1946. gadā Džons fon Neimans (ar līdzautoriem) aprakstīja kāda abstrakta datora arhitektūru, ko tagad parasti sauc fon Neimaņa mašīna. Šī mašīna ir abstrakts modelis Dators tomēr ir abstrakcija, kas atšķiras no abstraktiem algoritmu izpildītājiem (piemēram, Tjūringa mašīna). Ja Tjūringa mašīnu principā nevar realizēt tās arhitektūrā iekļautās bezgalīgās lentes dēļ, tad fon Neimaņa mašīnu nevar realizēt, jo šīs mašīnas arhitektūrā ir daudz detaļu. nav norādīts. Tas tika darīts īpaši, lai netraucētu jauno datoru izstrādes inženieru radošai pieejai uzņēmējdarbībai.

Savā ziņā fon Neimaņa mašīna ir līdzīga abstraktas datu struktūras, kuru studējāt iepriekšējā semestrī. Šādām datu struktūrām, kā jūs atceraties, lai tās izmantotu, bija nepieciešams kartēt uz krātuves datu struktūras un veikt atbilstošās darbības ar šiem datiem.

Var teikt, ka fon Neimaņa mašīna fiksē tās arhitektūras iezīmes, kurām vienā vai otrā pakāpē, pēc šīs abstraktās mašīnas autoru domām, vajadzētu būt raksturīgām visiem datoriem. Protams, gandrīz visi mūsdienu datori pēc savas arhitektūras atšķiras no fon Neimaņa mašīnas, taču ir ērti šīs atšķirības izpētīt precīzi kā atšķirības, veicot salīdzinājumus un salīdzinājumus ar fon Neimaņa mašīnu. Pārbaudot šo mašīnu, uzmanība tiks pievērsta atšķirībām starp fon Neimaņa mašīnas arhitektūru un mūsdienu datoriem. Fon Neimaņa mašīnas arhitektūras pamatīpašības tiks formulētas kā fon Neimaņa principiem. Šie principi ilgus gadus noteica vairāku paaudžu datoru arhitektūras galvenās iezīmes.

Attēlā 2.1. attēlā parādīta fon Neimaņa mašīnas diagramma, kā tā ir attēlota lielākajā daļā datoru arhitektūras mācību grāmatu. Šajā attēlā norāda biezas bultiņas komandu un datu straumes, un plāns – pārsūtīšana starp ierīcēm vadības signāli. Fon Neimana mašīna sastāv no atmiņas, ievades/izvades ierīcēm un centrālais procesors(CPU). Centrālais procesors savukārt sastāv no vadības ierīces(UU) un aritmētiskā loģiskā vienība(ALU). Apskatīsim secīgi fon Neimaņa iekārtas ierīces un to veiktās funkcijas.

Atmiņa

Atmiņas linearitātes un viendabīguma princips.

Atmiņa– lineāra (sakārtota) viendabīga dažu elementu secība, ko sauc šūnas. Jebkurā atmiņas šūnā citas iekārtas ierīces (gar biezajām bultiņām) var rakstīt un lasīt informāciju, un lasīšanas laiks no jebkuras šūnas ir vienāds visām šūnām. Arī rakstīšanas laiks jebkurai šūnai ir vienāds (tas ir princips viendabīgums atmiņa). Šādu atmiņu mūsdienu datoros sauc brīvpiekļuves atmiņa(Brīvpiekļuves atmiņa, RAM). Praksē daudziem datoriem var būt atmiņas sadaļas dažādi veidi, no kuriem daži atbalsta tikai informācijas lasīšanu (Read Only Memory, ROM), citi var atļaut rakstīt, bet ilgāku laiku nekā pārējā atmiņā (tā ir t.s. daļēji pastāvīgs atmiņa) utt.

Atmiņas šūnas fon Neimaņa mašīnā ir numurētas no nulles līdz dažiem pozitīvs skaitlis N, kas parasti ir divi. Šūnas adrese sauc viņas numuru. Katra šūna sastāv no mazākām daļām, ko sauc cipariem un arī numurēts no nulles līdz noteiktam skaitlim. Ciparu skaits šūnā norāda atmiņas ietilpība. Katrs cipars var saglabāt ciparu kādā skaitļu sistēmā. Lielākā daļa datoru izmanto bināro skaitļu sistēmu, jo tas ir izdevīgāk no aparatūras ieviešanas viedokļa, šajā gadījumā katrs bits saglabā vienu mazliet informāciju. Astoņi biti veido vienu baits.

