Развитие архитектуры электронных вычислительных машин и систем. Принципы построения и архитектура эвм. Основы архитектуры ЭВМ

АРХИТЕКТУРА ЭВМ

Классификация ЭВМ

Основные блоки ПК и их назначение

Внутримашинный системный интерфейс

Функциональные характеристики ПК

ЭВМ (компьютер) – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Признаки классификации:

по принципу действия (но отличаются друг от друга типом представления информации);

по этапам создания;

по назначению;

по размерам и функциональным возможностям.

Архитектура ЭВМ – совокупность ее свойств, существенных для пользователя.

Структура и функциональные возможности ЭВМ:

основные (обеспечивают обработку и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами);

дополнительные (обеспечивают эффективные режимы работы, диалог с пользователем, высокую надежность).

Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Персональный компьютер – настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Достоинства ПК:

малая стоимость (в пределах доступности для индивидуального пользователя);

автономность эксплуатации;

гибкость архитектуры (адаптивность к различным применениям в управлении, науке, образовании, быту);

«дружественность» ОС и программного обеспечения (возможность работы без специальной профессиональной подготовки);

высокая надежность работы.

Виды ПК:

настольное исполнение (desktop);

наколенный вариант (laptop).

блокнотный вариант (notebook).

карманные (Palm Top – наладонные);

электронные секретари (PDA – Personal Digital Assistent), имеют более широкие функциональные возможности как у обычного ПК и встроенное программное обеспечение для управления персональной информацией (адреса, телефоны, расписание встреч и т.д.);

электронные записные книжки (organizer).

Базовая (типовая) конфигурация ПК:

системный блок (это центральное звено компьютерной системы);

монитор (предназначен для отображения текстовой и графической информации);

клавиатура (используется для ввода текста, чисел и команд в компьютер);

Классификация системных блоков:

горизонтальные (desktop, плоские и особо плоские (slim));

вертикальные (tower, полноразмерные, среднеразмерные, малоразмерные).

Системный блок содержит наиболее важные компоненты:

материнская (системная) плата (содержит центральный процессор, микропроцессорный чипсет, математический сопроцессор, генератор тактовых импульсов, блоки ОЗУ и ПЗУ, шины, адаптеры клавиатуры, НЖМД, НГМД, контроллер прерываний, таймер и т.д.)

блок питания;

накопители на дисках;

дисководы;

разъемы для дополнительных устройств;

платы расширения с контроллерами (адаптерами) различных устройств.

Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, называются периферийными.

Структура ПК:

микропроцессор (центральный блок, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией);

генератор тактовых импульсов (генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту машины);

системная шина (основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой, в техническом плане шина состоит из пучка проводов, по которым передаются сигналы. Стык шины с устройством называется портом, которому для определенности присваивается номер, называемый адресом);

основная память (предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины);

внешняя память (используется для долговременного хранения информации, в ней хранится все программное обеспечение компьютера);

источник питания (блок, содержаний системы автономного и сетевого энергопитания);

таймер (внутримашинные электронные часы, подключаются к автономному источнику питания, работают при отключении от сети);

внешние устройства.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств – аппаратных интерфейсов.

Стандарты на аппаратные интерфейсы называются протоколами.

Протокол – это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Состав микропроцессора:

устройство управления (формирует и подает определенные сигналы управления, формирует адреса ячеек памяти и передает эти адреса в соответствующие блоки, последовательность импульсов получает от генератора тактовых импульсов);

арифметико-логическое устройство (выполняет арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией);

микропроцессорная память (служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины; регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины);

интерфейсная система микропроцессора (реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК, включает внутренний интерфейс, буферные запоминающие регистры, схемы управления портами ввода-вывода (позволяют подключить другое устройство ПК) и системной шиной.

Частота генератора тактовых импульсов – одна из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, т.к. каждая операция выполняется за определенное количество тактов.

Такт работы машины – промежуток времени между соседними импульсами.

Внутримашинный системный интерфейс (система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой) – совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Варианты организации внутримашинного интерфейса:

многосвязный интерфейс (каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами, применяется в простейших бытовых ПК);

односвязный интерфейс (все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину).

В качестве системного интерфейса используется системная шина .

В качестве системной шины могут использоваться:

шины расширений (шины общего назначения, позволяющие подключать большое число различных устройств);

локальные шины (специализируются на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса).

Системная шина включает:

кодовую шину данных (содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода, по ней происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно);

кодовую шину адреса (включает провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства);

кодовую шину инструкций (содержит провода и схемы сопряжения для передачи инструкций во все блоки машины);

шину питания (имеет провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания).

Системная шина обеспечивает передачу информации:

Порты ввода-вывода всех блоков машины подключаются через соответствующие унифицированные разъемы непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с помощью ASCII-кодов.

