Аппаратное обеспечение ЭВМ

1.

Учебная дисциплина «Информатика и ИТ»
Тема 2: «Аппаратное обеспечение ЭВМ»

2.

Лекция 2.1. Организация ЭВМ и центральных
узлов
Учебные вопросы:
1.
2.
3.
Основные характеристики и базовые функции. Основные функциональные узлы.
Процессоры.
Иерархия памяти.
Цели занятия:
1.
Изучить основные характеристики и базовые функции ЭВМ.
2.
3.
4.
Изучить основные функциональные узлы.
Ознакомить с основными видами и типами современных процессоров.
Ознакомить с иерархией памяти.
2

3.

ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ:
1.
Теоретическая информатика. Часть 1. Информация и данные в ЭВМ /
О.В. Карамыхова, Г.Г. Кучук, О.Ю. Миронов, О.В. Моисеев. – Орел: Академия ФСО России, 2018. – 225
с.
2.
Теоретическая информатика. Часть 2. Программное обеспечение / В.А. Дунаев,
О.В. Карамыхова, О.Ю. Миронов. – Орел: Академия ФСО России, 2019. – 183 с.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:
1.
2.
Акулов О.А., Медведев Н.В. Информатика: базовый курс. – М.: Омега-Л, 2005.–552с.
Макарова Н.В., Волков В.Б. Информатика. – СПб.: Питер, 2011. – 576 с.
3

4.

4
ТЕМА №1
ТЕМА №2
«Понятие информации»
«Аппаратное обеспечение
ЭВМ»
УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА
«ИНФОРМАТИКА и ИТ»
ТЕМА №3
ТЕМА №4
«Программное
обеспечение ЭВМ»
«Основы работы с
офисными пакетами»

5.

5
Учебный вопрос 1:
Основные характеристики и базовые
функции. Основные функциональные узлы

6.

6
!
Электронно-вычислительная машина
комплекс технических, аппаратных и программных средств,
предназначенных для решения задач пользователя
комплекс технических средств, предназначенных для
автоматической обработки информации в процессе решения
вычислительных и информационных систем, или как устройство
(система), способное выполнять заданную, четко определенную
последовательность операций
устройство или система, способная автоматически выполнять
заданную, изменяемую последовательность операций,
называемую программой
Вычислительная система–
совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих
процессоров или вычислительных машин, периферийного
оборудования и программного обеспечения,
предназначенных для подготовки и решения задач
пользователей

7.

7

8.

8
Базовые функции ЭВМ:
1. Обработка данных реализуется арифметико-логическим устройством (АЛУ) путем
выполнения последовательности простых операций над содержимым отдельных слов.
2. Хранение данных:
кратковременное – хранение данных, используемых в процессе обработки,
реализуется оперативной памятью;
долговременное – хранение данных, которые могут обрабатываться по мере
необходимости, реализуется внешней памятью.
Все слова в памяти имеют адрес, который связан с физическим местом в памяти.
3. Перемещение данных – перемещение данных между ЭВМ и внешней средой,
реализуется
периферийными
устройствами.
При
обмене
данными
с удаленными устройствами реализуется процесс их передачи.
4. Управление предполагает реализацию всех перечисленных функций. Реализуется
устройством управления.

9.

9
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ:
MIPS (Mega Instruction Per Second) – миллион операций в секунду
над числами с фиксированной запятой (точкой);
MFLOPS (Mega FLoating Operations Per Second) – миллион операций
над числами с плавающей запятой (точкой);
GFLOPS (Giga FLoating Operations Per Second) – миллиард операций
над числами с плавающей запятой (точкой);
TFLOPS (Tera FLoating Operations Per Second) – триллион операций
над числами с плавающей запятой (точкой).

10.

10

11.

Функциональные характеристики ЭВМ:
11
Тактовая частота – частота, на которой работают процессор, системная
шина и оперативная память.
Зная тактовую частоту, можно определить время выполнения машинной
операции.
Емкость запоминающих устройств – количество единиц информации (бит,
байт,
Кбайт
и
т.д.),
которое
может
одновременно
находится
в памяти.
Емкость оперативной и внешней памяти характеризуются отдельно.
Разрядность шин интерфейса – максимальное количество разрядов, которое
одновременно может передаваться по шине.
Чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше
производительность ЭВМ.
Типы интерфейсов. Различные типы интерфейсов обеспечивают различные
скорости передачи данных.
Типы периферийных устройств.
Габариты, масса.

12.

