Архітектура ЕОМ.

Незважаючи на різницю в продуктивності, технології виготовлення, розмір і зовнішній вигляд всі ЕОМ мають однакову структурую (мал.3) і загальні принципи роботи.

Будь-яка ЕОМ складається з процесора, запам’ятовуючого пристрою (пам’яті), пристроїв введення і виведення.

Процесор (мікропроцесор) – це програмно-керований електронний цифровий пристій, призначений для обробки інформації, що подається в числових кодах, і який функціонує на базі мікросхеми. Слова „ програмно-керований ” означають, що процесор працює, виконуючи деяку програму, яка окремо зберігається в оперативній пам’яті. Процесор – головна складова комп’ютера.

Процесор виконує наступні функції:

¯ керує та координує роботу всіх інших пристроїв ЕОМ;

¯ здійснює зчитування команд і кодів даних для опрацювання із пам’яті;

¯ здійснює декодування команд;

¯ виконує арифметико-логічні та інші операції, які вказуються в командах;

¯ керує передачею даних між процесором та оперативною пам’яттю, а також опрацьовує сигнали, які поступають від зовнішніх пристроїв.

Складовими частинами процесора є регістри, пристрій керування та арифметико-логічний пристрій.

Пристрої зберігання інформації або пам’ять призначені для зберігання вхідної, проміжної і вихідної інформації.

Пам’ять ЕОМ поділяють на внутрішню та зовнішню.

Внутрішня пам’ять складається з оперативно-запам’ятовуючого пристрою (ОЗП) та постійно-запам’ятовуючого пристрою (ПЗП).

Оперативно-запам’ятовуючий пристрій (ОЗП) це масив кристалічних комірок, які здатні зберігати програми, що виконуються і інформацію, що обробляється. Існує багато різних типів оперативної пам’яті, але з точки зору фізичного принципу дії розрізняють динамічну пам’ять (DRAM) і статичну пам’ять (SRAM).

Комірки динамічної пам’яті можна представити у вигляді мікроконденсаторів, здатних накопичувати електричний заряд на своїх обкладках. Важливим недоліком цього типу пам’яті пов’язаний з тим, що заряд комірок має властивість розсіюватися в просторі, причому дуже швидко. Якщо для динамічної пам’яті постійно не здійснювати „підзарядку”, то втрата даних відбувається через декілька сотень часток секунди. Для боротьби з цим явищем в комп’ютері відбувається регенерація (підзарядка) комірок динамічної пам’яті. Регенерація здійснюється декілька десятків разів в секунду і викликає непродуктивну витрату ресурсів обчислювальної системи.

Комірки статичної пам’яті можна представити як електронні мікроелементи – тригери, які складаються з декількох транзисторів. В тригері зберігається не заряд, а стан (включений/виключений), тому цей тип пам’яті забезпечує більш високу швидкодію, хоча технологічно він складніший і, відповідно, дорожчий.

Мікросхеми динамічної пам’яті використовують в якості основної оперативної пам’яті ЕОМ, а мікросхеми статичної пам’яті використовують – в якості допоміжної (так званої кеш-пам’яті), призначеної для оптимізації роботи процесора.

Основна оперативна пам’ять в комп’ютері розташовується на стандартних панелях, які називаються модулями. Модулі оперативної пам’яті вставляються в відповідні розняття материнської плати.

Конструктивно модулі основної оперативної пам’яті мають два виконання – однорядні (SIMM-модулі) і двохрядні (DIMM-модулі). На комп’ютерах однорядні модулі можна використовувати тільки парами, а DIMM-модулі можна встановлювати по одному.

Більшість материнських плат мають розняття як того, так і іншого типу, але комбінувати на одній платі модулі різних типів не можна.

Обмін даними всередині процесора відбувається в декілька разів швидше, ніж обмін з іншими пристроями. Наприклад з оперативною пам’яттю. Для того, щоб зменшити кількість звернень до оперативної пам’яті, всередині процесора створюють буферну область – так звану кеш-пам’ять. Коли процесору потрібні дані, він спочатку звертається до кеш-пам’яті, тільки якщо там потрібних даних немає, відбувається його звернення до основної оперативної пам’яті. Приймаючи блок даних з оперативної пам’яті, процесор заносить його одночасно і в кеш-пам’ять. „Вдалі” звернення до кеш-пам’яті називають попаданням в кеш. Процент попадання тим вищий, чим більший розмір кеш-пам’яті, тому високопродуктивні процесори комплектують підвищеним об’ємом кеш-пам’яті.

Нерідко кеш-пам’ять розподіляють по декількох рівнях. Кеш першого рівня виконується в тому ж кристалі, що і сам процесор, і має об’єм порядку десятків Кбайт. Кеш другого рівня знаходиться або в кристалі процесора, або в тому ж вузлі, що і процесор, хоча і виконується на окремому кристалі. Кеш-пам’ять першого і другого рівнів працюють на частоті, погодженої з частотою процесора.

Кеш-пам’ять третього рівня виконують на швидкодіючих мікросхемах типу SRAM і розташовують на материнській платі поряд з процесором. Її об’єми можуть досягати декілька Мбайт, але працює вона на частоті материнської плати.

Після вимикання ЕОМ інформація, яка знаходилась в оперативній пам’яті безслідно зникає.

Мікросхема постійно-запам’ятовуючого пристрою (ПЗП), система BIOS та енергонезалежна пам’ять СMOS. В момент вмикання комп’ютера в його оперативній пам’яті немає нічого – ні даних, ні програм, оскільки ОЗП не може зберігати інформації без підзарядки комірок більше сотих часток секунди, але процесору потрібні команди, в тому числі і в початковий момент після вмикання.