Шины расширений:

шина РС/ХТ bus – 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, тактовая частота 4,77 МГц, имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память;

шина РС/АТ bus – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, тактовая частота до 8 МГц, может использоваться и МП с тактовой частотой до 16 МГц, имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память;

шина ISA (Industry Standard Architecture) – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, тактовая частота 8 МГц, может использоваться и МП с тактовой частотой до 50 МГц, имеет до 15 линий для аппаратных прерываний и до 11 каналов для прямого доступа в память, адресное пространство увеличено до 16 Мбайт, пропускная способность теоретически 16 Мбайт/с, практически – 4-5 Мбайт/с;

шина ЕISA (Extended ISA) – 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота 8-33 МГц, адресное пространство 4 Гбайта, пропускная способность до 33 Мбайта/с, улучшена система прерываний и обеспечено автоматическое конфигурирование системы и управление каналами для прямого доступа в память, увеличено число разъемов расширений (может подключаться теоретически до 15 устройств, практически – до 10), совместима с шиной ISA, применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях;

шина МSA – 32-разрядная шина данных и 32,64-разрядная шина адреса, тактовая частота 10-20 МГц, пропускная способность до 76 Мбайт/с, может подключаться до 15 устройств, близка к шине ЕISA, но не совместима ни с ISA, ни с ЕISA, применяется не очень широко.

Локальные шины:

шина VLB (VESA Local Bus) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 33 МГц, пропускная способность теоретически 132 Мбайт/с, практически – 80 Мбайт/с, малое количество подключаемых устройств – 4, могут быть конфликты между подключаемыми устройствами, жестко зависима от тактовой частоты МП;

шина PCI (Peripheral Component Interconnect) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 33 МГц, пропускная способность теоретически 132,264 Мбайт/с, практически – 50,100 Мбайт/с, количество подключаемых устройств – 10, может выполнять многие функции шины расширения, в настоящее время используется как шина для подключения внешних устройств;

шина FSB (Front Side Bus) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 133 МГц, пропускная способность до 800 Мбайт/с, используется для связи процессора и памяти, частота этой шины является одним из потребительских параметров;

шина AGP (Advanced Graphic Port) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота 33 или 66 МГц, пропускная способность до 1066 Мбайт/с, используется для связи с видеоадаптером;

шина USB (Universal Serial Bus) – пропускная способность до 1,5 Мбит/с, позволяет подключать до 256 устройств, имеющих последовательный интерфейс, практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» и позволяет объединять несколько компьютеров и простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Использование в ПК шин VLB и PCI возможно при наличии соответствующей материнской платы.

Выпускаются материнские платы с мультишинной структурой VIP (по начальным буквам VLB, ISA, PCI).

Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.

С точки зрения физического принципа действия различают:

динамическую память (DRAM) – ячейки можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Микросхемы используются в качестве основной ОП компьютера. Это наиболее распространенный и экономически доступный вид памяти. Недостаток – постоянно требуется регенерация (подзарядка) ячеек оперативной памяти, что вызывает непроизводительный расход вычислительной системы.

статистическую память (SRAM) – ячейки можно представить в виде микроэлементов (триггеров), состоящих из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает высокое быстродействие. Микросхемы этой памяти используют в качестве вспомогательной памяти (кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы компьютера.

Основная память содержит:

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию);

оперативное запоминающее устройство (ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации, участвующей в процессе в текущий момент времени, достоинство – быстродействие и возможность обращение к каждой ячейке памяти отдельно, недостаток – энергозависимость).

В момент включения компьютера в его оперативной памяти ничего нет (программ, команд). Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ. Процессор обращается по указанному адресу за своей первой командой и начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на ОП, поскольку в ней пока ничего нет. Он указывает на ПЗУ. Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию даже при выключенном компьютере.

Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» – их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ в ПЗУ образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System).

Основное назначение программ этого пакета:

проверить состав и работоспособность компьютерной системы;

обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков;

обеспечить возможность наблюдения на экране диагностических сообщений, сопровождающих запуск компьютера,

обеспечить при необходимости возможность вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, в частности, накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Их назначение – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в ОЗУ.

Различаются конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

Магнитные диски – машинные носители информации.

Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей – дорожек (треков).

Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества магнитных головок и магнитного покрытия.

Каждая дорожка МД разбита на сектора по 128, 256, 512 или 1024 байт.

Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно целым числом секторов.

Кластер – минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.

При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации.

Файл – именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных.

Файл – последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем.

Имя файла может содержать адресные данные, сведения о типе данных, заключенных в нем. Хранение фалов организуется в иерархической структуре, называемой файловой.

Полное имя файла – собственное имя файла вместе с путем доступа к нему.

<имя носителя \ <имя каталога-1 \...\ <имя каталога-N \ <собственное имя файла

Данные на дисках хранятся в файлах. Файлу выделяется поле памяти, кратное некоторому количеству кластеров. Кластеры одного файла могут находиться в любом свободном месте и необязательно являются смежными.

Файлы, находящиеся в разбросанных по диску файлах, называются фрагментированными .

Форматирование дискеты – создание структуры записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, записи маркеров и другой служебной информации.

Монитор – устройство, предназначенное для отображения информации, которую компьютер передает пользователю.

Размер экрана монитора измеряется по диагонали в дюймах.

Условно можно выделить группы:

мониторы с электронно-лучевой трубкой (изображение формируется лучом электронов, которые «поджигают» точки цветного люминофора, которым изнутри покрыта поверхность экрана. Каждый пиксель изображения состоит из трех цветных точек люминофора: красного, зеленого и синего. Поток электронов, используемый для формирования изображения на экране электронно-лучевого монитора, довольно силен, и не весь гасится люминофором и защитным покрытием экрана. Кроме того, для управления лучам, используются сильные магнитные поля. Все это приводит к тому, что электронно-лучевые мониторы хоть и в небольшой степени, но являются источниками вредных излучений);

жидкокристаллические мониторы (рабочий слой жидкокристаллических мониторов состоит из множества мелких жидких кристаллов, которые могут менять свой цвет и прозрачность под воздействием подаваемых на них небольших напряжений. Такие мониторы не излучают);

мультимедийные мониторы (электронные и жидкокристаллические мониторы, которые могут выполнять еще дополнительные функции: воспроизводить и воспринимать звук с помощью встроенных акустических систем и микрофона, и даже воспринимать изображение с помощью встроенной видеокамеры).

Дисплей может работать:

в текстовом режиме (экран дисплея разбивается на 25 строк по 80 символов в каждой строке. Этот режим служит для вывода заранее заданных символов: больших и малых латинских букв, букв русского алфавита, цифр и других различных символов);

в графическом режиме (на экран дисплея изображение выводится по точкам, (пикселям). В таком режиме, как правило, создаются рисунки и строятся графики, при выводе в таком режиме текстовой информаций быстродействие будет ниже, т.к. каждый символ необходимо прорисовывать по точкам).

Разрешающая способность – основной параметр, характеризующий качество графического изображения на экране дисплея, определяется количеством точек по вертикали и горизонтали.

Точка (пиксель) – некоторая минимальная область экрана, в которой происходит смешивание красного, синего и зеленого лучей, интенсивность которых и определяет цвет в данной точке.

Дисплей VGA 640x480 означает, что дисплей типа VGA с количеством точек по горизонтали 640, а по вертикали 480. Разрешающая способность хороших мониторов достигает 1280х1024 и выше.

Кроме того, каждый дисплей характеризуется количеством воспроизводимых цветов, которое может колебаться от 2 (черно-белое изображение) до 256 и выше (16 млн. цветов – дисплеи Super VGA). Чем лучше дисплей, тем больше цветов он может воспроизвести.

Клавиатура компьютера – устройство для ввода команд и текста.

Группы клавиш по назначению:

блок алфавита (содержат клавиши для ввода текстовых символов. Первый сверху ряд состоит из клавиш с цифрами, над которыми изображены специальные символы. В зависимости от нажатия специальных клавиш можно печатать цифры или символы. Для ввода заглавных и других символов, располагающихся на верхнем регистре клавиатуры, служит клавиша «Shift»);

функциональные клавиши F1, …, F12 (находятся вверху клавиатуры и предназначены для быстрого ввода повторяющихся команд одной клавишей в различных программах. Напр., клавиша F10 часто используется для выхода из программ, а клавиша F1 – для вызова справки или подсказки);

клавиши управления курсором (предназначены для передвижения по тексту или командам меню, находятся в нижней части клавиатуры, справа от алфавитного блока. Текстовый курсор – специальный символ, который указывает место в строке, куда будет вводиться следующий символ);

цифровой блок (при нажатой клавише «NumLock» включается соответствующая лампочка, и можно использовать этот блок для ввода цифр. Если лампочка не горит, то с помощью клавиш цифрового блока можно управлять передвижением текстового курсора);

служебные клавиши

Ctrl» и «Alt» обычно действуют только при одновременном нажатии с другими клавишами и увеличивают количество выполняемых с помощью функциональных клавиш команд.

«Esc» помогает отменить любую команду.

«Caps Lock» служит для фиксации режима заглавных букв. При ее нажатии загорается индикатор в правой верхней части клавиатуры. Переключение клавиатуры с режима ввода русских букв на режим ввода латинских символов осуществляется с помощью специально назначенных клавиш.

«Enter» (ввод) (предназначена для перевода курсора на начало следующей строки, также используется для ввода команд в операционной системе).

«Back Space» (изображена стрелкой влево) позволяет передвинуть курсор на одну позицию влево и стирает символ, находящийся в этой позиции.

«Delete» (удаление) используется для удаления символа, на котором находится курсор. При этом сам курсор остается на прежнем месте, а все символы справа от курсора сдвигаются на одну позицию влево.

«Insert» (вставка) предназначена для перехода из режима вставки в режим замены и обратно. В режиме вставки вводимые символы появляются на том месте, где расположен курсор, а часть строки, расположенная справа от курсора, сдвигается при каждом нажатии клавиши на одну позицию вправо. В режиме замены сдвига текста, расположенного справа от курсора, не происходит, а вводимые символы появляются на месте старых, затирая их.

«PgUp», «PgDown » служат для постраничного перемещения по экрану вверх и вниз соответственно.

«Home» и «End» предназначены для перемещения курсора в начало и конец строк соответственно.

«Tab» служит для сдвига курсора на несколько () позиций вправо, обычно 4 или 8.

«Print Screen» служит для сохранения текущего состояния экрана в специальной области ОП, называемой буфером обмена.

«Scroll Lock» переключает режим работы в некоторых программах (как правило, устаревших).

«Pause/Break» осуществляет приостановку/ прерывание процесса.

Мышь – устройство управления манипуляторного типа, предназначенное для управления программами компьютера.

Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) по экрану монитора.

На корпусе мыши расположены две или три кнопки управления. В трехкнопочных манипуляторах обычно используются только крайние кнопки, а средняя кнопка используется для работы лишь с некоторыми видами программ. Иногда средняя кнопка выполняется в виде колесика.

Функциональные характеристики ПК:

быстродействие, производительность, тактовая частота;

разрядность машины и кодовых шин интерфейса;

типы системного и локального интерфейсов;

ёмкость оперативной памяти;

ёмкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера);

тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках;

виды и емкость КЭШ-памяти;

тип видеомонитора и видеоадаптера;

наличие математического сопроцессора;

имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;

аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ;

возможность работы в вычислительной сети;

возможность работы в многозадачном режиме;

надежность;

стоимость;

габариты и масса.

Слово «архитектура» в изначальном своем смысле используется в градостроении. Будучи достаточно сложной структурой, современный город состоит из районов, площадей, улиц, домов и т.п., расположенных определенным образом.

Для того чтобы ориентироваться в хитросплетении улиц и площадей, в любом городе существует исторически сложившаяся система названий, а также определенная нумерация домов. Наличие общепринятой адресации позволяет однозначно определить положение любого строения и в случае необходимости быстро отыскать его. Во многих случаях расположение улиц и присвоение им имен носит беспорядочный характер. В то же время бывает, что эта деятельность тщательно продумана и является продолжением общей планировки города, т.е. фактически частью его архитектуры. Классическим примером может служить известная система взаимно-перпендикулярных улиц (авеню и стриты) города Нью-Йорка. Помимо чисто практической, архитектура города может иметь еще и художественную ценность (что обычно больше интересует приезжих). Но этот аспект понятия «архитектура» вряд ли переносим на вычислительную технику.

Используя аналогию с градостроительством, естественно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. Если заглянуть, например, в «Толковый словарь по вычислительным системам», мы прочтем там, что термин «архитектура ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ «архитектура»».

Однако описание внутренней структуры ЭВМ вовсе не является самоцелью: с точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими, присущими многим конкретным реализациям вычислительных машин. Часто говорят даже о семействах ЭВМ, т.е. группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам. Ярким примером могут служить различные модификации компьютеров PDP фирмы DEC (более известные нашим пользователям по отечественным аналогам - серии ДВК), семейство MSX-машин, которому принадлежит широко распространенная YAMAHA, а также заполонившие мир IBM-совместимые персональные компьютеры.

Именно то общее, что есть в строении ЭВМ, и относят к понятию архитектуры. Важно отметить, что целью такой общности, в конечном счете, служит вполне понятное стремление: все машины одного семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту же программу. Отсюда неизбежно следует вывод, что с точки зрения архитектуры важны не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и «пользовательской» работе с ЭВМ. Ниже приводится перечень тех наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

Структура памяти ЭВМ;

Способы доступа к памяти и внешним устройствам;

Возможность изменения конфигурации компьютера;

Система команд;

Форматы данных;

Организация интерфейса.

Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение архитектуры:

«Архитектура-это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов».

2. КЛАССИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА ЭВМ II ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.

Ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде. Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут - выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке 2.1. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные-управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ

Рисунок 2.1 - Архитектура ЭВМ, построенной на принципах Фон Неймана

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров «многоярусно» и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом. На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается - определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством - счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день - фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие - архитектура ЭВМ.

Подархитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Только через 100 лет на базе появившихся электронных приборов эта идея была развита американским математиком Джоном фон Нейманом. В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные им в 1945 году.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;

Устройство управления , которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее устройство , илипамять для хранения программ и данных;

Внешние устройства для ввода-вывода информации.

В основе работы компьютера лежат следующие принципы:

Принцип двоичного кодирования . Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

Принцип программного управления . Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Машины, построенные на этих принципах, называются Фон-Неймановскими.

Виды архитектуры ЭВМ (открытая, закрытая, Гарвардская).

Архитектура вычислительной машины - концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения

Архитектуры закрытого типа

Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Вычислительные системы с открытой архитектурой

Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой.

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера.

Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток - высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Часто требуется выбрать три составляющие - два операнда и инструкцию(в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее встречаемая задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция - обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») - расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут послужить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx - модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) - расширенная Гарвардская Архитектура.

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Принципы фон Неймана

В основу архитектуры большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом в отчете по ЭВМ ЕЭУАС:

принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд (СчАК). Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду;
принцип однородности памяти - программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм);
принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от них, - не-фон-неймановские.

Например, в ассоциативных компьютерах может не выполняться принцип программного управления, поскольку каждая команда здесь содержит адрес следующей (т. е. они могут работать без счетчика команд , указывающего на выполняемую команду программы).

