de intrare/ieșire.

În ciuda tuturor succeselor obținute, structura clasică a unui computer nu oferă posibilitatea creșterii în continuare a productivității. A apărut o criză din cauza mai multor deficiențe semnificative:

Mijloace slab dezvoltate de prelucrare a datelor nenumerice (structuri, simboluri, propoziții, imagini grafice, sunet, seturi de date foarte mari etc.);

Incoerența operațiunilor mașinii cu operatori de limbaj de nivel înalt;

Organizarea primitivă a memoriei calculatorului;

Eficiență scăzută a calculatoarelor la rezolvarea problemelor care permit procesarea paralelă etc.

Toate aceste neajunsuri duc la o complexitate excesivă a pachetului software utilizat pentru pregătirea și rezolvarea problemelor utilizatorilor.

În calculatoarele generațiilor viitoare, folosind „inteligență artificială încorporată” în ele, este de așteptat o complicație suplimentară a structurii. În primul rând, aceasta se referă la îmbunătățirea proceselor de comunicare între utilizatori și computere (utilizarea informațiilor audio, video, sisteme multimedia etc.), asigurarea accesului la baze de date și baze de cunoștințe, organizarea calcul paralel. Nu există nicio îndoială că aceasta trebuie să corespundă noilor structuri paralele cu noi principii pentru construcția lor. Ca exemplu, subliniem că cel mai rapid computer de la IBM oferă în prezent o viteză de 600 MIPS (milioane de instrucțiuni pe secundă), în timp ce cel mai mare sistem de hipercuburi nCube oferă o viteză de 123,10 3 MIPS. Calculele arată că costul funcționării unei mașini într-un hipersistem este de aproximativ o mie de ori mai mic. Probabil, sisteme similare Marile depozite de informații vor fi deservite.