«Организация ЭВМ и вычислительных систем» 1. Функциональная и структурная организация ЭВМ. Функциональная организация ЭВМ определяет основные блоки и функции, которые выполняются внутри машины. Она включает в себя следующие компоненты: 1. Центральный процессор (ЦП): ЦП является "мозгом" компьютера и отвечает за выполнение арифметических, логических и управляющих операций. Он состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), регистров и устройства управления. 2. Оперативная память (ОЗУ): ОЗУ служит для хранения данных и инструкций, с которыми работает ЦП. Она обеспечивает быстрый доступ к данным и временное хранение информации во время выполнения программ. 3. Ввод-вывод (ВВ): Система ввода-вывода отвечает за передачу данных между компьютером и внешними устройствами, такими как клавиатура, монитор, принтер и диски. Она включает интерфейсы и контроллеры, необходимые для связи с различными устройствами. Структурная организация ЭВМ относится к способу физического расположения и взаимодействия компонентов внутри компьютера. Она включает в себя следующие аспекты: 1. Материнская плата: Материнская плата представляет собой главную плату, на которой располагаются основные компоненты компьютера, такие как ЦП, ОЗУ, слоты расширения и интерфейсы. 2. Жесткий диск и другие устройства хранения данных: Жесткий диск (или SSD) используется для долгосрочного хранения данных, таких как операционная система, программы и файлы. Он может быть подключен к материнской плате через интерфейс, такой как SATA или NVMe. 3. Разъемы и порты: Компьютер обычно имеет различные разъемы и порты для подключения внешних устройств, таких как USB-порты, аудио-разъемы, порты Ethernet и др. 2. Система шин ЭВМ. Материнская плата. Система шин в ЭВМ представляет собой набор коммуникационных каналов или проводников, которые связывают различные компоненты компьютера и позволяют им обмениваться данными и сигналами. Система шин состоит из нескольких типов шин, каждая из которых выполняет определенные функции. Вот некоторые из основных типов шин в ЭВМ: 1. Шина данных (Data Bus): Шина данных используется для передачи информации между различными компонентами ЭВМ, такими как процессор, оперативная память и устройства ввода-вывода. Она передает данные в двух направлениях - от и к компонентам системы. 2. Шина адреса (Address Bus): Шина адреса используется для указания адреса памяти или порта ввода-вывода, с которыми должен работать процессор или другие компоненты. Она передает информацию о местоположении данных в памяти или портах ввода-вывода. 3. Шина управления (Control Bus): Шина управления используется для передачи сигналов управления между компонентами системы. Она включает такие сигналы, как сигналы чтения/записи, сигналы прерывания, тактовый сигнал и другие сигналы управления операциями. 4. Шина расширения (Expansion Bus): Шина расширения предназначена для подключения дополнительных устройств и расширения возможностей компьютера. Она может быть использована для подключения карт расширения, таких как видеокарты, сетевых карт, звуковых карт и других периферийных устройств. Материнская плата, также известная как системная плата или основная плата, является основным компонентом ЭВМ, на котором располагаются и взаимодействуют остальные компоненты. Материнская плата обеспечивает физическую и электрическую связь между ЦП, ОЗУ, устройствами хранения данных, разъемами расширения и другими компонентами. 3. Устройство управления ЭВМ. Общие сведения. Устройство управления ЭВМ, также известное как контроллер или управляющее устройство, играет ключевую роль в функционировании компьютера. Оно отвечает за координацию работы различных компонентов системы, выполнение инструкций программы и управление потоком данных. Общие сведения об устройстве управления ЭВМ включают: 1. Инструкции и декодирование: Устройство управления интерпретирует инструкции, содержащиеся в программе, и определяет необходимые операции, которые должны быть выполнены. Декодирование инструкций происходит путем анализа их битовой структуры и определения соответствующих действий. 2. Управление выполнением программы: Устройство управления определяет очередность выполнения инструкций и координирует поток данных между различными компонентами. Оно обеспечивает правильный порядок выполнения инструкций и контролирует переходы между различными частями программы. 3. Часы и синхронизация: Устройство управления генерирует тактовые сигналы или импульсы, которые синхронизируют работу различных компонентов системы. Они определяют, когда должны выполняться операции и обеспечивают согласованность работы всех частей компьютера. 