По прошествии более 60 лет большинство компьютеров так и имеют «фон-неймановскую архитектуру», причем принципы фон Неймана реализованы в следующем виде:

оперативная память (ОП) организована как совокупность машинных слов (МС) фиксированной длины или разрядности (имеется в виду количество двоичных единиц или бит, содержащихся в каждом МС). Например, ранние ПЭВМ имели разрядность 8, затем появились 16-разряд-ные, а затем - 32- и 64-разрядные машины. В свое время существовали также 45-разрядные (М-20, М-220), 35-раз-рядные (Минск-22, Минск-32) и др. машины;
ОП образует единое адресное пространство, адреса МС возрастают от младших к старшим;
в ОП размещаются как данные, так и программы, причем в области данных одно слово, как правило, соответствует одному числу, а в области программы - одной команде (машинной инструкции - минимальному и неделимому элементу программы);
команды выполняются в естественной последовательности (по возрастанию адресов в ОП), пока не встретится команда управления (условного/безусловного перехода, или ветвления - branch), в результате которой естественная последовательность нарушится;
ЦП может произвольно обращаться к любым адресам в ОП для выборки и/или записи в МС чисел или команд.

Функциональные блоки (агрегаты, устройства)

В то время как логические элементы и узлы во многом универсальны и могут использоваться в самых различных сочетаниях для решения разнообразных задач, блоки (агрегаты) ЭВМ представляют собой комплексы элементов (узлов), ориентированные на узкий круг задач (операций). Такие агрегаты, как АЛУ, процессор, банк памяти, внешние устройства (НГМД и пр.), обязательно включают в свой состав (кроме механического, оптического, электромагнитного и иного оборудования) логические элементы и узлы, используемые для хранения информации, ее обработки и управления этими процессами.

Центральное устройство (ЦУ) представляет основную компоненту ЭВМ и, в свою очередь, включает ЦП - центральный процессор (central processing unit - CPU) и ОП - оперативную (главную) память или оперативное запоминающее устройство - ОЗУ (синонимы - Main Storage, Core Storage, Random Access Memory - RAM).

Процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управления вычислительным процессом, осуществляя выборку машинных команд и данных из оперативной памяти, их выполнение и запись результатов в ОП, включение и отключение ВУ. Основными блоками процессора являются:

устройство управления (УУ) с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);
арифметико-логическое устройство (АЛУ);
процессорная память (внутренний кэш).

Оперативная память предназначена для временного хранения данных и программ в процессе выполнения вычислительных и логических операций.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Arithmetic and Logical Unit (ALU) - часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции над данными.

АЛУ реализует набор простых операций. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции и, или, не). АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и блока управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему кодами операций, которые должны быть выполнены над переменными, помещаемыми в регистры.

Внешние устройства (ВУ). ВУ обеспечивают эффективное взаимодействие компьютера с окружающей средой - пользователями, объектами управления, другими машинами.

В специализированных управляющих ЭВМ (технологические процессы, связь, ракеты и пр.) внешними устройствами ввода являются датчики (температуры, давления, расстояния и пр.), устройствами вывода - манипуляторы (гидро-, пневмо-, сервоприводы рулей, вентилей и др.).

В универсальных ЭВМ (человеко-машинная обработка информации) в качестве ВУ выступают терминалы, принтеры и др. устройства.

Интерфейсы (каналы связи) служат для сопряжения центральных узлов машины с ее внешними устройствами.

Однотипные ЦУ и устройства хранения данных могут использоваться в различных типах машин. Известны примеры того, как фирмы, начавшие свою деятельность с производства управляющих машин, совершенствуя свою продукцию, перешли к выпуску систем, которые в зависимости от конфигурации ВУ могут исполнять роль как универсальных, так и управляющих машин (машины Hewlett-Packard - HP и Digital Equipment Corporation - DEC).

Абстрактное центральное устройство

Перечислим основные понятия и рассмотрим структуру и функции абстрактного центрального устройства ЭВМ (рис. 2.23), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (arithmetic and logic unit - ALU) которого предназначено для обработки целых чисел и битовых строк.

Команда, инструкция (instruction) - описание операции, которую нужно выполнить. Каждая команда характеризуется форматом, который определяет ее структуру. Типичная команда содержит:

код операции (КОП), характеризующий тип выполняемого действия;
адресную часть (A4), которая в общем случае включает:
- номера (адреса) индексного (ИР) и базисного (БР) регистров;
- адреса операндов - Al, А2 и т. д.

Цикл процессора - период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде; состоит из нескольких тактов.

Такт работы процессора - промежуток времени между соседними импульсами (tick of the internai clock) генератора тактовых импульсов, частота которых есть тактовая частота процессора. Такт процессора (такт синхронизации) - квант времени, в течение которого осуществляется элементарная операция - выборка, сравнение, пересылка данных.

Разрядность

Команда к + 1 Команда к

Адресная часть (адресность) /

Базисные регистры (БР1, БР2, ...)

Индексные регистры (ИР1, ИР2, ...)

