Тема I. Устройство и общая архитектура компьютера (стр. 1 )

Тема I. Устройство и общая архитектура компьютера

Лекция 1. Основы компьютерной техники

1.1.Из чего состоит компьютер? 3

1.2.Биты, байты, слова, параграфы 5

1.3.Ячейки памяти, порты и регистры 7

1.4.Подсистемы памяти и хранения данных 9

Внутренняя и внешняя память 11

Диски и файловые системы

1.5.Устройства ввода-вывода и коммуникаций 14

1.6.Адаптеры, контроллеры и иерархия подключений периферийных устройств

1.7.Программное обеспечение

Лекция 1 Основы компьютерной техники

Компьютер представляет собой устройство, способное исполнять четко опре­деленную последовательность операций, предписанную программой. Понятие «компьютер» является более широким, чем «электронно-вычислительная ма­шина» (ЭВМ), поскольку в последнем явный акцент делается на вычисления. Персональный компьютер (ПК) характерен тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающего персонала и не отводя под него специального зала с особым климатом, мощной системой элек­тропитания и прочими атрибутами больших вычислительных машин. Персо­нальный компьютер обычно в значительной степени ориентирован на интерак­тивное взаимодействие с одним пользователем (в играх иногда и с двумя), причем взаимодействие происходит через множество сред общения — от алфа­витно-цифрового и графического диалога посредством дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности, в которых пока не задействова­ны, наверное, только запахи. Когда используется аббревиатура PC (Personal Computer), подразумевается ПК, совместимый с самым массовым семейством персональных компьютеров фирмы IBM и их клонов. Конечно же, это не един­ственное в мире семейство — есть множество других достойных компьютерных линий, но данная книга посвящена именно IBM PC-совместимым персональ­ным компьютерам. Чем они отличаются от других, можно узнать в главе 4. PC поддерживает и коллективную работу: возможности многих компьютеров этого семейства позволяют использовать их в качестве серверов в сетях или в ло­кальных многотерминальных системах. Таким образом, можно объяснить сло­восочетание PC-сервер, которое неявно предполагает повышенную мощность (скорость вычислений, объем оперативной и внешней памяти) и особое кон­структивное исполнение (просторный корпус) компьютера. Словосочетание «ПК-сервер» уже выглядит довольно странно, хотя в одноранговых сетях и это­му словосочетанию можно найти объяснение — персональный компьютер мо­жет предоставлять свои ресурсы (например, дисковое пространство, принтеры или модемы) другим компьютерам, для которых он становится невыделенным сервером. Попутно отметим и термин «рабочая станция» (Workstation, WS), который может иметь два значения. В компьютерной сети рабочей станцией на­зывают компьютер пользователя (как противоположность серверу). Однако

рабочей станцией могут назвать и изолированный компьютер (standalone com­puter), когда хотят подчеркнуть его особенную мощность (подключение к сети такого компьютера, конечно же, не исключается). В этом случае часто подразу­мевается архитектура, отличающаяся от IBM PC-совместимой (например, ком­пьютер на RISC-процессоре). Для мощного IBM PC-совместимого компьютера применяют англоязычный термин High End PC, которому короткого русского аналога пока нет.

Персональные компьютеры, совместимые с IBM PC, делятся на несколько по­колений (или классов), которые начинались со следующих «исторических» мо­делей:

♦  IBM PC первой модели: процессор Intel 8088, адресуемая память — 1 Мбайт, шина расширения — ISA (8 бит), накопители на гибких дисках (НГМД) — до 360 Кбайт;

♦  IBM PC/XT (extended Technology — расширенная технология) — все то же, но с винчестерами (накопителями на жестких дисках, НЖМД) и возможно­стью установки математического сопроцессора Intel 8087;

♦  IBM PC/AT (Advanced Technology — прогрессивная, или «продвинутая», тех­нология): процессор — Intel 80286/80287, адресуемая память — 16 Мбайт, шина - ISA 16 бит, НГМД - 1,2 и 1,44 Мбайт, НЖМД.

В настоящее время класс машин AT развивается в нескольких направлени­ях: 16-разрядный процессор заменен 32-разрядным (уже класса Р6 и выше), а теперь уже и 64-разрядным; память адресуется в пространстве до 4 или 64 Гбайт (и больше); применяются более эффективные шины расширения (PCI, PCI-X и PCI Express) с сохранением (и то уже не всегда) ISA для совместимо­сти со старыми адаптерами; расширяется состав устройств, имеющих систем­ную поддержку. Компьютеры выпускаются в разных исполнениях — от на­стольных (напольных) до блокнотных, причем их предельные возможности не так уж сильно различаются. Есть и специальные конструкции для встраивания в технологическое и иное оборудование. Самые маленькие, помещающиеся на ладони (palm top), пока что сильно отличаются от своих более крупных сороди­чей, и в этой книге им внимание практически не уделяется.

