Аппаратные средства ЭВМ

1. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ЭВМ

ОП.02 АРХИТЕКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
АППАРАТНЫЕ
СРЕДСТВА ЭВМ
АРХИТЕКТУРЫ АППАРАТНЫХ
СРЕДСТВ

2. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА (HARDWARE)

ОП.02 АРХИТЕКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА (HARDWARE)
Архитектура аппаратных средств (computer
hardware architecture) определяет структуру и
организацию компьютерной системы, включая все
физические компоненты (процессор, память,
устройства ввода/вывода) и способы их
взаимодействия. Это фундамент, на котором
строится вся функциональность компьютера,
определяя его производительность, возможности и
надежность.
Обеспечивают физическую основу для работы
компьютера
Выполняют обработку данных и команд
Обеспечивают хранение информации
Осуществляют ввод и вывод информации

3. Основные аспекты архитектуры аппаратных средств:

ОП.02 АРХИТЕКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
Основные аспекты архитектуры
аппаратных средств:
Структура и
организация:
•Описание того, как компоненты компьютера
соединены и взаимодействуют друг с другом.
Системная шина:
•Каналы, по которым передаются данные между
различными компонентами (процессор, память,
устройства ввода/вывода).
Процессор (CPU):
•Центральный элемент, отвечающий за
выполнение инструкций. Включает в себя АЛУ
(арифметико-логическое устройство), устройство
управления и регистры.
Память:
•Место хранения данных и инструкций.
Различают оперативную память (RAM) и
постоянную память (ROM).
Устройства
ввода/вывода:
•Позволяют компьютеру взаимодействовать с
внешним миром (клавиатура, мышь, монитор,
принтер и т.д.).
Взаимодействие
между
компонентами:
•Определение протоколов и интерфейсов,
обеспечивающих обмен данными между
компонентами.

4. Примеры архитектур аппаратных средств:

ОП.02 АРХИТЕКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
Примеры архитектур аппаратных средств:
Фон-Неймановская
архитектура:
• Наиболее
распространенная
архитектура, в
которой процессор
последовательно
выполняет
инструкции из
памяти.
Современные
многоядерные
процессоры:
Специализированные
аппаратные
архитектуры:
• Обеспечивают
параллельное
выполнение
инструкций, повышая
производительность.
• Например,
графические
процессоры (GPU),
оптимизированные
для обработки
графики и
параллельных
вычислений.

5. АРХИТЕКТУРА ФОН НЕЙМАНА

ОП.02 АРХИТЕКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
АРХИТЕКТУРА ФОН НЕЙМАНА
Архитектура фон Неймана – это модель организации компьютерной системы, предложенная Джоном фон Нейманом в 1940-х годах. Она
описывает принципы построения компьютера, где данные и инструкции хранятся в одной и той же памяти, а процессор последовательно
выбирает и выполняет инструкции. Эта архитектура, несмотря на свою простоту, стала основой для большинства современных
компьютеров, хотя и имеет свои ограничения, такие как узкое место в виде памяти
Основные принципы архитектуры фон Неймана:
Единая память:
• Программы и данные хранятся в одном общем адресном пространстве памяти.
Последовательное выполнение:
• Процессор выполняет инструкции по одной, в определенном порядке, обращаясь к памяти
для получения инструкций и данных.
Адресуемая память:
• Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес, что позволяет процессору обращаться
к нужным данным и инструкциям.
Управляющее устройство:
Арифметико-логическое устройство
(ALU):
• Процессор содержит управляющее устройство, которое извлекает и интерпретирует
инструкции, координируя работу других частей компьютера.
• Этот модуль выполняет арифметические и логические операции над данными.

6. АРХИТЕКТУРА ФОН НЕЙМАНА

ОП.02 АРХИТЕКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
АРХИТЕКТУРА ФОН НЕЙМАНА
Компьютер должен включать 5 базовых элементов
1.
2.
3.
4.
5.
арифметико-логическое устройство (АЛУ);
устройство управления (УУ);
запоминающее устройство (ЗУ);
устройство ввода (УВв);
устройство вывода (УВыв).
процессор (в котором совмещаются функции арифметикологическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ),
кэш-памяти и регистровой памяти)
Узкое место (Bottleneck):
Семантический разрыв:
•Пропускная способность шины, соединяющей процессор и память,
может стать узким местом, особенно при работе с большими
объемами данных.
•Существует разрыв между языками высокого уровня и машинным
кодом, что может усложнять разработку и отладку программ.

7. ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР (ЦПУ)

ОП.02 АРХИТЕКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР (ЦПУ)
Арифметикологическое
устройство
(АЛУ)
• выполняет
арифметические и
логические
операции
Устройство
управления
(УУ)
Регистры
Кэш-память
• координирует
работу всех узлов
процессора
• сверхбыстрая
память для
временного
хранения данных
высокоскоростная
память для часто
используемых
данных
Функции ЦПУ:
• Выборка инструкций из памяти
• Декодирование инструкций
• Выполнение инструкций
• Запись результатов обратно в память

8. Центральный процессор ЦПУ

ОП.02 АРХИТЕКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
Центральный процессор ЦПУ
Компьютерная память организована в иерархию, где более быстрая память имеет меньший объем и
располагается ближе к процессору.
Регистры:
Кэш-память:
•сверхбыстрая память
внутри процессора
•L1, L2, L3 - быстрая
память для часто
используемых данных
Оперативная
память (RAM):
Постоянная память
(ROM):
•временное хранение
выполняемых
программ
•энергонезависимая
память с инструкциями
запуска
Внешняя память:
•HDD, SSD, флешнакопители, оптические
диски

9.

ОП.02 АРХИТЕКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
Системная шина компьютера
Системная шина компьютера, или просто шина, это набор проводников (линий) на материнской плате, который
обеспечивает связь между различными компонентами компьютера, такими как процессор, оперативная память, видеокарта
и другие устройства. Она позволяет передавать данные, адреса и управляющие сигналы между этими компонентами,
обеспечивая их совместную работу.
Шина данных:
Шина адреса:
Шина управления:
• передает данные между
компонентами системы.
Ширина шины (8, 16, 32, 64
бита) определяет количество
данных, передаваемых за
один такт.
• передает адреса ячеек
памяти или портов
ввода/вывода, к которым
обращается процессор.
Определяет максимальный
объем адресуемой памяти.
• передает управляющие
сигналы между
компонентами (чтение,
запись, прерывания и т.д.).
компьютеры используют различные интерфейсы шин для
Интерфейсы шин • Современные
соединения компонентов: PCI Express, SATA, USB, Thunderbolt и др.

10.

ОП.02 АРХИТЕКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
Процессор
выполняет
указанную
операцию, используя
арифметикологическое
устройство (ALU) и
другие необходимые
компоненты.
Запись результата (Store):
Процессор
анализирует
полученную
инструкцию, чтобы
определить, какую
операцию нужно
выполнить и какие
операнды (данные)
для этого
использовать.
Выполнение (Execute):
Процессор извлекает
следующую
инструкцию из
оперативной памяти.
Адрес, откуда нужно
извлечь инструкцию,
хранится в
специальном
регистре,
называемом
счетчиком команд
(Program Counter).
Декодирование (Instruction
Decode):
Выборка (Instruction Fetch):
Цикл выполнения инструкции
Результат
выполнения
операции
записывается в
соответствующее
место в памяти или в
регистр.
После выполнения инструкции, счетчик команд обычно увеличивается на размер инструкции, чтобы указать на следующую
инструкцию в программе.
В случае условных переходов, условие проверяется в процессе выполнения, и счетчик команд может быть изменен на
другой адрес, чтобы перейти к другой части программы.
Цикл выполнения инструкции является фундаментальным процессом, на котором основана работа любого компьютера.
Скорость выполнения цикла инструкций зависит от тактовой частоты процессора.

11.

ОП.02 АРХИТЕКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
Выводы и ключевые аспекта
Аппаратные средства ЭВМ представляют собой физическую основу компьютерных систем,
обеспечивающую выполнение вычислительных операций и обработку информации.
Архитектура фон Неймана остается фундаментальной основой
современных компьютеров, несмотря на значительные технологические
усовершенствования
Центральный процессор, память и устройства ввода/вывода образуют
базовую структуру компьютерной системы
Взаимодействие компонентов через шины данных, адреса и управления
обеспечивает целостное функционирование системы.
Иерархия памяти оптимизирует баланс между скоростью доступа и
объемом хранимых данных.