Šūnas saturu sauc mašīnvārdos. No arhitektūras viedokļa mašīnvārds ir minimālais datu apjoms, ar kuru var apmainīties starp dažādām mašīnas sastāvdaļām (tomēr nevajadzētu aizmirst par vadības signālu pārraidīšanu pa plānām bultiņām). No katras atmiņas šūnas varat lasīt kopiju mašīna vārdu un pārsūtiet to uz citu atmiņas daļu, kamēr oriģināls nemainās. Rakstot atmiņā, šūnas vecais saturs pazūd un tiek aizstāts ar jaunu mašīnvārdu.

Ņemiet vērā, ka praksē sākotnējā mašīnvārda saglabāšanas problēmas risināšana, lasot no šūnas dažiem atmiņas veidiem, nav triviāla un diezgan darbietilpīga, jo šajā atmiņā (to sauc dinamisks atmiņa), lasot oriģinālu, tiek iznīcināts. Šeit ir tipiski atmiņas īpašības mūsdienu datori.

1. Atmiņas ietilpība – simtiem miljonu šūnu (parasti astoņu bitu).

2. Atmiņas ātrums: piekļuves laiks(minimālā aizkave vārda lasīšanai) un cikla laiks(minimālā aizkave divu vārdu nolasīšanai no vienas šūnas) – mērvienībās un desmitos nanosekundēs (1 sekunde = 10 9 nanosekundes). Ņemiet vērā, ka iepriekš minētajai dinamiskajai atmiņai cikla laiks ir vairāk, nekā piekļuves laiks, jo joprojām ir nepieciešams atjaunot lasīšanas laikā iznīcinātās šūnas saturu.

3. Izmaksas. Datora galvenajai atmiņai pietiek zināt, ka jo ātrāka ir šāda atmiņa, jo dārgāka, protams. Konkrētas atmiņas izmaksu vērtības mūsu lekciju nolūkos neinteresē.

Komandu un datu neatšķiramības princips. Mašīnas vārds apzīmē vai nu komandu, vai apstrādājamos datus (skaitlis, simboliskā informācija, attēla elements utt.). Īsuma labad turpmāk šādu informāciju sauksim par “numuriem”. Šis fon Neimana princips ir skaitļi un komandas neatšķirami viens no otra - atmiņā abi tiek attēloti ar noteiktu ciparu kopu, un saskaņā ar izskats mašīnvārdu nevar noteikt, vai tas apzīmē komandu vai skaitli.

No šī principa izriet acīmredzams rezultāts: saglabātās programmas princips . Šis princips ir ļoti svarīgs, tā būtība ir tāda, ka programma tiek saglabāta atmiņā kopā ar skaitļiem, kas nozīmē, ka tā var mainīties, kamēr programma tiek aprēķināta. Viņi arī saka, ka programma var pašpārveidot skaitīšanas laikā. Ņemiet vērā, ka tad, kad fon Neimans rakstīja savu darbu, lielākā daļa tā laika datoru glabāja programmu viena veida atmiņā, bet skaitļus - cita veida atmiņā. Mūsdienu datoros gan programmas, gan dati tiek glabāti vienā atmiņā.

Džons fon Neimans jau astoņu gadu vecumā zināja augstākās matemātikas pamatus un vairākas svešvalodas un klasiskās valodas. Pēc Budapeštas universitātes absolvēšanas 1926. gadā fon Noimans strādāja par pasniedzēju Vācijā, bet 1930. gadā emigrēja uz ASV un kļuva par Prinstonas Padziļināto studiju institūta stipendiātu.

1944. gadā fon Neumans un ekonomists O. Morgenšterns uzrakstīja grāmatu “Spēļu teorija un ekonomiskā uzvedība”. Šī grāmata satur ne tikai matemātisko spēļu teoriju, bet arī tās pielietojumu ekonomikas, militārajās un citās zinātnēs. Džons fon Neimans tika norīkots darbā ENIAC izstrādes grupā kā konsultants matemātikas jautājumos, ar kuriem grupa tikās.

1946. gadā kopā ar G. Goldšteinu un A. Burksu viņš uzrakstīja un publicēja ziņojumu “Elektroniskā datora loģiskās konstrukcijas priekšdiskusija”. Tā kā fon Neimaņa kā izcilā fiziķa un matemātiķa vārds jau bija labi zināms plašās zinātnieku aprindās, visi ziņojumā izteiktie apgalvojumi tika piedēvēti viņam. Turklāt pirmo divu paaudžu datoru arhitektūra ar secīgu instrukciju izpildi programmā tika saukta par "fon Neimana datoru arhitektūru".

1. Programmas vadības princips

Šis princips nodrošina skaitļošanas procesu automatizāciju datorā.

Programma sastāv no komandu kopas, kuras procesors automātiski izpilda vienu pēc otras noteiktā secībā. Programma tiek izgūta no atmiņas, izmantojot programmu skaitītāju. Šis procesora reģistrs secīgi palielina tajā saglabātās nākamās instrukcijas adresi par instrukcijas garumu. Tā kā programmas komandas atrodas atmiņā viena pēc otras, komandu ķēde tiek organizēta no secīgi izvietotām atmiņas šūnām. Ja pēc komandas izpildīšanas nepieciešams pāriet nevis uz nākamo, bet uz kādu citu, tiek izmantotas nosacījuma vai beznosacījuma lēciena komandas, kas komandu skaitītājā ievada tās atmiņas šūnas numuru, kurā atrodas nākamā komanda. Komandu ielāde no atmiņas apstājas pēc komandas “stop” sasniegšanas un izpildes. Tādējādi procesors programmu izpilda automātiski, bez cilvēka iejaukšanās

2. Atmiņas viendabīguma princips

Būtiskas atšķirības trūkums starp programmu un datiem ļāva datoram izveidot sev programmu saskaņā ar aprēķinu rezultātu.

Programmas un dati tiek glabāti vienā atmiņā. Tāpēc dators neatšķir to, kas ir saglabāts dotajā atmiņas šūnā – skaitlis, teksts vai komanda. Ar komandām varat veikt tādas pašas darbības kā ar datiem. Tas paver virkni iespēju. Piemēram, programma var tikt apstrādāta arī tās izpildes laikā, kas ļauj noteikt noteikumus dažu tās daļu iegūšanai pašā programmā (tādi programmā tiek organizēta ciklu un apakšprogrammu izpilde). Turklāt komandas no vienas programmas var iegūt citas programmas izpildes rezultātā. Tulkošanas metodes ir balstītas uz šo principu - programmas teksta tulkošana no augsta līmeņa programmēšanas valodas konkrētas mašīnas valodā.

3. Mērķtiecības princips

Strukturāli galvenā atmiņa sastāv no pārnumurētām šūnām. Procesoram jebkurā laikā ir pieejama jebkura šūna. Tas nozīmē iespēju nosaukt atmiņas apgabalus, lai tajās saglabātās vērtības vēlāk varētu piekļūt vai mainīt programmas izpildes laikā, izmantojot piešķirtos nosaukumus.

Fon Noimans aprakstīja, kādam jābūt datoram, lai tas būtu universāls un ērts informācijas apstrādes rīks. Pirmkārt, tai jābūt šādām ierīcēm:

Aritmētiskā loģikas ierīce, kas veic aritmētisko un loģiskās operācijas Vadības ierīce, kas organizē programmu izpildes procesu. Uzglabāšanas ierīce programmu un datu glabāšanai.

Datori, kas veidoti pēc šiem principiem, tiek klasificēti kā fon Neimaņa datori.

Mūsdienās lielākā daļa datoru, tostarp IBM PC, ir saderīgi. Bet ir arī datorsistēmas ar atšķirīgu arhitektūru - piemēram, sistēmas paralēlai skaitļošanai.

Datora uzbūves mugurkaula-modulārais princips

Datora arhitektūra attiecas uz tās loģisko organizāciju, struktūru, resursiem, t.i., skaitļošanas sistēmas līdzekļiem. Mūsdienu personālo datoru arhitektūra balstās uz mugurkaula-modulāra principu.

Moduļu princips ļauj patērētājam izvēlēties sev nepieciešamo datora konfigurāciju un nepieciešamības gadījumā to uzlabot. Sistēmas modulārā organizācija balstās uz informācijas apmaiņas galveno (kopnes) principu. Mugurkauls jeb sistēmas kopne ir elektronisku līniju kopums, kas savieno kopā procesoru, atmiņu un perifērijas ierīces atmiņas adresēšanai, datu pārsūtīšanai un apkalpošanas signāliem.

Informācijas apmaiņa starp atsevišķām datora ierīcēm notiek, izmantojot trīs daudzbitu kopnes, kas savieno visus moduļus - datu kopni, adrešu kopni un vadības kopni.

Atsevišķu datora moduļu savienošana ar kopni fiziskajā līmenī tiek veikta, izmantojot kontrolierus, un programmatūras līmenī to nodrošina draiveri. Kontrolieris saņem signālu no procesora un atšifrē to, lai attiecīgā ierīce varētu uztvert šo signālu un reaģēt uz to. Procesors nav atbildīgs par ierīces reakciju – tā ir kontrollera funkcija. Tāpēc ārējās datora ierīces ir nomaināmas, un šādu moduļu komplekts ir patvaļīgs.

Datu kopnes platumu nosaka procesora bitu dziļums, t.i., bināro bitu skaits, ko procesors apstrādā vienā pulksteņa ciklā.

