Курсовая теория на тему Функциональная и структурная организация аппаратного обеспечения ЭВМ

Содержание:

Введение 4
1 Компьютерная архитектура фон Неймана 6
1.1 Организация и эксплуатация архитектуры фон Неймана 8
1.2 Принципы фон Неймана 9
2 Описание функциональной и структурной организации аппаратных средств ЭВМ 15
2.1 Виды памяти персонального компьютера 15
2.2 Описание центрального процессора ПК 18
2.3 Платы расширения 21
2.4 Материнская плата 25
3 Периферийные устройства 29
3.1 Входные периферийные устройства 29
3.2 Выходные периферийные устройства 33
3.3 Анализ и оценка аппаратных обеспечения ЭВМ 36
Выводы 39
Литература 40

Введение:

Компьютер – совершенно новое изобретение человечества. Это цифровая машина, используемая для выполнения сложных вычислений, отображения и печати графики, работы в офисе, в качестве развлечения и посредника между пользователями благодаря Интернету. В настоящее время не требуется никакой подробной информации о его внутренней структуре для использования компьютера. Базовые знания о периферийных устройствах достаточно. К счастью, большая часть работы по настройке выполняется в современных системах автоматически, что еще больше облегчает работу пользователей и делает обслуживание компьютеров более не таким сложным, как несколько лет назад. Название компьютера происходит от английского слова «compute», что означает «вычислять».
Первые компьютеры занимали пространство нескольких комнат и служили почти исключительно для подсчета. При современной миниатюризации сложность систем не изменилась, но современные персональные компьютеры без проблем помещаются на столе. Конечно, существуют более крупные машины, так называемые суперкомпьютеры, используемые для сложных симуляций, таких как погода или проблемы с космическими полетами. Большинство компьютеров базировалось на принципах, которые сформулировал фон Нейман.
В настоящее время персональные компьютеры в основном используются в качестве офисного оборудования, игровых станций, а также позволяют подключаться к компьютерной сети, а главное к глобальной сети Интернет.
Наука, тесно связанная с компьютерами, занимается обработкой информации, и называется информационные технологии [6].
Актуальность темы курсовой заключается в том, что изучение функциональной и структурной организации аппаратного обеспечения ЭВМ позволит иметь представление о строении компьютера, даст возможность классифицировать эти средства по их виду, позволит более быстро и четко ориентироваться при работе с аппаратной частью компьютера.
Целью работы является изучение функциональной и структурной организации аппаратного обеспечения ЭВМ, правил оформления теоретического материала по заданной теме.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– подобрать теоретический материал по теме «Функциональная и структурная организация аппаратного обеспечения ЭВМ»;
– рассмотреть развитие архитектуры компьютеров на примере описания архитектуры фон Неймана;
– определить структуру современных ПК;
– определить основные и периферийные устройства, представить их описание;
– оформить курсовую работу в соответствии с методическими требованиями.
Изучению данной темы посвящено большое количество научных трудов зарубежных и отечественных ученых, среди них можно выделить работу Сидорова В.Д. «Аппаратное обеспечение ЭВМ» и Голицыной О.Л. «Информационные системы», которые отличаются полнотой и понятливостью изложенного материала.

Фрагмент текста работы:

1 Компьютерная архитектура фон Неймана
Термин «Компьютер фон Неймана» имеет два общих значения. Первое определение относится к конкретному типу компьютерной архитектуре, в которой хранятся инструкции и данные вместе в общей памяти.
Второе определение «Компьютер фон Неймана» также используется в разговорной речи для определения компьютеров, которые выполняют одиночную последовательность инструкций, которая работает с одним потоком данных, достаточно часто термин «компьютер фон Неймана» применяют ко всем персональным компьютерам [1].
Сердцем компьютерной архитектуры фон Неймана является центральный процессор (CPU), с помощью блока управления АЛУ (арифметико-логическое устройство) ЦП взаимодействует с памятью и подсистемами ввода/вывода (I/O) и выполняет поток инструкций (компьютер-программа), которые обрабатывают данные, хранящиеся в памяти, и выполняют операции ввода-вывода (см. рис.1).
Ключевая концепция архитектуры фон Неймана заключается в том, что данные и инструкции хранятся в системе памяти точно так же. Таким образом, содержимое памяти определяется полностью тем, как оно интерпретируется [2]. Это важно, например, для компилятора программы, который преобразует понятный пользователю код на языке программирования в поток команд, который обрабатывается машиной. Для перемещения и изменения данных может быть выполнено множество инструкций и для дальнейшего управления определены, какие инструкции следует выполнять далее. Сбор инструкций называется набором команд, и, вместе с ресурсами, является необходимым для выполнения команд, выполнение команды управляется периодическим тактовым сигналом.
Тактовые частоты современных процессоров находятся в диапазоне от 1,8 до 3,3 ГГц, что позволяет выполнять до 3,3 миллиардов основных операции в секунду (например, добавление двух чисел или копирование элемента данных в место хранения). Благодаря постоянному прогрессу в технологиях скорость процессора быстро возрастает. В результате ограничивающими факторами для общей скорости компьютерной являются более медленные операции ввода-вывода и система памяти, необходимо отметить, что скорость этих компонентов улучшилась, по сравнению со скоростью процессора [3].
Кэш-память является важным средством для улучшения средней скорости систем памяти посредством хранения наиболее часто используемых данных в быстрой памяти, близкой к процессору. Другой фактор уменьшения скорости ЦП – это неотъемлемо последовательный характер выполнения инструкций фон Неймана. Методы одновременного выполнения нескольких инструкций разрабатываются в форме архитектуры параллельной обработки
1.1 Организация и эксплуатация архитектуры фон Неймана