Регистр результата

Регистры числа (РЧ1, РЧ2, ...)

Регистр адреса команды (РАК, СчАК)

Регистры адреса (РА1, РА2, ...)

Регистр команды (РК)

Сумматор

Устройство управления (УУ)

Рис. 2.23. Структура простейшего центрального устройства ЭВМ

Выполнение короткой команды - арифметика с ФТ (фиксированной запятой - ФЗ), логическая операция - занимает как минимум пять тактов (см. также рис. 3.1):

выборка команды (Fetch);
расшифровка кода операции/декодирование (instruction Decode);
вычисление адреса и выборка данных из памяти (Address Generate, Load)
выполнение операции (Execute);
запись результата в память (write Back, store).

Процедура, соответствующая каждому такту, реализуется определенной логической цепью (схемой) процессора, обычно именуемой микрокомандой.

Регистры - устройства, предназначенные для временного хранения данных ограниченного размера (регистровое запоминающее устройство - РЗУ). Важной характеристикой регистра является высокая скорость приема и выдачи данных. Регистр состоит из разрядов, в которые можно быстро записывать, запоминать и считывать слово, команду, двоичное число и т. д. Обычно регистр имеет ту же разрядность, что и машинное слово.

Регистр, обладающий способностью перемещать содержимое своих разрядов, называют сдвиговым. В этих регистрах за один такт хранимое слово поразрядно сдвигается на одну позицию.

Регистры общего назначения - РОН, регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл - РФ (General Purpose Registers) - общее название для регистров, которые временно содержат данные, передаваемые в память или принимаемые из нее.

Регистр команды (РК, Instruction Register - IR) служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора.

Регистр (РАК), счетчик (СчАК) адреса команды (program counter - PC) - регистр, содержащий адрес текущей команды.

Регистр адреса (числа) - РА(Ч) - содержит адрес одного из операндов выполняемой команды (регистров может быть несколько).

Регистр числа (РЧ) содержит операнд выполняемой команды, этих регистров также несколько.

Регистр результата (РР) предназначается для хранения результата выполнения команды.

Сумматор - регистр, осуществляющий операции сложения (логического и арифметического двоичного) чисел или битовых строк, представленных в прямом или обратном коде. Регистр, хранящий промежуточные данные, часто именуют аккумулятором.

Существуют и другие регистры, не отмеченные на схеме, например регистр состояния - Status Register (SR) или регистр флагов. Типичным содержанием SR является информация об особых результатах завершения команды (ноль, переполнение, деление на ноль, перенос и пр.). УУ использует информацию из SR для исполнения условных переходов (например, «в случае переполнения перейти по адресу 4170»). Ниже более подробно будут рассмотрены регистры процессора 18086.

Цикл выполнения короткой команды может выглядеть следующим образом.

1. В соответствии с содержимым СчАК (адрес очередной команды) УУ извлекает из ОП очередную команду и помещает ее в РК. Некоторые команды УУ обрабатывает самостоятельно, без привлечения АЛУ (например, по команде «перейти по адресу 2478» величина 2478 сразу заносится в СчАК, и процессор переходит к выполнению следующей команды.
2. Осуществляется расшифровка (декодирование) команды.
3. Адреса Al, А2 и пр. помещаются в регистры адреса.
4. Если в команде указаны ИР или БР, то их содержимое используется для модификации РА - фактически выбираются числа или команды, смещенные в ту или иную сторону по отношению к адресу, указанному в команде.
5. По значениям РА осуществляется чтение чисел (строк) и помещение их в РЧ.
6. Выполнение операции и помещение результата в РР.
7. Запись результата по одному из адресов (если необходимо).
8. Увеличение содержимого СчАК на единицу (переход к следующей команде).

Очевидно, что за счет увеличения числа регистров возможно распараллеливание, перекрытие операций. Например, при считывании команды СчАК можно автоматически увеличить на 1, подготовив выборку следующей команды. После расшифровки текущей команды РК освобождается и в него может быть прочитана следующая команда. При выполнении операции возможна расшифровка следующей команды и т. д. Все это является предпосылкой построения так называемых конвейерных структур {pipeline ). Однако все это хорошо только при последовательном (естественном) порядке выполнения команд. Появление переходов (особенно по условию, не определенному ранее) нарушает эту картину (в частности, увеличение СчАК на 1, упомянутое выше, оказывается недействительным). Поэтому современные процессоры пытаются предсказывать переходы в программе (branch prediction).

Архитектуры ЭВМ

Архитектура «звезда». Здесь процессор (ЦУ) (рис. 2.24, а) соединен непосредственно с ВУ и управляет их работой (ранние модели машин). Этот тип также именуется классическая архитектура (фон Неймана) - одно арифмети-

Процессор

Основная

Мост PCI-ISA

Разъемы PCI

Контроллер

периферии

Universal Serial Bus

System Management Bus

Рис. 2.24. Основные классы архитектур ЭВМ: а - централизованная; б - иерархическая; в - магистральная; г - общая структура персонального компьютера (архитектура Triton 430 TX - Northbridge/

ко-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд - программа. Это однопроцессорный компьютер.