Datus uz datu kopnes var pārsūtīt gan no procesora uz jebkuru ierīci, gan pretējā virzienā, t.i., datu kopne ir divvirzienu. Galvenie procesora darbības režīmi, kas izmanto datu kopni, ir šādi: datu rakstīšana/nolasīšana no RAM un no ārējām atmiņas ierīcēm, nolasot datus no ievades ierīcēm, nosūtot datus uz izvades ierīcēm.

Abonenta izvēli datu apmaiņai veic apstrādātājs, kurš ģenerē adreses kodu no šīs ierīces, un RAM - atmiņas šūnas adreses kods. Adreses kods tiek pārraidīts pa adrešu kopni, un signāli tiek pārraidīti vienā virzienā, no procesora uz ierīcēm, t.i., šī kopne ir vienvirziena.

Vadības kopne pārraida signālus, kas nosaka informācijas apmaiņas raksturu, un signālus, kas sinhronizē informācijas apmaiņā iesaistīto ierīču mijiedarbību.

Ārējās ierīces ir savienotas ar kopnēm, izmantojot interfeisu. Interfeiss tiek saprasts kā dažādu personālā datora perifērijas ierīču raksturlielumu kopums, kas nosaka informācijas apmaiņas organizāciju starp to un centrālo procesoru. Saskarņu (piemēram, sistēmas kopnes interfeisa un cietā diska interfeisa) nesaderības gadījumā tiek izmantoti kontrolleri.

Lai datorā iekļautās ierīces varētu mijiedarboties ar centrālo procesoru, ar IBM saderīgajiem datoriem ir pārtraukumu sistēma. Pārtraukšanas sistēma ļauj datoram apturēt pašreizējo darbību un pārslēgties uz citām, reaģējot uz pieprasījumu, piemēram, nospiežot taustiņu uz tastatūras. Galu galā, no vienas puses, ir vēlams, lai dators būtu aizņemts ar tam uzticēto darbu, un, no otras puses, ir nepieciešama tūlītēja tā atbilde uz jebkuru pieprasījumu, kas prasa uzmanību. Pārtraukumi nodrošina tūlītēju sistēmas reakciju.

Datortehnoloģiju attīstība notiek ar lēcieniem un robežām. Katru gadu parādās jauni procesori, plates, diskdziņi un citas perifērijas ierīces. Personālā datora potenciālo iespēju pieaugums un jaunu, produktīvāku komponentu parādīšanās neizbēgami rada vēlmi atjaunināt datoru. Tomēr jaunos sasniegumus nevar pilnībā novērtēt datortehnoloģijas nesalīdzinot tos ar esošajiem standartiem.

Jaunu lietu izstrāde PC jomā vienmēr balstās uz veciem standartiem un principiem. Tāpēc to pārzināšana ir būtisks faktors par (vai pret) jaunas sistēmas izvēli.

Datorā ir iekļauti šādi komponenti:

CPU(CPU); RAM (atmiņa);

uzglabāšanas ierīces;

ievades ierīces;

izvadierīces;

sakaru ierīces.

Jānis fon Neimanis(1903-1957) - ebreju izcelsmes ungāru izcelsmes amerikāņu matemātiķis, kurš sniedzis nozīmīgu ieguldījumu kvantu fizikā, kvantu loģikā, funkcionālajā analīzē, kopu teorijā, datorzinātnēs, ekonomikā un citās zinātnes nozarēs.

Datoru arhitektūra- tā ir mašīnas iekšējā struktūra, tās loģiskā organizācija, kas nosaka apstrādes procesu un datu kodēšanas metodes, sastāvu, mērķi, mijiedarbības principus tehniskajiem līdzekļiem un programmatūra.

CPU

1945. gadā Džons fon Neimans izveidoja datoru arhitektūru.

Fon Neimana mašīna sastāv no atmiņas ierīces (atmiņas) - atmiņas, aritmētiski loģiskās vienības - ALU, vadības ierīces - CU, kā arī ievades un izvades ierīcēm.

Ievades ierīce

Izvades ierīce

1946. gadā D. fon Neimans, G. Goldšteins un A. Berks savā kopīgajā rakstā izklāstīja jaunus datoru uzbūves un darbības principus. Pēc tam, pamatojoties uz šiem principiem, tika ražotas pirmās divas datoru paaudzes. Ir notikušas dažas izmaiņas vēlākajās paaudzēs, lai gan Neimaņa principi ir aktuāli arī mūsdienās.

Hermanis Goldšteins

Artūrs Burks

Jānis fon Neimanis

IN binārā sistēma numerācija izmanto tikai divus ciparus 0 un 1. Citiem vārdiem sakot, divi ir binārās skaitļu sistēmas pamats.

Priekšrocība pāri decimālā sistēma skaitļu sistēma ir tāda, ka ierīces var izgatavot diezgan vienkāršas, aritmētiskās un loģiskās darbības binārajā skaitļu sistēmā arī tiek veiktas diezgan vienkārši.

Skaitļu sistēmas

Decimālzīme

Binārs

Octal

Heksadecimāls

Datora darbību kontrolē programma, kas sastāv no komandu kopas. Komandas tiek izpildītas secīgi viena pēc otras. Mašīnas izveide ar saglabātu programmu bija sākums tam, ko mēs šodien saucam par programmēšanu.

Šajā gadījumā gan programmas komandas, gan dati tiek kodēti bināro skaitļu sistēmā, t.i. to ierakstīšanas metode ir vienāda. Tāpēc noteiktās situācijās ar komandām varat veikt tādas pašas darbības kā ar datiem.

Jebkurā laikā varat piekļūt jebkurai atmiņas šūnai pēc tās adreses. Šis princips pavēra iespēju programmēšanā izmantot mainīgos.

Neskatoties uz to, ka komandas tiek izpildītas secīgi, programmas var ieviest iespēju pāriet uz jebkuru koda sadaļu.

Jāņa fon Neimaņa sasniegumi.

Jānim fon Neimanim tika piešķirts augstākais akadēmiskais apbalvojums. Viņš tika ievēlēts par Eksakto zinātņu akadēmijas (Lima, Peru), Amerikas Mākslas un zinātņu akadēmijas, Amerikas Filozofijas biedrības, Lombardas Zinātņu un vēstuļu institūta, Nīderlandes Karaliskā Zinātņu un mākslas akadēmijas, ASV Nacionālās akadēmijas locekli. Akadēmija un goda doktora grādi no daudzām ASV un citu valstu universitātēm.

Katrā zinātnes un tehnoloģiju jomā ir dažas fundamentālas idejas vai principi, kas nosaka tās saturu un attīstību. Datorzinātnē šādu fundamentālu ideju lomu spēlēja principi, kurus formulēja neatkarīgi viens no otra - amerikāņu matemātiķa un fiziķa Džona fon Neimana (1903-1957) un padomju zinātnieka Sergeja Ļebedeva (1902-1974). Šie principi nosaka datora pamata organizāciju.

Tiek uzskatīts, ka pirmais elektroniskais dators ENIAC tika ražots ASV 1946. gadā. ENIAC sastāvēja no 18 000 vakuuma caurules un 1500 releji un svēra 30 tonnas. Viņš un krīts līdz 20 reģistriem, no kuriem katrs varētu saturēt 10 bitu decimālskaitli Brilliant analīze spēcīgu un vājās puses ENIAC projekts tika sniegts Princeton Institute for Advanced Study ziņojumā "Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Device" (1946. gada jūnijā). Šis ziņojums, ko sastādīja izcilais amerikāņu matemātiķis Džons fon Neumans un viņa kolēģi Prinstonas institūtā G. Goldsteins un A. Burks, iepazīstināja ar jauna elektroniskā datora projektu. Šajā ziņojumā izteiktās idejas ir pazīstamas kā Neimaņa principi.

Runājot par teorētiskās datorzinātnes pamatlicējiem, nevar nepieminēt divus zinātnes sasniegumus: loģikas algebru un algoritmu teoriju. Loģisko algebru 19. gadsimta vidū izstrādāja angļu matemātiķis Džordžs Būls, un viņš to uzskatīja par formālas loģikas matematizācijas metodi. Elektronisko datoru attīstība, kuras pamatā ir divu pozīciju elektroniskie elementi, ļāva plaši izmantot "būla loģiku" projektēšanā. datoru shēmas. 20. gadsimta 30. gadu pirmajā pusē matemātiskais darbs, kurā tika pierādīta fundamentāla iespēja atrisināt jebkuru problēmu, kuru var apstrādāt algoritmiski, izmantojot automātus. Šis pierādījums bija ietverts 1936. gadā publicētajos angļu matemātiķa E. Posta darbos. (Džordžs Būls (1815-1864), Alans Tjūrings (1912-1954)).

Padomju Savienībā darbs pie elektronisko datoru izveides sākās nedaudz vēlāk. Pirmais padomju elektroniskais dators tika ražots Kijevā 1953. gadā. To sauca MESM (mazais elektroniskais dators), un tā galvenais dizaineris bija akadēmiķis Sergejs Ļebedevs, BESM (lielais elektroniskais dators) sērijas datoru dizainu autors. MESM projektā Sergejs Ļebedevs neatkarīgi no Neimaņa nonāca pie tādām pašām idejām par elektronisko datoru projektēšanu kā Neimans.