Конструктивно ЭВМ выполнена в виде системного блока, к которому через
разъемы подключаются внешние устройства
12
Системный блок включает:
системную плату;
модули ОЗУ;
НЖМД;
блок питания;
платы расширения с
интерфейсами внешних устройств.
На системной плате размещаются:
микропроцессор;
набор микросхем системной
логики (чипсет);
генератор
тактовых
импульсов;
микросхема ПЗУ;
внутренние
и
внешние
интерфейсы.

13.

Общая организация ЭВМ
13
Система
ввода вывода
(СВВ)
Иерархия
запомина ющих
устройств
(ИЗУ)
Шина
(системная
магистраль
(СМ ))
Центральный
процессор
(ЦП)
ЭВМ
Интерфейсом также называют–
ВКС –
внутренняя коммуникационная
система,
обеспечивающая практически весь
комплекс процессов взаимодействия
блоков ЭВМ
Объединение различных блоков ЭВМ в единый
комплекс осуществляется через унифицированные
системы сопряжения – интерфейсы, как системы
передачи данных между узлами системы или разными
системами, описанными стандартами
технические и программные средства, реализующие сопряжение
между устройствами или их узлами

14.

ВЫВОДЫ ПО 1 УЧЕБНОМУ ВОПРОСУ
ИЗУЧЕНЫ БАЗОВЫЕ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И БАЗОВЫЕ
ФУНКЦИИ, А ТАКЖЕ ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ ЭВМ
14

15.

15
Учебный вопрос 2:
Процессоры

16.

Сопроцессор
Процессор
АЛУ
МПП
УУ
Ши н а п р о це с с о р а
16
Основная память
Внешняя память
ОЗУ
НЖМД
ПЗУ
Источник
питания
Системная шина
Монитор
Принтер
(сканер)
Клавиатура
Устройства ввода-вывода
Генератор
тактовых
импульсов
НОД
Мышь

17.

Процессор управляет работой всех остальных блоков ЭВМ, выполняет
арифметические и логические операции над данными.
17
В состав микропроцессора входят:
устройство управления (УУ) формирует и подает во все блоки ЭВМ в нужные
моменты времени сигналы управления;
арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и
логические операции над данными;
микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения
данных, используемых в вычислениях в ближайшие такты работы процессора;
МПП строится на регистрах;
шина процессора – включает внутренний интерфейс (для связи УУ, АЛУ и
МПП) и внешний интерфейс (для связи процессора с другими устройствами ЭВМ
через системную шину).
Сопроцессоры эффективно выполняют специфические функции, разгружая
центральный процессор.
Виды сопроцессоров:
математические
сопроцессоры
числовые данные с плавающей точкой;
обрабатывают
графические
сопроцессоры
графические изображения.
обрабатывают

18.

ВЫВОДЫ ПО 2 УЧЕБНОМУ ВОПРОСУ
ИЗУЧЕНЫ СОВРЕМЕННЫЕ ТИПЫ ПРОЦЕССОРОВ
18

19.

19
Учебный вопрос 3:
Иерархия памяти

20.

20
«Память определяет быстродействие»
«Самый медленный верблюд определяет
скорость каравана»
Арабская народная пословица

21.

21
Одним из основных устройств вычислительной техники являются запоминающие
устройства (ЗУ), которые предназначены для кратковременного и долговременного
хранения информации, представляемой соответствующими кодами команд и данных.
Информация в ЗУ хранится в двоичных кодах, каждый бит – элементарная ячейка
памяти – может принимать значение «0» или «1».
Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, однозначно её идентифицирующий
в определённой системе координат.
Для обозначения устройств хранения информации используют два термина:
«память» и «запоминающее устройство», в большей степени эквивалентных
по смыслу.
Память – это совокупность устройств, предназначенных для ввода, хранения
и вывода информации.
Запоминающее устройство
в эту совокупность.
–
это
отдельное
устройство
ИЗУ,
входящее

22.

22
Основными операциями в памяти являются запись информации в память
и считывание информации из памяти.
Обе операции называются обращением к памяти, соответственно, обращением к
памяти при записи и обращением к памяти при считывании.
Внешняя
память
Внутренняя память
Уровни
I
II
III
IV
ПЗУ
Процессор
ВЗУ
ОЗУ
СОЗУ
БЗУ

23.