Принстонская и гарвардская архитектуры. Архитектура фон Неймана часто ассоциируется с принстонской архитектурой, которая характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ и данных.

Альтернативная - гарвардская архитектура (название связано с компьютером «Марк-1» (1950 г.), в котором использовалась отдельная память для команд) характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды.

Гарвардская архитектура появляется в современных процессорах, когда в кэш-памяти ЦП выделяется память команд (I-Cache) и память данных (D-Cache).

Иерархическая архитектура (рис. 2.24, б) - ЦУ соединено с периферийными процессорами (вспомогательными процессорами, каналами, канальными процессорами), управляющими в свою очередь контроллерами, к которым подключены группы ВУ (системы IBM 360-375, ЕС ЭВМ);

Магистральная структура (общая шина - unibas, рис. 2.24, в). Процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимодействуют между собой и с ВУ (контроллерами ВУ) через внутренний канал, общий для всех устройств (машины DEC, IBM РС-со-вместимые ПЭВМ). Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность линий магистрали разделяется на отдельные группы - шину адреса, шину данных и шину управления.

К этому типу архитектуры относится также архитектура персонального компьютера (ПК). Конечно, реальная структура ПК (рис. 2.24, г) отличается от теоретических схем - в ней используется несколько разновидностей шинных интерфейсов, которые соединяются между собой мостами - контроллерами памяти (Northbridge) и периферийных устройств (Southbridge).

ВВЕДЕНИЕ

Уровень архитектуры необходим каждому специалисту. Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных функциональных узлов. На этом уровне не требуется знание схемных решений современной радиотехники и микроэлектроники. Последнее вообще выходит за пределы информатики, оно требуется лишь разработчикам физических элементов компьютеров.

Уровень архитектуры достаточно глубок, он включат вопросы управления работой ЭВМ (программирования) на языке машинных команд (ассемблера). Такой способ управления гораздо сложнее, чем написание программ на языках высокого уровня и, тем не менее, без представления о нем невозможно понять реальную работу компьютера.

Наконец, в данной главе приведен краткий обзор внешних устройств современных компьютеров - накопителей, устройств ввода и вывода информации, - а также элементарное описание принципов их работы, профессиональные характеристики.

Объектом изучения является вычислительная техника.

Предметом исследования является архитектура ЭВМ.

Целью работы является изучение архитектуры ЭВМ.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

· определить понятие архитектура ЭВМ;

· изучить учебную литературу по теме «Архитектура ЭВМ»;

· изучить развитие внутренней структуры ЭВМ.

1. О ПОНЯТИИ «АРХИТЕКТУРА ЭВМ»

Структура памяти ЭВМ;

Способы доступа к памяти и внешним устройствам;

Возможность изменения конфигурации компьютера;

Система команд;

Форматы данных;

Организация интерфейса.

Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение архитектуры:

2. КЛАССИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА ЭВМ II ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА

Рисунок 2.1 - Архитектура ЭВМ, построенной на принципах Фон Неймана

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ЭВМ

В предыдущем разделе была описана классическая структура ЭВМ, соответствующая вычислительным машинам первого и второго поколений. Естественно, что в результате бурного развития технологии производства средств вычислительной техники такая структура не могла не претерпеть определенных прогрессивных изменений.

Как отмечалось выше, появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механически движущиеся части. Процессор, руководивший работой внешних устройств, значительную часть времени был бы вынужден простаивать в ожидании информации «из внешнего мира», что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода, периферийные процессоры. Последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства» (или просто контроллер).

Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколений.

Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).

Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры, изображенной на рис. 3.1. Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трех частей:

Шина данных, по которой передается информация;

Шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

Шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами - это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

На рис. 3.1 представлен новый по сравнению с рис. 2.1 вид памяти – видео - ОЗУ (видеопамять). Его появление связано с разработкой особого устройства вывода - дисплея. Основной частью дисплея служит электронно-лучевая трубка, которая отображает информацию примерно так же, как это происходит в телевизоре (к некоторым дешевым домашним моделям компьютеров просто подключается обычный телевизор). Очевидно, что дисплей, не имея механически движущихся частей, является «очень быстрым» устройством отображения информации. Поэтому для ЭВМ третьего и четвертого поколений он является неотъемлемой частью (хотя впервые дисплей был реализован на некоторых ЭВМ второго поколения, например, на «МИР-2» - очень интересной во многих отношениях отечественной разработке).

Рисунок 3.1 - Шинная архитектура ЭВМ

Для получения на экране монитора стабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Объем видеопамяти существенно зависит от характера информации (текстовая или графическая) и от числа цветов изображения. Конструктивно она может быть выполнена как обычное ОЗУ или содержаться непосредственно в контроллере дисплея (именно поэтому на рисунке 3.1 она показана пунктиром).

