Раздел 3. Технические средства информационных технологий
Лекция 11. Функциональная и структурная организация
компьютера
1. Связь между функциональной и структурной организацией
ЭВМ.
2. Структура персонального компьютера.
Литература: 1. Вычислительные машины, системы и сети: Учебник /
А.П.Пятибратов, С.Н.Беляев, Г.М.Козырева и др.; Под
ред. проф. А.П.Пятибратова. – М.: Финансы и статистика,
1991.
2. Могилев А.В. и др. Информатика: Учеб. пособие для
студ. пед. вузов / А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хеннер;
Под ред. Е.К.Хеннера. – 2-е изд., стер. – М.: Изд. центр
«Академия», 2001.
1 Связь между функциональной и структурной
организацией ЭВМ
Существуют два взгляда на построение и функционирование ЭВМ. Первый — взгляд пользователя, не интересующегося технической реализацией ЭВМ и озабоченного только получением некоторого набора функций и услуг, обеспечивающих эффективное решение его задач; второй — разработчика ЭВМ, усилия которого направлены на рациональную техническую реализацию необходимых пользователю функций. С учетом этого обстоятельства и вводятся понятия функциональной и структурной организации ЭВМ.
Действительно, с точки зрения пользователя решение любой задачи на ЭВМ требует поэтапного выполнения некоторой последовательности действий: кодирования, программирования, ввода, обработки, документирования. На каждом из этих этапов учет запросов пользователя может потребовать расширения реализуемых ЭВМ функций и услуг. В частности, можно дополнительно предусмотреть:
на этапе кодирования данных — использование восьми-, шестнадца-теричной систем счисления, реализацию расширенного набора таблиц для кодирования текстовых сообщений (ASCII, UNICODE), представление чисел с повышенной (двойной) точностью;
на этапе программирования — включение нескольких алгоритмических языков высокого уровня (а в дальнейшем — речевого ввода), средств быстрого программирования стандартных расчетов (т. е. наличия пакетов прикладных программ); оптимизацию системы команд (по группам, количеству, типам) для задач заданного класса и даже использование определенных способов адресации данных с целью достижения более высокого быстродействия;
при вводе — удобный визуальный контроль процедуры, возможность оперативной коррекции ошибок (программные средства редактирования) и ввода заранее заготовленных данных с различных твердых носителей (магнитные ленты (МЛ), диски (МД));
на этапе обработки — управление ходом решения задачи с пульта оператора (программные средства прерывания);
на этапе документирования — применение определенных типов носителей для фиксации результатов расчета и др.
Эти и подобные вопросы решаются при проектировании ЭВМ и входят в понятие функциональной организации ЭВМ. В результате создается абстрактная модель ЭВМ, описывающая функциональные возможности машины и предоставляемые ею услуги.
Функциональная организация ЭВМ в значительной степени определяется предъявляемыми к ней требованиями, уровнем подготовки потенциальных пользователей, типом решаемых ими задач, потребностями в развитии ЭВМ (по емкости ЗУ, разрядности, составу УВВ и др.).
Предусматриваемые абстрактной моделью функции ЭВМ реализуются на основе реальных, физических средств (устройств, блоков, узлов, элементов) в рамках определенной структуры.
В общем случае под структурной организацией ЭВМ понимается некоторая физический модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей машины (без излишних деталей их технической реализации).
По степени детальности различают структурные схемы, составленные на уровне устройств, блоков, узлов и элементов.
Блок — функциональный компонент ЭВМ, состоящий из элементов и узлов и выполняющий операции над машинными словами или управляющий такими операциями (сумматор, блок регистров). Устройство — наиболее крупная функциональная часть ЭВМ, состоящая из элементов, узлов и блоков и выполняющая глобальные операции над кодированными данными (запоминание, обработку, преобразование).
Блоки и устройства часто изготавливаются в виде самостоятельных конструктивов — модулей.
Ввиду большой сложности современных средств ВТ принято представлять их структуру иерархически без жесткой фиксации понятий «элемент» и «система». На самом высоком уровне иерархии (системном) ЭВМ может быть «элементом» некоторой «системы» (локальной или глобальной сети, вычислительного комплекса и т. п.). На более низком уровне — ЭВМ сама становится «системой», «элементами» структуры которой являются составляющие ее устройства: процессор, память, УВВ и т. д. Любой элемент характеризуется при этом своей функцией и структурой.
Конкретная техническая реализация каждого элемента (принципиальная схема, технология изготовления) зависит от технических характеристик разрабатываемой ЭВМ, распределения функций между узлами и блоками, между аппаратными и программными средствами ЭВМ.
Функциональная организация ЭВМ играет ведущую роль и в значительной степени определяет структурную организацию машины, хотя и не дает жестких ограничений на конечную техническую реализацию структурных элементов. Вместе с тем функции и структура любого элемента находятся в диалектической взаимосвязи, взаимозависимости. С одной стороны, функциональным назначением устройства (блока, узла) ЭВМ определяется необходимый состав материальных объектов (реальных аппаратных и программных средств) и характер связей между ними. С другой стороны, одна и та же функция может быть реализована на совершенно разных технических средствах, а изменение состава или связей между элементами, изменение пропорций между аппаратными и программными средствами может сохранить неизменной функцию системы, сообщив ей новые свойства. Важнейшими факторами, определяющими функциональную и структурную организацию ЭВМ, являются выбор системы, форматов команд и способов адресации.
Основными функциональными характеристиками современных ЭВМ являются:
производительность, быстродействие, тактовая частота;
разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса;
типы системного и локальных интерфейсов;
емкость оперативной памяти;
тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках;
емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера);
наличие, виды и емкость кэш-памяти;
тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера;
наличие и тип принтера;
наличие и тип накопителя на CD-ROM;
наличие и тип модема;
наличие и виды мультимедийных аудио-видео средств;
имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;
аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров;
возможность работы в вычислительной сети;
возможность работы в многозадачном режиме;
надежность;
стоимость.