23
Для решения задач пользователя ЭВМ должна обладать системой
памяти, удовлетворяющей компромиссу ряда критериев:
– максимальный объем, требуемый для решения задачи;
– высокое быстродействие;
– низкая стоимость.
Объем необходимой памяти ЭВМ зависит от того, на выполнение какого
типа приложений ориентируется вычислительная система.
Программисты считают, что чем больший объем памяти может быть
использован разрабатываемым приложением, тем лучше.
Для того чтобы вычислительная система (ВС) работала с максимальной
производительностью, возможной при данном типе процессора,
быстродействие памяти должно быть таким, чтобы обеспечить его полную
загрузку. Для этого процессор не должен простаивать, ожидая, пока из
памяти будут извлечены необходимые для его работы данные.
Стоимость системы памяти должна быть сопоставима со стоимостью
остальных систем ЭВМ.

24.

24
На современном этапе развития вычислительной техники все три
критерия связаны между собой следующим образом:
– чем больше объем памяти ЭВМ, тем ниже ее быстродействие и ниже
относительная стоимость запоминающих устройств, входящих в систему памяти;
– чем выше быстродействие, тем выше относительная стоимость
запоминающих устройств в пересчете на единицу хранимой в памяти
информации.
Достижение необходимого компромисса указанных критериев при
разработке ЭВМ обеспечивается организацией иерархии системы памяти.
Иерархическая память состоит из запоминающих устройств различных
типов и организованных из них систем и сетей хранения.
В зависимости от уровня развития вычислительной техники ЗУ,
находящиеся на разных уровнях, могут сдвигаться по иерархии.

25.

Быстродействие
Удельная стоимость
Объем
25
Быстродействие
(время доступа)
Объем
Регистры процессора
Единицы нс
Сотни байт
Кэш-память L1
Единицы –
десятки нс
Десятки –
сотни кбайт
Кэш-память L2
Единицы –
десятки нс
Сотни –
единицы Мбайт
Кэш-память L3
Десятки нс
Единицы –
десятки Мбайт
Основная память
Десятки нс
Единицы – сотни
Гбайт
Десятки – сотни
мкс
Единицы –
десятки Мбайт
ЗУ на магнитных дисках
Единицы –
десятки мс
Сотни Гбайт –
единицы Тбайт
ЗУ на оптических дисках
Десятки – сотни мс
Единицы –
десятки Гбайт
ЗУ на флэш-памяти
Сотни мкс –
единицы мс
Единицы –
сотни Гбайт
Магнитооптические диски
Десятки мс
Сотни Мбайт –
десятки Гбайт
Секунды – минуты
Сотни Мбайт –
сотни Гбайт
Дисковая кэш-память
ЗУ на магнитных лентах
Системы хранения на магнитных дисках (RAID-массивы)
Системы хранения на оптических дисках
Системы хранения на магнитооптических дисках
Системы хранения на магнитных лентах
Сети хранения
Сотни Гбайт –
десятки Тбайт
Сотни Гбайт –
единицы Пбайт

26.

26
Любые ЗУ состоят их элементов (ячеек) памяти (ЭП) – минимальных частей
устройства памяти, используемых для запоминания (хранения) наименьшей единицы
данных (бит или байт).
Для более четкого распределения памяти устройств вычислительной техники
каждому из видов предписывается своя совокупность выполняемых функций. Исходя
из этого ЗУ можно классифицировать по различным признакам.
Классификация запоминающих устройств
По методу доступа
По использованию и назначению
Внутренние
Буферные
Внешние
Прямой
Последовательный
НЖМД,
НГМД
СОЗУ
ОЗУ
Произвольный
НМЛ
ПЗУ
МОД
Ассоциативный
Оптические
По способу поиска
информации
Адресные
По способу хранения информации
Статические
Безадресные
Ассоциативные
Динамические

27.

Классификация ЗУ по методу доступа к элементам памяти
27
По методу доступа к элементам памяти разделяют ЗУ с прямым, последовательным,
произвольным и ассоциативным доступом.
При прямом доступе механизм записи-чтения напрямую обращается к зоне носителя, в
которой находится адресуемая запись, и далее последовательно просматривает записи внутри этой
зоны до совмещения с искомой записью. Такой тип доступа характерен для НГМД и НЖМД.
При последовательном доступе хранимая информация поделена на элементы – записи
(records). Для перемещения механизма записи-чтения к нужной записи от текущего положения
необходимо пройти все промежуточные. Такой доступ характерен, например, для НМЛ.
При произвольном доступе возможен непосредственный доступ к ячейке памяти в произвольном
порядке. Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес. Доступ по любому адресу для
записи-чтения занимает одно и то же время и может производиться в произвольной очередности. Этот
метод используется в ОЗУ.
Ассоциативный доступ позволяет выполнять поиск ячеек, содержащих такую информацию, в
которой значение отдельных бит совпадает с состоянием одноимённых бит в заданном для поиска
образце. Такой доступ осуществляется в некоторых реализациях СОЗУ (кэш-памяти).

