Лекция 3 Аппаратное обеспечение ПК. Архитектура ЭВМ. Аппаратными средствами (Hard ware) называют совокупность всех устройств, которые составляют компьютер или могут к нему добавляться по мере необходимости. Электронно-вычислительная машина (ЭВМ), или компьютер, – это электронное устройство, используемое для автоматизации процессов приема, хранения, обработки и передачи информации, которые осуществляются по заранее разработанным человеком программам. В состав любого современного компьютера входят: – память – группа устройств, которые обеспечивают хранение данных и программ; – процессор – одно или несколько устройств, которые обеспечивают задаваемую программой обработку данных; – устройства ввода-вывода – группа устройств, которые обеспечивают обмен, то есть прием и передачу данных между пользователем и машиной или между двумя или более машинами. Различные устройства компьютера подсоединяются друг к другу с помощью стандартизированных и унифицированных (то есть единообразных) аппаратных средств – кабелей, разъемов и т. д. При этом устройства обмениваются друг с другом информацией и управляющими сигналами, которые также приводятся к некоторым стандартным формам. Совокупность этих стандартных средств и форм образует конкретный интерфейс (interface – взаимный вид) того или иного устройства или компьютера в целом. Интерфейс – совокупность унифицированных стандартных соглашений, аппаратных и программных средств, методов и правил взаимодействия устройств или программ Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность сведений об основных устройствах компьютера и их назначении, о способах представления программ и данных в машине, об особенностях ее организации и функционирования. В ЭВМ — есть арифметико-логическое устройство, устройство, которое складывает, вычитает, делает логические операции; память; устройство ввода/вывода, которое связывается со внешними устройствами; устройство управления, регистры, таймеры и многое другое Как выглядит команда машины на уровне ассемблера — это самый нижний уровень, который может написать программист? Всего три команды, которые реализуют формулу C = A + B. То есть первая команда — это команда load, загрузить из памяти в регистр значение A. Вторая команда add — прибавить в содержимое регистра содержимое ячейки B. И наконец, третья команда store — из регистра записать в память. И сегодня существует два типа архитектур ЭВМ: гарвардская архитектура и архитектура фон Неймана. Гарвардская названа по имени первого компьютера Марк I, который создавал Говард Эйкен за деньги фирмы IBM. Так вот, в машине Марк I данные хранились в памяти, а команды были представлены на перфолентах — полоски бумаги с дырочками. И поэтому это были два разных устройства. Одно устройство занималось тем, что читало перфоленту и исполняло команды, а собственно данные обрабатывались в другом устройстве. Но эта схема сохранилась до сих пор. Конечно, уже программы хранятся не на перфолентах, но в отдельной памяти, не в той же памяти, что и данные. И это дает определенные преимущества, потому что вы можете гарантировать, что никакой программист по ошибке не залезет в чужую память или не испортит чужую команду, в том числе и свою, потому что это просто принципиально разные устройства. Поэтому все военные машины до сих пор делаются по гарвардской архитектуре, то есть команды отделены от данных. Принципы фон Неймана (Архитектура фон Неймана) В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня. По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое. Принципы фон Неймана 1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто. 2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием. 3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными. 4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании. 5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода. Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой. Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск. Как работает машина фон Неймана Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) - ЗУ, арифметико-логического устройства - АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода. Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметикологическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы. Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ). Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными. Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку. УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии. Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера. В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. Цифровая логика Современные ЭВМ работают на базе цифровой логики. логику придумал Джон Буль. Логику придумал Джон Буль. Цифровая логика представлена основными операциями: И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ. Важно, что есть электронные схемы, которые умеют отрабатывать вот эти вот основные логические операции. Следующий элемент — это триггер. Триггер — элементарная ячейка оперативной памяти, простейшее устройство, выполняющее логическую функцию с обратной связью. Это ячейка памяти на один разряд, схема с двумя устойчивыми состояниями: 1 и 0. И нужно подать довольно мощный сигнал, чтобы триггер из 1 перешел в 0 или из 0 в 1. Регистр — это несколько триггеров, просто рассматриваем, как единое целое: 16, 32. Вот устройство, которое состоит из 16 триггеров, рассматривается, как единое целое — это регистр. И последнее — это счетчик, специальный регистр, который умеет выполнять только одну операцию: +1. Аппаратная платформа. Платформа IBM Понятие «аппаратная платформа» связано с решением фирмы IBM о выработке и утверждении единого стандарта на основные комплектующие персонального компьютера. До этого времени фирмы-производители ПК стремились создать собственные, уникальные устройства, чтобы стать монополистом по сборке и обслуживанию собственных персональных компьютеров. Однако в итоге рынок был перенасыщен несовместимыми друг