Архітектура та програмне забезпечення комп'ютера, Детальна інформація

Список скорочень PAGEREF _Toc536421967 \h 19

Література. PAGEREF _Toc536421968 \h 20



1.Вступ.

Перший комп’ютер IBM PC було виготовлено в 1981 році фірмою IBM (International Businness Machines Corporation). З появою нових електронних компонентів та вдосконаленням вже існуючих в подальшому розроблялися і розробляються до тепер нові моделі ПК, які є програмно і по можливості апаратно сумісними з вже існуючими моделями.

Комп’ютер здійснює обробку інформації, яка знаходиться в його пам’яті, під керуванням попередньо завантаженої до пам’яті програми. Програмою є набір (послідовність) команд мікропроцесора, які відповідним чином формалізовані (представлені у зрозумілій для мікропроцесора формі).

Представлення та перетворення інформації в електронно-обчислювальних машинах (ЕОМ) реалізуються шляхом керування значеннями одного або декількох електричних параметрів (таких, як напруга, сила струму, частота…), найзручнішим методом в цьому плані є маніпулювання напругою. Комп’ютер є цифровим (дискретним) приладом, що означає використання лише певних, конкретно визначених значень напруги для представлення інформації. Найрозповсюдженішим (майже стандартним) випадком є використання лише двох рівнів напруги – високого (high) та низького (low), що зумовлено простотою проектування та виготовлення електронних компонентів, які можуть відображати обидва зазначені рівні.

Необхідність використання лише двох рівнів напруги зумовило потребу розробки правил запису чисел, які дозволяли б маніпулювати останніми, використовуючи лише два зазначених стани електронних компонентів. В результаті при представленні чисел прийнято використовувати набір лише двох цифр – 0 та 1, які, відповідно відображаються низьким та високим рівнями напруги. Такий набір цифр та правил їх використання для представлення чисел прийнято називати системою числення, назва системи числення визначається загальною кількістю використовуваних нею цифр, яку називають основою системи числення.

Одиницею інформації в комп’ютері є біт, який може містити число, величина якого еквівалентна значенню однієї двійкової цифори – 0 або 1. Один біт не може забезпечувати представлення великої кількості чисел, тому для представлення чисел довільної величини використовуються групи з 8 біт – байт (Byte), 16 біт – машинне слово (Word) або 32 біт – подвійне машинне слово (Double Word). Комп’ютер може маніпулювати інформацією на рівні байтів, та окремих бітів.

Числа в комп’ютері використовуються для представлення інформації будь-якого типу (числові величини, текст, графічні зображення, аудіо (музичні) дані. Наприклад, для представлення текстових даних, кожному графічному символу ставиться у відповідність двійкове числове значення, розмірністю 1 байт -–так званий код ASCII; для графічних зображень характерним є наявність трьох числових складових, які описують одну дискретну точку зображення; аудіоінформація також представлена декількома числами, які відповідним чином кодують частоту звучання, гучність і т.п.

2. Структурна схема та принципи роботи сучасного комп’ютера.

2.1. Принцип виконуваної програми.

Концепція комп’ютера базується на принципі виконуваної програми і може бути сформульована наступним висловлюванням: “прилад, який може маніпулювати даними у відповідності із заданою послідовністю інструкцій”. Для збереження даних та послідовності інструкцій зазначений принцип передбачає наявність спеціального функціонального блоку –оперативної пам’яті. Для виконання інструкцій призначена спеціальна електронна схема – процесор (мікропроцесор). Кожна інструкція фактично є однією із множини виконуваних мікропроцесором команд, які становлять його операційний ресурс (систему команд). Операційний ресурс сучасних мікропроцесорів становить 100 – 400 команд.

Процес вирішення завдання фактично є описом послідовності елементарних дій над даними, реалізація яких приводить до необхідного результату. Такий опис називається алгоритмом, а його реалізація в термінах системи команд мікропроцесора – програмою.