28.

Классификация ЗУ по использованию и назначению
28
По использованию ЗУ делят на внутренние (или оперативные),
внешние и буферные.
По назначению внутренние ЗУ делят на сверхоперативные ЗУ
(СОЗУ), оперативные ЗУ (ОЗУ) и постоянные ЗУ (ПЗУ).
СОЗУ (сверхоперативные ЗУ) имеют быстродействие, соизмеримое
с быстродействием процессора ЭВМ.
Емкость СОЗУ обычно составляет от нескольких десятков до нескольких
миллионов килобайт, а период обращения – единицы наносекунд. Они
предназначаются для хранения чисел, используемых некоторой текущей
последовательностью команд программы. При отключении питания информация
в СОЗУ теряется.

29.

Классификация ЗУ по использованию и назначению
29
ОЗУ (оперативные ЗУ) или основная память предназначены для хранения
данных и программ текущих вычислений, а также программ, к которым следует
быстро перейти, если в ходе вычислительного процесса возникло прерывание.
К оперативным относятся ЗУ, выполняющие операции записи и считывания
информации примерно за одинаковое время.
Емкости современных ОЗУ составляют от нескольких сотен мегабайт до
единиц гигабайт для персональных ЭВМ. При отключении питания информация
в ОЗУ, также, как и в СОЗУ, теряется, т.к. оперативные ЗУ являются
энергозависимыми.
ПЗУ (постоянные ЗУ) предназначены только для хранения и считывания
информации, которая не изменяется в процессе вычислений.
Обычно в ПЗУ информация записывается один раз при изготовлении,
а в процессе работы только считывается, однако существуют отдельные типы
ПЗУ, позволяющие многократную перезапись информации (например, флэшпамять). Для ПЗУ характерно, что длительность записи может превышать время
считывания в несколько раз или на несколько порядков. Постоянные ЗУ являются
энергонезависимыми.

30.

Классификация ЗУ по использованию и назначению
30
ВЗУ (внешние ЗУ) предназначены для хранения больших массивов информации.
Объём данных, которые могут храниться в таких ЗУ, превышает сотни гигабайт, однако
время доступа к ним составляет от нескольких миллисекунд (для накопителей на жестких
магнитных дисках, НЖМД) до нескольких минут (для накопителей на магнитных лентах,
НМЛ).
В качестве внешних ЗУ чаще всего используют накопители информации на гибких
магнитных дисках (НГМД), НЖМД, НМЛ, накопители на оптических
и магнитооптических дисках (МОД).
БЗУ (буферные ЗУ) используются для промежуточного хранения данных
и согласования разницы в быстродействии при обмене между устройствами
с разным быстродействием, например, между ОЗУ и ВЗУ.
По емкости и быстродействию БЗУ занимают промежуточное место между ОЗУ
и ВЗУ.
Буферная память зачастую является резервом для хранения информации от ВЗУ или от
устройств ЭВМ, работающих в режиме ввода-вывода. БЗУ могут быть построены
на полупроводниковых элементах, ферритовых сердечниках и на магнитных дисках.

31.

Классификация ЗУ по способу поиска информации
31
По способу поиска информации
безадресные и ассоциативные.
различают
ЗУ
адресные,
В адресном ЗУ каждая ячейка памяти отыскивается по соответствующему
номеру (коду), который и является адресом. Адресные ЗУ бывают
с произвольным обращением, где допустим любой порядок чередования адресов,
и с последовательным обращением, где выборка ячеек памяти возможна только
в порядке убывания или возрастания адресов.
Безадресный поиск предусматривает доступ к ячейкам памяти в порядке
установленной очереди.
Если поиск ячейки памяти ведется по некоторым признакам (маскам), заданным
в содержании слова, то такое ЗУ считается ассоциативным. При ассоциативном доступе
нужная ячейка памяти выбирается, в первую очередь, по её содержимому, а не по
физическому адресу. ЗУ содержит встроенный механизм сравнения определённых битов
в каждой ячейке с заданным образцом, причём сравнение выполняется по всем ячейкам
одновременно. Такой метод доступа реализуется в основном в кэш-памяти.

32.

Классификация ЗУ по способу хранения информации
32
По способу хранения информации классифицируют как статические
и динамические.
В статических ЗУ элементы памяти представляют собой бистабильные
триггерные элементы, что определяет потенциальный характер управляющих
сигналов и возможность считывания информации без её разрушения.
В динамических ЗУ для хранения информации используются
запоминающие конденсаторы, что требует периодического восстановления
(регенерации) состояния ЭП в процессе хранения информации.
В современных ЗУ регенерация совмещается, как правило, с обращением к
ЭП или группе элементов.

33.

33
По элементной базе, на которой строятся накопители:
на биполярных транзисторах: хранение информации
в электронных элементах с двумя устойчивыми состояниями;
на униполярных транзисторах: хранение
в запоминающих полупроводниковых емкостях;
информации
производится
производится
на основе магниточувствительных материалов: для хранения информации
применяется эффект намагничивания локальной области (домена) магнитного
поверхностного слоя носителя;
на оптических дисках: применяется лазерный луч для чтения или
записи/чтения информации с дисков со специальным покрытием и отражающим
слоем.
Основные характеристики ЗУ
– быстродействие;
– емкость;
– надежность;
– удельная стоимость хранения информации;
– физические характеристики и др.

34.

БЫСТРОДЕЙСТВИЕ
34
Характеризуется обычно тремя параметрами:
Tд – время доступа (Time Access) – интервал времени от начала поступления адреса до
момента, когда данные перемещены в память или стали доступными. При записи время
доступа определяется как
Tд = tпоиска + tстирания старой инф + tзаписи
Это время называют также задержкой или латентностью.
Tц – длительность цикла памяти или период обращения – для памяти с произвольным
доступом это минимальное время между двумя последовательными обращениями к
памяти:
Tц = Tд + Tподготовки к след. обращению
VN – скорость передачи (Transfer Speed) – скорость, с которой данные могут
передаваться в память и из неё. Для памяти с произвольным доступом:
VN = 1/Tц

35.

ЕМКОСТЬ
35
Общепринятой единицей измерения памяти является байт (1 байт = 8 бит).
Емкость внутренних ЗУ измеряется в байтах и/или словах, где одно слово кратно
1 байту.
Емкость внешних ЗУ всегда оценивается в байтах (килобайтах (кбайт),
мегабайтах (Мбайт), гигабайтах (Гбайт), терабайтах (Тбайт), петабайтах (Пбайт),
экзабайтах (Эбайт) и т. д.).
НАДЕЖНОСТЬ
Определяется по критериям интенсивности
отказов и сбоев, вероятности
безотказной работы, наработке на отказ и т. п.; зависит от применяемой
элементной базы, физических принципов организации ЗУ.

36.

36
УДЕЛЬНАЯ СТОИМОСТЬ ХРАНЕНИЯ
ИНФОРМАЦИИ
Определяется стоимостью накопителя (с носителями), отнесенной к единице хранения (байту
или мегабайту). Минимальную стоимость хранения имеют НМЛ, несколько дороже НЖМД, а
самая дорогая – оперативная память.
ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
характеристики, показывающие
отключении электропитания.
возможность
сохранения
информации
при
Классификация ЗУ по физическим характеристикам
По физическим характеристика делятся на энергонезависимые, энергозависимые и
нестираемые.
К энергонезависимым относятся все магнитные, оптические, магнитооптические и
некоторые полупроводниковые ЗУ.
Энергозависимыми являются почти все полупроводниковые ЗУ, требующие для сохранения
информации наличия питания.
Нестираемые ЗУ (постоянные ЗУ) заполняются на стадии изготовления или при включении
их в вычислительную систему, а затем в течение своего жизненного цикла только считываются.

37.

ВЫВОДЫ ПО 3 УЧЕБНОМУ ВОПРОСУ
ИЗУЧЕНА ИЕРАРХИЯ ЗУ
37

38.

Литература
38
1. Теоретическая информатика. Часть 1. Информация и данные в ЭВМ / О.В. Карамыхова,
Г.Г. Кучук, О.Ю. Миронов, О.В. Моисеев. – Орел: Академия ФСО России, 2018. – 225 с.
2. Теоретическая информатика. Часть 2. Программное обеспечение / В.А.Дунаев, О.В.Карамыхова,
О.Ю. Миронов. – Орел: Академия ФСО России, 2019. – 183 с.
3. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети: принципы, технологии, протоколы. – СПб.:
Питер, 2016.– 958с.
4. Таненбаум Э. Компьютерные сети. – СПб.: Питер, 2012. – 992 с.
Дополнительная

39.

Тема 2: «Аппаратное обеспечение ЭВМ»
Лекция 2.1. «Организация ЭВМ и центральных узлов»