с другом ПК, для каждого из которых нужно было создавать собственное программное обеспечение. В этот период устройство Однако при этом фирма IBM быстро лишилась приоритета на рынке средств вычислительной техники, так как конкуренты производили клоны дешевле оригинального IBM PC. Но стандарт прижился как платформа IBM PCсовместимых ПК. В связи с тем, что в настоящее время фирма IBM - создатель первого в мире массового персонального компьютера - утратила свой приоритет в выпуске ПК, на Западе все реже употребляют термин «IBM-совместимые компьютеры», а используют понятие «платформа Wintel», подразумевая под этим сочетание микропроцессора фирмы Intel с операционной системой Windows. Микропроцессор при этом рассматривается как основа аппаратной платформы, которая определяет архитектуру персонального компьютера, т. е. его тип и характеристики. Однако термин Wintel не совсем точно определяет понятие платформы, так как открытая архитектура современных IBM-совместимых персональных компьютеров позволяет собирать их из комплектующих, изготавливаемых различными фирмамипроизводителями, включая и микропроцессоры, которые в настоящее время выпускаются не только фирмой Intel, но и Advanced Micro Devices (AMD), Cyrix Corp. и др. Кроме того, IBM-совместимые ПК могут работать не только под управлением операционной системы Windows, но и под управлением других операционных систем. Кроме платформы IBM-совместимых ПК в настоящее время достаточно широкое распространение получила платформа Apple, представленная довольно популярными на Западе компьютерами Macintosh. Специалисты по компьютерной истории отдают приоритет в создании ПК именно компании Apple. С середины 70-х г. эта фирма представила несколько десятков моделей ПК - начиная с Apple I и заканчивая современным iMac, - и уверенно противостояла мощной корпорации IBM. В середине 80-х гг. компьютеры серии Macintosh стали самыми популярными ПК в мире. В отличие от IBM, компания Apple всегда делала ставку на закрытую архитектуру - комплектующие и программы для этих компьютеров выпускались лишь небольшим числом «авторизированных» производителей. За счет этого компьютеры Macintosh всегда стоили несколько дороже своих IBMсовместимых ПК, что компенсировалось их высокой надежностью и удобством. Именно на компьютерах Apple впервые появились многие новинки, со временем ставшие неотъемлемой частью персонального компьютера: графический интерфейс и мышь, звуковая подсистема и компьютерное видео и т. д. Кроме того, и интерфейс самой Windows был частично скопирован с одной из ранних операционных систем Apple, созданной для компьютера Lisa. Работа с графикой и сегодня остается основной областью функционирования персональных компьютеров Apple. Поэтому ПК Macintosh по-прежнему незаменимы в таких областях, как издательское дело, подготовка и дизайн полноцветных иллюстраций, аудио- и видеообработка. В этом качестве компьютеры Apple используются сейчас в России (в США новые модели Apple используются и в качестве домашних ПК). Сегодня на рынке средств вычислительной техники представлено несколько основных платформ персональных компьютеров, каждая из которых отличается как по назначению, так и по типу аппаратного и программного обеспечения. Как правило, различные платформы компьютеров несовместимы между собой. Проблема совместимости компьютерных платформ возникла практически одновременно с появлением самих персональных компьютеров. По тем или иным причинам каждый производитель делал свою продукцию оригинальной настолько, что более никто не мог обменяться с ней информацией. В какойто степени эта конкурентная борьба продолжается и в настоящее время, однако понимание того, что в погоне за клиентом основополагающим фактором должна стать универсальность, пришло к производителям компьютерных систем уже очень давно. Архитектура IBM Фирма IBM спроектировала архитектуру персонального компьютера, которая стала по факту мировым стандартом. Её отличие заключается в полностью открытой структуре. То есть персональный компьютер согласно этому стандарту перестал являться законченным изделием от бренда. Фирма IBM не считается монополистом на компьютерном рынке, но это один из пионеров в плане выработки общепризнанной архитектуры. Пользователи или фирмы, которые собирают персональные компьютеры на базе IBM, имеют возможность самим определить набор элементов, включаемых в состав компьютера. Кроме того, есть возможность замены комплектации компьютера на более продвинутую. Очень быстрый прогресс технологий в компьютерной сфере дал возможность реализовать открытую архитектуру персональных компьютеров. Структура программного обеспечения для компьютеров на базе архитектуры IBM Главным критерием, по которому персональный компьютер можно отнести к платформе IBM, является возможность работы с различными операционными системами. И это тоже является следствием открытости данного архитектурного вида. Компьютеры, выполненные на платформе IBM, могут оснащаться операционными системами Windows, Linux в самых разных исполнениях, и, кроме этого, другими операционными системами, совместимыми с аппаратным обеспечением персональных компьютеров с данной архитектурой. Помимо программного обеспечения от известных брендов, на платформу IBM возможно ставить разные другие программы малоизвестных авторов, разработка и установка которых, как правило, не требует согласовывать их с компаниями, производящими аппаратные компоненты. В состав программных элементов, имеющихся во всех компьютерах на основе IBM, входит базовая система ввода-вывода, которая называется BIOS. Её назначение заключается в обеспечении выполнения главных аппаратных операций персонального компьютера независимо от типа установленной на компьютере операционной системы. Это тоже является признаком открытой архитектуры, разработчики BIOS весьма толерантно относятся к проектировщикам операционных систем и других программных продуктов. Да и сам факт выпуска BIOS под разными брендами тоже является признаком открытости.