Процес виконання програми є послідовністю процесів виконання мікропроцесором кожної інструкції (команди) програми. Команди виконуються послідовно, в порядку їх розміщення в оперативній пам’яті; зміна послідовності виконання команд реалізується спеціальними інструкціями (командами переходів), тобто процес виконання програми регулюється самою програмою, а не мікропроцесором. Виконання кожної команди умовно поділяється на чотири етапи (мал.2.1.1.), а сам машинний код команди в пам’яті має жорстко визначений формат (мал.2.1.2.).

Команди програми розміщуються в пам’яті послідовно, займаючи суміжні комірки пам’яті; розмір пам’яті, необхідний для збереження коду команди, залежить від самої команди і, як правило, складає 1 – 15 байт.

Перший байт машинного коду команди називається кодом операції і присутній завжди; всі інші байти можуть бути присутніми або відсутніми в залежності від команди.

Байт адресації визначає спосіб формування адреси (номера комірки пам’яті) аргументів команди, а байт масштабування забезпечує доступ до масивів даних і містить в закодованому представленні розмірність елемента масиву та його номер. В якості операндів можуть виступати як безпосередньо вказані дані, так і адреси доступу до них; розмірність операндів може складати 8-32 біт (1-4 байт).

Виходячи з принципу виконуваної програми, структурна схема комп’ютера має вигляд:

Процесор (CPU – Central Processing Unit) є функціональним блоком, який реалізує виконання програми шляхом поступового читання з пам’яті та наступного виконання кожної з її команд.

Пам’ять призначена для зберігання кодів команд програми та даних в процесі їх обробки.

Перед початком обробки програма та оброблювані підлягають занесенню до пам’яті, що реалізується зовнішніми (периферійними) пристроями при посередництві пристроїв вводу-виводу. Останні забезпечують обмін даними між комп’ютером та периферійними пристроями.

На схемі (мал.2.1.3.) широкими стрілками зазначені інформаційні зв’язки між структурними елементами, тобто можливі шляхи транспортування інформації, а тонкі стрілки відображають зв’язки керування та підзвітності пристроїв.

2.2. Архітектура комп’ютера.

Сучасні комп’ютери побудовані за модульним принципом. Це означає, що вони складаються з окремих блоків – модулів, які певним чином сполучені між собою з метою забезпечення їх взаємодії; кожен з блоків виконує специфічні функції відповідно до свого функціонального призначення. Ланкою, яка забезпечує взаємодію модулів комп’ютера, є системна магістраль – сукупність ліній електричного зв’язку, які сполучають однойменні контакти всіх модулів.

Кожна лінія магістралі має своє жорстко встановлене функціональне призначення, сигнали на лініях мають визначені електричні та часові параметри. Електричні параметри сигналів магістралі, правила їх формування та часова залежність між ними називаються інтерфейсом магістралі. Очевидно, що для успішної співпраці всіх модулів в комп’ютерній системі, останні повинні функціонувати за правилами магістралі, тобто мати єдиний інтерфейс.

Множина всіх ліній електричного зв’язку, які входять до складу магістралі, поділяють на декілька груп, у відповідності з їх функціональним призначенням. Група ліній які несуть сигнали однакового функціонального призначення, називається шиною (bus). У відповідності з таким поділом, до складу магістралі входять чотири шини – шина даних (ШД), шина адреси (ША), шина управління (ШУ) та шина живлення (ШЖ).

Шина даних призначена для обміну даними і є набором електричних ліній, за кожною з яких може передаватися одна двійкова цифра даних шляхом встановлення високого або низького рівня напруги, що відповідає двійковим цифрам 1 або 0. Кількість ліній в наборі називається шириною або розрядністю шини, і визначає об’єм інформації, який може транспортувати шина даних за один цикл обміну даними.

Шина адреси призначена для однозначного визначення конкретної комірки пам’яті (або конкретного пристрою вводу-виводу) шляхом передачі двійкового коду адреси – спеціального числового значення, яке фактично є номером комірки пам’яті або пристрою вводу-виводу. Розрядність шини адреси безпосередньо визначає кількість комірок пам’яті або кількість пристроїв вводу-виводу, до яких можливе звернення і в загальному випадку ця кількість рівна 2n, де n – розрядність шини адреси.

Шина управління включає електричні лінії, за якими передаються сигнали управління та сигнали, які відображають стан модуля, який бере участь в обміні даними.