Остановимся еще на одной важной особенности структуры современных ЭВМ. Поскольку процессор теперь перестал быть центром конструкции, стало возможным реализовывать прямые связи между устройствами ЭВМ. На практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот. Режим, при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия центрального процессора, называется прямым доступом к памяти (ПДП). Для его реализации необходим специальный контроллер. Подчеркнем, что режим ПДП в машинах первого и второго поколений не существовал. Поэтому встречающаяся иногда схема ЭВМ, на которой данные из устройств ввода напрямую поступают в ОЗУ, не соответствует действительности: данные при отсутствии контроллера ПДП всегда, сначала принимаются во внутренние регистры процессора и лишь затем в память.

При описании магистральной структуры мы упрощенно предполагали, что все устройства взаимодействуют через общую шину. С точки зрения архитектуры этого вполне достаточно. Упомянем все же, что на практике такая структура применяется только для ЭВМ с небольшим числом внешних устройств. При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМ единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу компьютера. Поэтому в состав ЭВМ могут вводиться одна или несколько дополнительных шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая - для связи с «быстрыми», а третья - с «медленными» внешними устройствами. Отметим, что высокоскоростная шина данных ОЗУ обязательно требуется при наличии режима ПДП.

Завершая обсуждение особенностей внутренней структуры современных ЭВМ, укажем несколько характерных тенденций в ее развитии. Во-первых, постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних устройств, что приводит, как описывалось выше, к усложнению системы связей между узлами ЭВМ. Во-вторых, вычислительные машины перестают быть однопроцессорными. Помимо центрального, в компьютере могут быть специализированные процессоры для вычисления с плавающей запятой (так называемые математические сопроцессоры), видеопроцессоры для ускорения вывода информации на экран дисплея и т.п. Развитие методов параллельных вычислений также вызывает к жизни вычислительные системы достаточно сложной структуры, в которых одна операция выполняется сразу несколькими процессорами. В-третьих, наметившееся стремление иметь быстродействующие машины не только для вычислений, но и для логического анализа информации, также может привести в ближайшие годы к серьезному пересмотру традиционной фон-неймановской архитектуры.

Еще одной особенностью развития современных ЭВМ является все ускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций. Все большее количество компьютеров объединяются в сети и обрабатывают имеющуюся информацию совместно.

Таким образом, внутренняя структура вычислительной техники постоянно совершенствовалась и будет совершенствоваться.

Вместе с тем, на данный момент подавляющее большинство существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоит из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановской архитектуры.

4. ОСНОВНОЙ ЦИКЛ РАБОТЫ ЭВМ

В данном разделе коротко рассмотрена последовательность действий при выполнении команды в ЭВМ. Можно утверждать, что рабочий цикл в общем виде одинаков для всех фон-неймановских машин.

Важной составной частью фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд. Этот специальный внутренний регистр процессора всегда указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. При включении питания или при нажатии на кнопку сброса в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в ПЗУ программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Дальнейшее функционирование компьютера определяется программой. Таким образом, вся деятельность ЭВМ - это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.

Каждая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда делится на ряд элементарных унифицированных составных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команды она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия:

1) согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд);

2) счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды (в простейшем случае для этой цели достаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, определяющуюся длиной команды);

3) считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.

Затем во всех случаях, за исключением команды останова или наступления прерывания, все описанные действия циклически повторяются.

После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.

Рассмотренный основной алгоритм работы ЭВМ позволяет шаг за шагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. Если же требуется изменить порядок вычислений для реализации развилки или цикла, достаточно в счетчик команд занести требуемый адрес (именно так происходит условный или безусловный переход).

В компьютерах на базе микропроцессоров INTEL 80286 и более поздних моделей для ускорения основного цикла выполнения команды используется метод конвейеризации (иногда применяется термин «опережающая выборка»). Идея состоит в том, что несколько внутренних устройств процессора работают параллельно: одно считывает команду, другое дешифрует операцию, третье вычисляет адреса используемых операндов и т.д. В результате по окончании команды чаще всего оказывается, что следующая уже выбрана из ОЗУ, дешифрована и подготовлена к исполнению. Отметим, что в случае нарушения естественного порядка выполнения команд в программе (например, при безусловном переходе) опережающая выборка оказывается напрасной и конвейер очищается. Следующая за переходом команда выполняется дольше, так как, чтобы конвейер «заработал на полную мощность», необходимо его предварительно заполнить. Иными словами, в конвейерной машине время выполнения программы может зависеть не только от составляющих ее команд, но и от их взаимного расположения.

5. СИСТЕМА КОМАНД ЭВМ И СПОСОБЫ ОБРАЩЕНИЯ К ДАННЫМ

Это делать. Буфера адресов позволяют в конечном итоге сгладить неравномерность поступления запросов к памяти и тем самым повысить эффективность ее использования. Третьей структурной особенностью БЭСМ-6 является метод использования сверхоперативной, неадресуемой из программы памяти небольшого объема, цель которого≈автоматическая экономия обращений к основному оперативному запоминающему...

Процессоры, входящие в состав периферийных устройств). В многомашинной вычислительной системе несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеет общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы...

Пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее оклик. Принцип действия. Клавиатура относится к стандартным средствам персонального компьютера. Ее основные функции не нуждаются в поддержке специальными системными программами (драйверами). Необходимое программное обеспечения для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в...