Тому зразу після вмикання на адресній шині процесора виставляється стартова адреса. Це відбувається апаратно, без участі програм. Процесор звертається по встановленій адресі за своєю першою командою і далі розпочинає працювати по програмам.

Ця початкова адреса указує на постійно-запам’ятовуючий пристрій (ПЗП). Мікросхема ПЗП здатна тривалий час зберігати інформацію, навіть коли комп’ютер вимкнуто. Програми, які знаходяться в ПЗП, називаються „ зашитими ” – їх записують дути на етапі виготовлення мікросхеми.

Комплект програм, який знаходиться в ПЗП, утворює базову систему введення-виведення (BIOS – Basic Input Output System). Основне призначення цього пакету полягає у тому, щоб перевірити склад і працездатність комп’ютерної системи і забезпечити взаємодію з клавіатурою, монітором, вінчестером, дисководом і іншими пристроями, які входять до складу ЕОМ. Програми, які входять до BIOS, дозволяють нам спостерігати на екрані діагностичні повідомлення, що супроводжують запуск комп’ютера, а також втручатися в хід запуску з допомогою клавіатури.

Виробники BIOS абсолютно нічого не знають про параметри наших вінчестерів, дисководів, їм не відомі ні склад, ні властивості довільної обчислювальної системи. Для того, щоб почати роботу з обладнанням, програми, що входять до складу BIOS, повинні знати, де можна знайти необхідні параметри.

Спеціально для цього на материнській платі є мікросхема „ енергонезалежної пам’яті ”, по технології виготовлення називається С MOS. Від оперативної пам’яті вона відрізняється тим, що її вміст не стирається під час вимикання комп’ютера, від ПЗП вона відрізняється тим, що дані в неї можна заносити і змінювати самостійно, у відповідності з тим, яке обладнання входить до складу комп’ютера. Ця мікросхема постійно підживлюється від невеликої батарейки, яка розташована на материнській платі. Заряду цієї батарейки вистачає, навіть якщо ЕОМ буди відключена декілька років.

В СMOS зберігаються дані про гнучкі, жорсткі та CD-диски, про процесор, про деякі інші пристрої материнської плати. Той факт, що комп’ютер чітко відслідковує час та дату (навіть і в відключеному стані), теж пов’язаний з тим, що показники системного годинника постійно зберігаються (і змінюються) в СMOS.

Таким чином, програми, які записані в BIOS, зчитують дані про склад обладнання комп’ютера з мікросхеми СMOS, після чого вони можуть виконувати звернення до жорсткого диску, а у випадку необхідності і до гнучкого та СD-диску, і передавати керування тим програмам, які там записані.

Зовнішня пам’ять призначена для тривалого зберігання програм і даних. Така інформація в зовнішній пам’яті зберігається при виключенні ЕОМ. Обсяг зовнішньої пам’яті значно більше обсягу внутрішньої пам’яті, але вона суттєво поступається внутрішній пам’яті щодо швидкості запису та зчитування інформації.

Зовнішня пам’ять фізично реалізується у вигляді накопичувачів на магнітних (НГМД, НЖМД) та оптичних дисках (CD-диски).

НЖМД („ вінчестер ”, жорсткий диск) – основний пристрій для тривалого зберігання великих обсягів інформації. На справді це не один диск, а група дисків, які мають магнітне покриття і обертаються з великою швидкістю. Таким чином, цей диск має не дві поверхні, як повинно бути у звичайного плоского диска, а 2n поверхонь, де n – число окремих дисків в групі.

Над кожною поверхнею розташовується головка, яка призначена для читання-запису даних. При великих швидкостях обертання дисків в зазорі між головкою і поверхнею утворюється аеродинамічна подушка, і головка знаходиться над магнітною поверхнею на висоті, яка складає тисячні частки міліметра. При зміні сили струму, який протікає через головку, відбувається зміна напруженості магнітного поля в зазорі, що викликає зміни в стаціонарному магнітному полі феромагнітних частинок, які утворюють покриття диска. Так здійснюється запис даних на магнітних дисках.

Операція зчитування відбувається в оберненому порядку. Намагнічені частинки покриття, які проносяться на великій швидкості поблизу головки, наводять в ній ЕРС (електрорушійну силу) самоіндукції. Електромагнітні сигнали, які виникають при цьому, підсилюються і передаються на обробку.

Керування роботою жорсткого диска виконує спеціальний апаратно-логічний пристрій – контролер жорсткого диска.

Для оперативного перенесення невеликого об’єму інформації використовуються НГМД (дискети), які вставляються в спеціальні накопичувачі - дисководи. Дискета – це гнучкий магнітний диск, поміщений до захисного корпусу. Принцип зчитування-запису інформації на дискети подібна як і у жорсткого диска. Але швидкість обертання гнучкого диска набагато менша від швидкості обертання жорсткого диска. Тому робота комп’ютера з дискетою відбувається значно повільніше, ніж з жорстким диском.

Більшість сучасних комп’ютерів обладнують дисководом CD-ROM для зчитування інформації з компакт-дисків. Принцип дії цього пристрою полягає в зчитуванні числових даних за допомогою лазерного променя, який віддзеркалюється від поверхні диска. Цифровий запис на компакт-дискові відрізняється від запису на магнітних дисках дуже високою густиною, і стандартний компакт-диск може зберігати близько 700 Мбайт даних.

Основним недоліком стандартних CD-ROM є неможливість запису даних, але паралельно з ними існують пристрої багаторазового запису CD-RW.

Дата добавления: 2015-12-08