4. Управление памятью: Устройство управления управляет доступом к оперативной памяти (ОЗУ) и определяет, какие данные должны быть считаны или записаны. Оно контролирует процессы чтения и записи, а также управляет кэш-памятью, которая используется для ускорения доступа к данным. 5. Управление вводом-выводом: Устройство управления обрабатывает операции вводавывода и координирует обмен данными между компьютером и внешними устройствами. Оно контролирует передачу данных через интерфейсы ввода-вывода и обрабатывает прерывания, связанные с внешними устройствами. Устройство управления ЭВМ обычно представляет собой микросхему или группу микросхем, которые работают вместе для обеспечения эффективного управления и выполнения инструкций программы. 4. Принципы организации системы прерывания программ. Система прерывания программ (Interrupt System) является важной частью организации и управления работой компьютера. Она позволяет компьютеру реагировать на события или запросы от внешних устройств или программ, прерывая текущее выполнение и обрабатывая прерывание. Принципы организации системы прерывания программ включают: 1. Источники прерываний: Компьютер может иметь различные источники прерываний, такие как устройства ввода-вывода, таймеры, сетевые адаптеры и другие. Каждый источник имеет свой уникальный номер или идентификатор, который позволяет идентифицировать источник прерывания. 2. Прерывание как сигнал: Когда источник прерывания генерирует прерывание, он отправляет сигнал или событие в систему прерывания. Этот сигнал указывает на то, что требуется внимание или обработка со стороны компьютера. 3. Уровни прерываний: Прерывания могут быть организованы по уровням приоритета. Каждое прерывание имеет свой уровень, и более высокий уровень прерывания имеет более высокий приоритет. Это позволяет обрабатывать прерывания в порядке их важности. 4. Обработчик прерывания: Когда происходит прерывание, компьютер переключается на обработку прерывания. Обработчик прерывания (Interrupt Handler) - это программа или подпрограмма, которая выполняется для обработки прерывания. Она определяет, какой источник прерывания вызвал прерывание и выполняет соответствующие действия. 5. Сохранение состояния: Перед началом обработки прерывания компьютер сохраняет текущее состояние, включая содержимое регистров и указатель команд. Это позволяет вернуться к выполнению прерванной программы после завершения обработки прерывания. 6. Возврат из прерывания: По завершении обработки прерывания компьютер восстанавливает сохраненное состояние и возобновляет выполнение программы, которая была прервана. Это позволяет системе продолжить работу с того места, где она остановилась. Система прерывания программ обеспечивает эффективную и гибкую обработку внешних событий и запросов. 5. Стековая память. Кэш-память Внешняя память Стековая память, кэш-память и внешняя память - это различные типы памяти, используемые в компьютерных системах. 1. Стековая память (Stack Memory): Стековая память является специальным типом памяти, используемым для хранения локальных переменных, временных данных и адресов возврата во время выполнения программы. Она организуется по принципу стека последний вошел, первый вышел (LIFO - Last-In-First-Out). Стековая память обычно мало емка и быстро доступна, но ее размер может изменяться в зависимости от потребностей программы. 2. Кэш-память (Cache Memory): Кэш-память является очень быстрой и небольшой по размеру памятью, которая используется для временного хранения часто используемых данных или инструкций. Ее цель - сократить задержку при доступе к данным, которая может возникать при обращении к более медленной основной памяти (например, оперативной памяти). Кэш-память разделена на уровни (L1, L2, L3), где L1 является самым близким и быстрым к процессору, а L3 - наиболее удаленным и большим по объему. Кэш-память обычно содержит копии данных из основной памяти и использует алгоритмы кэширования для определения, какие данные следует хранить в кэше. 3. Внешняя память (External Memory): Внешняя память включает в себя долгосрочное хранилище данных компьютера, такое как жесткие диски, SSD-накопители, оптические диски и т.д. Она предоставляет большую емкость хранения по сравнению с оперативной памятью и кэш-памятью, но имеет более долгое время доступа и меньшую скорость передачи данных. Внешняя память обычно используется для хранения операционной системы, программ, файлов и других данных, которые не требуют быстрого доступа, но должны быть сохранены после выключения компьютера.