“Neimaņa principu” būtība bija šāda:

1. Datorā ir savstarpēji savienots Procesors (aritmētiskā vienība un vadības ierīce), atmiņa un I/O ierīce.

2. Datoriem, kuru pamatā ir elektroniskie elementi, jādarbojas bināro skaitļu sistēmā, nevis decimāldaļā.

3. Programma, kā arī cipari, ar kuriem darbojas dators, ir rakstīti binārā kodā, tas ir, komandas attēlojuma veidā un cipari ir viena veida.

4. Programmai ir jāatrodas kādā no datora blokiem - atmiņas ierīcē, kurai ir brīvpiekļuve. Programma un dati var atrasties koplietojamā atmiņā (Princeton arhitektūra).

5. Ātrgaitas, nepastāvīgas un lielas atmiņas atmiņas ierīces fiziskās ieviešanas grūtības prasa hierarhisku atmiņas organizāciju. Programma tiek izpildīta no galvenās atmiņas un saglabāta nemainīgā sekundārajā atmiņā ( magnētiskie diski). Fails - noteiktā programmā pilnībā aprakstīta datu tipa gadījumu identifikācijas kolekcija, kas atrodas ārpus programmas ārējā atmiņa un ir pieejams programmai, izmantojot īpašas darbības.

6. Datora aritmētiski loģiskā vienība (ALU) ir konstruēta, pamatojoties uz shēmām, kas veic saskaitīšanas, nobīdes un loģiskās darbības. Papildus operācijas rezultātam ALU ģenerē vairākus rezultātu atribūtus (karodziņus), kurus var analizēt, izpildot nosacītas vadības pārsūtīšanas komandu.

Likums un CCA

9. nodarbība. Datora uzbūves mugurkaula-modulārais princips.

Uzdevums: izmantojot izglītojošo tekstu, atbildiet uz šādiem jautājumiem (ierakstiet savā piezīmju grāmatiņā).

1. Kurš bija mūsdienu datoru arhitektūras mugurkaula-modulārā principa pamatlicējs.

2. Datora arhitektūra ir...

3. Uzskaitiet datora arhitektūras mugurkaula-modulārās konstrukcijas pamatprincipus.

4. No kādām daļām sastāv šoseja?

5. Kam paredzēts ierīces interfeiss?

6. Kas tiek izmantots, lai apspriestu saskarnes? Kā šī koordinācija darbojas (uzzīmējiet diagrammu)?

7. Kā dati tiek apstrādāti datorā?

8. Uzzīmējiet datora mugurkaula-modulārā principa shematisku diagrammu.

9. Šoseja ir...

10. Kāds ir vadības kopnes, adrešu kopnes, datu kopnes mērķis?

12. Ko modulārais princips ļauj datora lietotājam? Uzskaitiet galvenās moduļu mugurkaula principa priekšrocības.

D/z. Atbildi uz jautājumiem, sagatavojies atbildēt uz izglītojošo tekstu.

Izglītojošs teksts

Datora uzbūves mugurkaula-modulārais princips

Atcerēsimies iepriekšējās nodarbībās saņemto informāciju:

Dators ir elektroniskā ierīce, kas paredzēti darbam ar informāciju, proti informācijas ievadīšana, apstrāde, uzglabāšana, izvade un pārraide. Turklāt dators ir viena vienība no divām vienībām - aparatūras un programmatūras.

Datora arhitektūra ir tās loģiskās organizācijas, resursu un strukturālo elementu darbības principu apraksts. Ietver galvenās datora ierīces un savienojumu struktūru starp tām.

Parasti, aprakstot datora arhitektūru, īpaša uzmanība tiek pievērsta tiem tā organizācijas principiem, kas ir raksturīgi lielākajai daļai aprakstītajā saimē piederošo mašīnu, kā arī ietekmē programmēšanas iespējas.

Mūsdienu datoru arhitektūra ir balstīta uz Jāņa fon Neimaņa principi un mugurkaula-modulārais princips.

1946. gadā D. fon Neimans, G. Goldšteins un A. Berks savā kopīgajā rakstā izklāstīja jaunus datoru uzbūves un darbības principus. Pēc tam, pamatojoties uz šiem principiem, tika ražotas pirmās divas datoru paaudzes. Ir notikušas dažas izmaiņas vēlākajās paaudzēs, lai gan Neimaņa principi ir aktuāli arī mūsdienās.

Patiesībā Neimanim izdevās apkopot daudzu citu zinātnieku zinātniskos sasniegumus un atklājumus un uz to pamata formulēt kaut ko principiāli jaunu.

fon Neimaņa principi

1. Bināro skaitļu sistēmas izmantošana datoros. Priekšrocība salīdzinājumā ar decimālo skaitļu sistēmu ir tāda, ka ierīces var padarīt diezgan vienkāršas, un arī aritmētiskās un loģiskās darbības binārajā skaitļu sistēmā tiek veiktas diezgan vienkārši.