Как показано на рисунке 1, основой компьютерной системы с архитектурой фон Неймана является процессор (CPU). Этот компонент извлекает (т.е. считывает) инструкции и данные из основной памяти и координаты выполнения каждой инструкции. Обычно он состоит из двух отдельных подразделений: арифметико-логическое устройство (АЛУ) и блок управления. АЛУ объединяет и преобразует данные, используя арифметические операции, такие как сложение, вычитание, умножение и деление, а также логические операции, такие как поэлементное отрицание, AND и OR. Блок управления извлекается из памяти, интерпретирует инструкции и координирует работу всей системы (см. рис.2). Он определяет порядок, в котором выполняются инструкции, и обеспечивает все электрические сигналы, необходимые для управления работой АЛУ и интерфейсов с другими компонентами системы [3,4].

Память представляет собой набор ячеек памяти, каждый из которых может находиться в одном из двух состояний. Одно состояние представляет значение 0, а другое состояние представляет собой значение 1. Это два разных логических состояния, каждая ячейка способна хранить одну
двоичную цифру или бит. Ячейки хранения бит логически организованы в слова, каждый из которых имеет длину b бит. Каждому слову присваивается уникальный адрес в диапазоне [0; N-1]. CPU идентифицирует слово, которое он либо считывает, либо записывает, сохраняя свой уникальный адрес в специальном регистре адресов памяти (MAR) (регистр временно сохраняет значение в ЦП.). Память отвечает на запрос чтения, считывая значение, сохраненное по запрошенному адресу, и передает его в CPU через шину данных памяти CPU. Затем значение временно сохраняется в регистр памяти (MBR) (также иногда называемый регистром данных памяти), прежде чем он будет использоваться с помощью блока управления или АЛУ. Для операции записи CPU сохраняет значение, которое он хочет записать в MBR и соответствующий адрес в MAR. Затем память копирует значение из MBR в адрес, на который указывает MAR. Наконец, устройства ввода/вывода (I/O) взаимодействуют с компьютерной системой. Эти устройства позволяют вводить программы и данные в систему и предоставлять средства для системы управления некоторым типом устройства вывода. Каждый порт ввода/вывода имеет уникальный адрес, на который CPU может считывать или записывать значение. С точки зрения CPU, устройство ввода/вывода доступно и похоже на способ обращения к памяти. Фактически, в некоторых системах аппаратное обеспечение устройства ввода/вывода на самом деле являются ячейками памяти. Эта конфигурация, в которой CPU не видит различий между памятью и устройствами ввода/вывода, называется отображением памяти I/O. В этом случае отдельные инструкции ввода-вывода не требуются [1,4].

1.2 Принципы фон Неймана

Представим основные принципы фон Неймана:
1. В вычислительных машинах используется двоичная система счисления. Использование двоичной системы счисления обусловлено тем, что можно использовать простые устройства, которые ориентированы на работу в двоичной системе счисления, основные арифметические операции также являются достаточно простыми и не требуют каких-либо дополнительных действий.
2. Управление ЭВМ осуществляется программно. Программа контролирует работу ЭВМ. Программа, состоит из набора команд, которые выполняются последовательно друг за другом. Использование хранимой в памяти компьютера программы стало основой для зарождения программирования.
3. Память компьютера используется как для хранения данных, так и для хранения программ. В определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными, это связано с одинаковой кодировкой в двоичной системе счисления.
4. К любой ячейке в памяти можно обратиться в любой момент времени. Данный принцип дает возможность использования переменных в программировании.
5. Существует возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Команды выполняются последовательно, однако существуют задачи, в которых необходимо осуществлять переход к указанному участку кода [1].
Рассмотрим вкратце каждый принцип.
Двоичная система используется компьютерами, прежде всего, потому что физически легко разрабатывать устройство, которое будет работать только с двумя цифрами (нулевым и другим), то есть, проще работать в двух состояниях, чем в десяти [6].
Приведем примеры: