Архитектура персонального компьютера

1. Архитектура персонального компьютера

2. Принципы Джона фон Неймана

В основе построения большинства ЭВМ лежат
три общих принципа, сформулированных Дж.
фон Нейманом (1945): программное
управление, однородность памяти,
адресность

3.

1. Принцип программного управления
Он обеспечивает автоматизацию процессов
вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу
программа состоит из набора команд, которые
выполняются процессором автоматически друг
за другом в определенной
последовательности.

4.

Для понятия этого принципа надо знать
следующие определения:
Регистр – специализированная
дополнительная ячейка памяти в процессоре.
Регистр выполняет функцию кратковременного
хранения числа или команды.
Счетчик команд – регистр устройства
управления (УУ), содержимое которого
соответствует адресу очередной выполняемой
команды, он служит для автоматической
выборки программы из последовательных
ячеек памяти.

5.

2. Принцип однородности памяти (принцип
хранимой команды)
Программы и данные хранятся в одной и той
же памяти. Компьютер не различает, что
храниться в данной ячейке памяти – число,
текст или команда. Над командами можно
выполнять такие же действия, как и над
данными. Отсутствие принципиальной разницы
между программой и данными дало
возможность ЭВМ самой формировать для себя
программу в соответствии с результатом
вычислений.

6.

3. Принцип адресности
Структурно основная память состоит из
пронумерованных ячеек; процессору в
произвольный момент времени доступна
любая ячейка. Это позволяет обращаться к
произвольной ячейке (адресу) без просмотра
предыдущих.

7. Архитектура ЭВМ, построенная на принципах фон Неймана

8.

Классические типы архитектур ЭВМ: звезда,
иерархическая и магистральная архитектуры.
Современные компьютеры типа IBM PC
построены по принципу магистральномодульной архитектуры.

9.

10. Магистрально-модульный принцип построения компьютера

• Модульность позволяет потребителю
самому комплектовать нужную ему
конфигурацию компьютера и производить
при необходимости ее модернизацию.
• Модульная организация компьютера
опирается на магистральный (шинный)
принцип обмена информацией между
устройствами.

11. Магистраль - три различные шины,

через которые
• подключаются процессор и оперативная
память, а также периферийные устройства
ввода, вывода и хранения информации;
• устройства обмениваются информацией в
форме последовательностей нулей и
единиц, реализованных электрическими
импульсами.

12. Архитектура персонального компьютера

13. Чипсет

Современные компьютеры содержат две
основные большие микросхемы чипсета:
контроллер-концентратор памяти, или
Северный мост (англ. North Bridge), который
обеспечивает работу процессора с оперативной
памятью и с видеоподсистемой;
контроллер-концентратор ввода/вывода, или
Южный мост (англ. South Bridge),
обеспечивающий работу с внешними
устройствами.

14. Пропускная способность шины

Пропускная способность шины (бит/с)
равна произведению разрядности шины (в
битах) и частоты шины (в герцах - Гц, 1 Гц = 1
такт в секунду):
пропускная способность шины =
разрядность шины * частота шины
Такт - это промежуток времени между
подачами
электрических
импульсов,
синхронизирующих
работу
устройств
компьютера.

15. Системная шина – между Северным мостом и процессором (FSB от англ. FrontSide Bus).

Частота системной шины может составлять 400 МГц.
пропускная способность системной шины:
64 бита * 1600 МГц = 102400 Мбит/с = 100
Гбит/с = 12,5 Гбайт/с.

16. Шина памяти – обмен данными между северным мостом и оперативной памятью

Пропускная способность шины памяти также
равна:
64 бита * 1600 МГц = 102 400 Мбит/с = 100
Гбит/с = 12,5 Гбайт/с = 12 800 Мбайт/с.

17. Шина PCI Express

Для подключения видеоплаты к северному
мосту шина
(Peripherial Component Interconnect bus
Express - ускоренная шина взаимодействия
периферийных устройств).
Пропускная способность этой шины может
достигать 32 Гбайт/с.

18. Шина SATA

Устройства внешней памяти (жесткие диски,
CD- и DVD-дисководы) подключаются к
южному мосту по шине SATA
(англ. Serial Advanced Technology Attachment
- последовательная шина подключения
накопителей).
Скорость передачи данных по которой
может достигать 300 Мбайт/с.

19. Шина USB

Для
подключения
принтеров, сканеров,
цифровых камер и других периферийных
устройств обычно используется шина USB
(Universal
Serial
Bus
универсальная
последовательная шина).
Эта шина обладает пропускной способностью
до 60 Мбайт/с и обеспечивает подключение к
компьютеру
одновременно
до
127
периферийных устройств (принтер, сканер,
цифровая камера, Web-камера, модем и др.).

20. Увеличение производительности процессора

Увеличение производительности
процессоров за счет увеличения частоты
имеет свой предел из-за тепловыделения.
Выделение процессором теплоты Q
пропорционально потребляемой мощности
Р, которая, в свою очередь,
пропорциональна квадрату частоты v :
Q ~ Р ~ v2.

21. Увеличение производительности процессора

Увеличение производительности
процессора, а значит и компьютера,
достигается за счет увеличения количества
ядер процессора (арифметических
логических устройств).
Вместо
одного
ядра
процессора
используются два или четыре ядра, что
позволяет распараллелить вычисления и
повысить производительность процессора.

22. Тенденции в развитии структуры современных ЭВМ

1.
2.
3.
4.
постоянно расширяется и совершенствуется набор
внешних устройств, что приводит к усложнению связей
между узлами ЭВМ;
вычислительные машины перестают быть
однопроцессорными, для осуществления параллельных
вычислений одна операция выполняется сразу
несколькими процессорами;
использование быстродействующих ЭВМ не только для
вычислений, но и для логического анализа данных;
возрастает роль межкомпьютерных коммуникаций,
компьютеры объединяются в сети для совместной
обработки данных.

23. Все это приводит к тому, что происходит пересмотр традиционной фон Неймановской архитектуры (схема 1).

1) Однопроцессорная схема фон Неймана

24. В конвейерной архитектуре процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных

В конвейерной архитектуре процессоры одновременно
выполняют разные операции над последовательным
потоком обрабатываемых данных (многократный поток
команд и однократный поток данных) (схема 2).
2) Многопроцессорная магистральная (конвейерная) схема

25. В векторной архитектуре все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными (однократный поток команд и

В векторной архитектуре все процессоры
одновременно выполняют одну команду над различными
данными (однократный поток команд и однократный поток
данных) (схема 3).
3) Многопроцессорная векторная схема

26. В матричной архитектуре все процессоры одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками

В матричной архитектуре все процессоры одновременно
выполняют разные операции над несколькими последовательными
потоками обрабатываемых данных (многократный поток команд и
многократный поток данных) (схема 4).
4) Многопроцессорная матричная схема