2. Datoru programmatūras vadība. Datora darbību kontrolē programma, kas sastāv no komandu kopas. Komandas tiek izpildītas secīgi viena pēc otras. Mašīnas izveide ar saglabātu programmu bija sākums tam, ko mēs šodien saucam par programmēšanu.

3. Datora atmiņa tiek izmantota ne tikai datu, bet arī programmu glabāšanai.. Šajā gadījumā gan programmas komandas, gan dati tiek kodēti bināro skaitļu sistēmā, t.i. to ierakstīšanas metode ir vienāda. Tāpēc noteiktās situācijās ar komandām varat veikt tādas pašas darbības kā ar datiem.

4. Datora atmiņas šūnām ir adreses, kas ir secīgi numurētas. Jebkurā laikā varat piekļūt jebkurai atmiņas šūnai pēc tās adreses. Šis princips pavēra iespēju programmēšanā izmantot mainīgos.

5. Nosacītā lēciena iespēja programmas izpildes laikā. Neskatoties uz to, ka komandas tiek izpildītas secīgi, programmas var ieviest iespēju pāriet uz jebkuru koda sadaļu.

6. Informācijas ievades un izvades ierīču pieejamība. Šīs ierīces ir pamata un pietiekamas datora darbībai lietotāja līmenī.

7. Atvērtās arhitektūras princips– datora uzbūves noteikumi, saskaņā ar kuriem katram jaunajam blokam jābūt savietojamam ar veco un viegli uzstādāmam vienā un tajā pašā vietā datorā. Datorā tikpat viegli var nomainīt vecos blokus pret jauniem, lai kur tie atrastos, kā rezultātā datora darbība ne tikai netiek traucēta, bet arī kļūst produktīvāka. Šis princips ļauj nevis izmest, bet gan modernizēt iepriekš iegādāto datoru, ērti nomainot tajā esošās novecojušās vienības pret modernākām un ērtākām, kā arī iegādājoties un uzstādot jaunas vienības. Turklāt visos tajos savienotāji to savienošanai ir standarta un neprasa nekādas izmaiņas paša datora dizainā.

Šo principu svarīgākās sekas ir tādas, ka tagad programma vairs nebija pastāvīga mašīnas daļa (kā, piemēram, kalkulators). Kļuva iespēja viegli mainīt programmu. Bet aprīkojums, protams, paliek nemainīgs un ļoti vienkāršs.

Dators nav nedalāms, neatņemams objekts. Tas sastāv no vairākām ierīcēm - moduļi.(Lietotājs var papildināt savu datoru no šiem moduļiem pēc sava pieprasījuma). Katrai datora ierīcei ir elektroniskā shēma, kas to kontrolē. Šo shēmu sauc par kontrolieri vai adapteri. Daži kontrolieri var vadīt vairākas ierīces vienlaikus. Visi kontrolleri un adapteri mijiedarbojas ar procesoru un operatīvo atmiņu caur sistēmas kopni (elektronisko līniju komplekts. Kopne ir kabelis, kas sastāv no daudziem vadiem.

Mugurkauls nodrošina datu apmaiņu starp datora ierīcēm.

Šoseja sastāv no trim daļām:

1. adrešu autobuss, uz kura ir iestatīta vajadzīgās atmiņas šūnas vai ierīces adrese, ar kuru notiks informācijas apmaiņa.

2. Datu kopne, caur kuru tiks pārsūtīta nepieciešamā informācija.

3. Vadības kopne regulējot šo procesu. (pa vadības kopni tiek pārraidīti signāli, kas nosaka informācijas apmaiņas raksturu pa šoseju. Šie signāli norāda, kāda darbība ir jāveic).

Lai dators darbotos pareizi, ir nepieciešams, lai visas tā ierīces darbotos kopā, "saprastu" viena otru un "nekonfliktētu". Tas tiek nodrošināts, pateicoties tam pašam interfeisam, kas ir visām datora ierīcēm.
Interfeiss ir līdzeklis divu ierīču savienošanai, kurā visi fiziskie un loģiskie parametri ir saskaņoti viens ar otru.

Tā kā datu apmaiņa starp ierīcēm notiek caur kopni, lai koordinētu saskarnes, visas ārējās ierīces tiek savienotas ar kopni nevis tieši, bet caur to kontrolieriem (adapteriem) un portiem.

Porti var būt seriāli vai paralēli. UZ seriālie porti pievienot lēnas darbības vai attālās ierīces(pele, modems) un ātrāki paralēlie (skeneris, printeris). Tastatūra un monitors ir savienoti ar specializētiem portiem.

Lai izvairītos no ierīces pievienošanas kāda cita portam kļūdas vai nezināšanas dēļ, katrai ierīcei ir individuāla spraudņa forma, kas neietilpst “svešajā” savienotājā.