1.1. Из чего состоит компьютер?

Любой IBM PC-совместимый компьютер представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской архитектуры вычислительных машин. Эта ар­хитектура была представлена Джорджем фон Нейманом (George von Neumann) еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти и уст­ройств ввода-вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы, про­граммы и данные хранятся в одной и той же памяти. Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе являются основой центрального процессора. Центральный процессор выбирает и исполняет ко­манды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается «счетчи­ком адреса» в блоке управления. Этот принцип исполнения называется после­довательной передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать переменные — именованные области памяти, в которых сохра­няются значения с целью дальнейшего использования в программе. Фон-ней­мановская архитектура — не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоко­вые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцес­сорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-нейма­новских машин. Конечно же, за более чем полувековую историю ЭВМ класси­ческая архитектура прошла длинный путь развития. Тем не менее ПК можно «разложить по полочкам» следующим образом.

Центральный процессор (АЛУ с блоком управления) реализуется микропро­цессором семейства х86 — от 8086/88 до новейших процессоров Pentium, Ath­lon и Opteron (и это не конец истории). При всей внутренней суперскалярности, суперконвейеризированности и спекулятивности (см. главу 7) современного процессора внешне он соблюдает вышеупомянутый принцип последовательной передачи управления. Набор арифметических, логических и прочих инструк­ций насчитывает несколько сотен, а для потоковой обработки придуман прин­цип SIMD (Single Instruction Multiple Data — множество комплектов данных, обрабатываемых одной инструкцией), по которому работают расширения ММХ, 3DNow!, SSE. Процессор имеет набор регистров, часть которых доступ­на для хранения операндов, выполнения действий над ними и формирования адреса инструкций и операндов в памяти. Другая часть регистров используется процессором для служебных (системных) целей, доступ к ним может быть огра­ничен (есть даже программно-невидимые регистры). Все компоненты компьюте­ра представляются для процессора в виде наборов ячеек памяти или/и портов ввода-вывода, в которые процессор может записывать и/или из которых может считывать содержимое.

Память «расползлась» по многим компонентам. Оперативная память (ОЗУ) — самый большой массив ячеек памяти со смежными адресами — реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической памяти. Для повышения производительности обмена данными (включая и считывание команд) опера­тивная память кэшируется сверхоперативной памятью (см. 7.3). Два уровня кэ­ширования территориально располагаются в микропроцессоре. Оперативная память вместе с кэшем всех уровней (в настоящее время — до трех) представля­ет собой единый массив памяти, непосредственно доступный процессору для записи и чтения данных, а также считывания программного кода. Помимо опе­ративной память включает также постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти (напри­мер, видеопамять графического адаптера). Вся эта память (вместе с оператив­ной) располагается в едином пространстве с линейной адресацией. В любом компьютере обязательно есть энергонезависимая память, в которой хранится программа начального запуска компьютера и минимально необходимый набор сервисов (ROM BIOS).

Процессор (один или несколько), память и необходимые элементы, связываю­щие их между собой и с другими устройствами, называют центральной частью, или ядром, компьютера (или просто центром). То, что в фон-неймановском компьютере называлось устройствами ввода-вывода (УВВ), удобнее называть периферийными устройствами.

Периферийные устройства (ПУ) — это все программно-доступные компоненты компьютера, не попавшие в его центральную часть. Их можно разделить по на­значению на несколько классов:

♦  Устройства хранения данных (устройства внешней памяти) — дисковые (магнитные, оптические, магнитооптические), ленточные (стримеры), твер­дотельные (карты, модули и USB-устройства на флэш-памяти). Эти устрой­ства используются для сохранения информации, находящейся в памяти, на энергонезависимых носителях и загрузки этой информации в оперативную память. В каком виде хранится информация на этих устройствах, нам не так уж важно (главное — правильно считать то, что сохранили).

♦  Устройства ввода-вывода служат для преобразования информации из внут­реннего представления компьютера (биты и байты) в форму, понятную ок­ружающим, и обратно. Под окружающими подразумеваются человек (и другие биологические объекты) и различные технические устройства (компьютер можно приспособить для управления любым оборудованием, были бы дат­чики и исполнительные устройства). В какую форму эти устройства преоб­разуют двоичную информацию — определяется их назначением.