Informāciju, kas sniegta digitālā formā un apstrādāta datorā, sauc datus.

Tiek izsaukta komandu secība, ko dators izpilda datu apstrādes laikā programma.

Datu apstrāde datorā:

1. Lietotājs palaiž ilgtermiņa atmiņā saglabāto programmu, tā tiek ielādēta operatīvajā atmiņā un sāk izpildīt.

2. Izpilde: procesors nolasa instrukcijas un izpilda tās. Nepieciešamie dati tiek ielādēti RAM no ilgtermiņa atmiņas vai ievadīti, izmantojot ievades ierīces.

3. Izejas (saņemtos) datus procesors ieraksta RAM vai ilgtermiņa atmiņā, kā arī tiek nodrošināts lietotājam, izmantojot informācijas izvadierīces.

Lai nodrošinātu informācijas apmaiņu starp dažādas ierīces ir jāparedz kaut kāds mugurkauls informācijas plūsmu kustībai.

Maģistrāle (sistēmas kopne) ietver trīs vairāku bitu kopnes: datu kopni, adrešu kopni un vadības kopni, kas ir vairāku vadu līnijas. Procesors un operatīvā atmiņa, kā arī perifērijas ievades, izvades un informācijas uzglabāšanas ierīces, kas apmainās ar informāciju mašīnvalodā (nuļļu un vieninieku secības elektrisko impulsu veidā), ir savienotas ar mugurkaulu.

Datu kopne.Šī kopne pārsūta datus starp dažādām ierīcēm. Piemēram, datus, kas nolasīti no RAM, var nosūtīt procesoram apstrādei, un pēc tam saņemtos datus var nosūtīt atpakaļ uz RAM glabāšanai. Tādējādi datus datu kopnē var pārsūtīt no ierīces uz ierīci jebkurā virzienā, t.i., datu kopne ir divvirzienu. Galvenie procesora darbības režīmi, kas izmanto datu kopni, ir šādi: datu rakstīšana/lasīšana no RAM, datu rakstīšana/lasīšana no ārējās atmiņas, datu nolasīšana no ievades ierīces, datu nosūtīšana uz izvadierīci.

Datu kopnes platumu nosaka procesora bitu ietilpība, tas ir, bināro bitu skaits, ko procesors var apstrādāt vai pārsūtīt vienlaicīgi. Attīstoties datortehnoloģijām, procesoru jauda nepārtraukti palielinās.

Adrešu autobuss. Ierīces vai atmiņas šūnas izvēli, uz kuru dati tiek nosūtīti vai lasīti, izmantojot datu kopni, veic procesors. Katrai ierīcei vai RAM šūnai ir sava adrese. Adrese tiek pārraidīta pa adrešu kopni, un signāli tiek pārraidīti pa to vienā virzienā - no procesora uz operatīvo atmiņu un ierīcēm (vienvirziena kopne).

Adrešu kopnes platums nosaka adresējamās atmiņas (adreses telpas) apjomu, tas ir, viena baita RAM šūnu skaitu, kurām var būt unikālas adreses.

Adresējamo atmiņas šūnu skaitu var aprēķināt, izmantojot formulu:

N=2 I, kur I ir adreses kopnes platums.

Katrai kopnei ir sava adrešu telpa, t.i., maksimālais adresējamās atmiņas apjoms:

2 16 = 64 KB

2 20 = 1 MB

2 24 = 16 MB

2 32 = 4 GB

Vadības kopne. Vadības kopne pārraida signālus, kas nosaka informācijas apmaiņas raksturu pa šoseju. Vadības signāli norāda, kāda darbība - informācijas nolasīšana vai rakstīšana no atmiņas - ir jāveic, sinhronizē informācijas apmaiņu starp ierīcēm utt.

Moduļu principsļauj patērētājam salikt viņam nepieciešamo datora konfigurāciju un, ja nepieciešams, to uzlabot. Katra atsevišķa datora funkcija tiek realizēta ar vienu vai vairākiem moduļiem - strukturāli un funkcionāli pabeigtiem elektroniskiem blokiem standarta dizainā. Datora struktūras organizēšana uz moduļu pamata ir līdzīga blokmājas celtniecībai.

Mugurkaula-modulārajam principam ir vairākas priekšrocības:

1. strādāt ar ārējās ierīces Tiek izmantotas tādas pašas procesora komandas kā darbam ar atmiņu.

2. savienojums ar galveno līniju papildu ierīces nav nepieciešamas izmaiņas esošajās ierīcēs, procesorā vai atmiņā.

3. Mainot moduļu sastāvu, var mainīt datora jaudu un mērķi tā darbības laikā.