3. Архитектура вычислительных устройств.

ЭВМ (компьютер) — это электронное устройство, которое выполняет операции ввода информации, хранения и обработки ее по определенной программе, вывод полученных результатов в форме, пригодной для восприятия человеком. За любую из названных операций отвечают специальные блоки компьютера:

устройство ввода,

центральный процессор,

запоминающее устройство,

устройство вывода.

Общая стуктурная схема ЭВМ предствлена ниже:

Центральный процессор ЭВМ

Центральный процессор (ЦП) — программно-управляемое устройство обработки информации, предназначенное для управления работой всех блоков машины и выполнения арифметических и логических операций. Функции процессора: чтение команд из ОЗУ; декодирование команд, то есть определение их назначения, способа выполнения и адресов операндов; исполнение команд; управление пересылкой информации между МПП, ОЗУ и периферийными устройствами; обработка прерываний; управление устройствами, составляющими ЭВМ. Центральный процессор состоит из устройства управления, арифметико-логического устройства, микропроцессорной памяти, интерфейсной системы.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — это устройство, которое выполняет арифметические действия и логические операции над данными.

Устройство управления (УУ) координирует работу всех блоков компьютера. В определенной последовательности он выбирает из оперативной памяти команду за командой. Каждая команда декодируется, по потребности элементы данных из указанных в команде ячеек оперативной памяти передаются в АЛУ; АЛУ настраивается на выполнение действия, указанной текущей командой (в этом действии могут принимать участие также устройства ввода-вывода); дается команда на выполнение этого действия. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не возникнет одна из следующих ситуаций: исчерпаны входные данные, от одного из устройств поступила команда на прекращение работы, выключено питание компьютера.

Микропроцессорная память (МПП) — память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП примерно 1 нс). Данная память выступает в роли "черновика" для вычислений процессора.

Внутренняя память

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в работе ЭВМ в текущий или в последующие моменты времени. ОЗУ — энергозависимая память, то есть при отключении питания записанная в нем информация теряется. ОЗУ состоит из больших интегральных схем (БИС), содержащие матрицу ячеек памяти, состоящих из триггеров - полупроводниковых запоминающих элементов, которые способны находиться в двух устойчивых состояниях, соответствующих логическим нулю и единице.

Внутренняя память дискретна, ее информационная структура представляет собой матрицу двоичных ячеек, в каждой из которых хранится по 1 биту информации. Она адресуема: каждый байт (8 ячеек по 1 биту) имеет свой адрес — порядковый номер. Доступ к байтам ОЗУ происходит по адресам. Так как ОЗУ позволяет обратиться к произвольному байту, то эта память называется памятью произвольного доступа (англ. Random Access Memory — RAM).

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, англ. ROM — Read-Only Memory) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных. В частности, в ПЗУ компьютера записана базовая система ввода-вывода (BIOS), отвечающая за самые базовые функции интерфейса и настройки оборудования, на котором она установлена.

Полупостоянная запоминающее устройство (ППЗУ, англ. CMOS — Complementary Metal Oxide Semiconductor) — энергонезависимая память, содерживое которой можно изменить. В ППЗУ хранятся параметры BIOS.

Внешняя память

Носитель информации — материальный объект, используемый для хранения информации. Различают бумажные носители (перфокарты, перфоленты), магнитные носители (ленты, диски, барабаны), оптические носители (CD и DVD) и полупроводниковые носители (Flash-память).

Накопитель — механическое устройство, управляющее записью, хранением и считыванием данных. Различают накопители на гибких магнитных дисках (ГМД) и накопители на жестких магнитных дисках (ЖМД), накопители на оптических и магнитооптических дисках (ОД), а так же флеш-карты (флешки).

Накопитель на жестком магнитном диске (ЖМД) состоит из нескольких магнитных дисков МД, насаженных на один вал двигателя, вблизи которых расположены магнитные головки, связанные с механическим приводом. Информацию на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек (треков). Цилиндр — совокупность дорожек МД, равноудаленных от его центра. Каждая дорожка МД разбита на секторы — области емкостью 512 байт, определяемые идентификационными метками и номером. Сектор — минимальный объем данных, с которым могут работать программы в обход ОС.

Обмен данными между МД и ОЗУ осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер — минимальный объем размещения информации на диске, воспринимаемый ОС, он состоит из одного или нескольких смежных секторов дорожки. Форматирование диска — разметка на диске дорожек (треков) и секторов, маркировка дефектных секторов, запись служебной информации

Устройства ввода-вывода

Процесс взаимодействия пользователя с компьютером (ЭВМ) непременно включает процедуры ввода входных данных и получение результатов обработки этих данных. Поэтому, обязательными составляющими типичной конфигурации ЭВМ являются разнообразные устройства ввода-вывода. Каждое такое устройство подключено через свой контроллер. К стандартным устройствам ввода-вывода относятся монитор, клавиатура, манипулятор (мышь) и принтер.

Монитор (дисплей) - это стандартное устройство вывода, предназначенное для визуального отображения текстовых и графических данных. В зависимости от принципа действия, мониторы делятся на:

мониторы с электронно-лучевой трубкой;

дисплеи на жидких кристаллах.

Работой монитора руководит специальная плата — контроллер, которую называют видеоадаптером (видеокартой). Вместе с монитором видеокарта создает видеоподсистему персонального компьютера. В первых компьютерах видеокарты не было. В оперативной памяти существовал участок памяти, куда процессор заносил данные об изображении.

С увеличением разрешающей способности экрана, участка видеопамяти стало недостаточно для хранения графических данных, а процессор не успевал обрабатывать изображения. Все операции, связанные с управлением экрана были отведены в отдельный блок — видеоадаптер.

Клавиатура — это стандартное клавишное устройство ввода, предназначенное для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя: с помощью клавиатуры руководят компьютерной системой, а с помощью монитора получают результат.

Клавиатура относится к стандартным средствам ЭВМ, поэтому для реализации ее основных функций не требуется наличие специальных системных программ (драйверов). Необходимое программное обеспечение для работы с клавиатурой находится в микросхеме постоянной памяти в составе базовой системы ввода-вывода BIOS.

Мышка - это устройство управления манипуляторного типа. Перемещение мышки по поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта, который называется курсор мышки, по экрану монитора.

Принтер — устройство печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу. Принтеры бывают:

струйные;

лазерные;

светодиодные;

матричные;

сублимационные (печать паром).

Магистраль (шина)

Все функциональные узлы компьютера связаны между собой через системную магистраль, представляющую из себя более трёх десятков упорядоченных микропроводников, сформированных на печатной плате.

Магистраль включает в себя три многоразрядные шины:

шину данных;

шину адреса;

шину управления.

По шине данных данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения.

Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам.

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.

Принцип работы

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом.

Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

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.

Это открывает целый ряд возможностей. 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).

Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

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 перечисленных принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам необязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не фон-неймановскими.

4. Стандартные цифровые интерфейсы.

В параллельном интерфейсе одновременно передается сразу несколько бит информации (например, 5,7 или 8 бит), причем, каждый передается по своей отдельной линии связи (проводу). Главное достоинство параллельных интерфейсов в высокой скорости передачи. Используются они, как правило, для передачи данных внутри компьютера. Примером могут быть внутренние шины компьютера (точнее, шины адреса и данных). Параллельные интерфейсы часто применяются для связи с быстродействующими устройствами при условии, что длина линий связи между устройством и компьютером не превысит 2-3 метров.

Последовательный интерфейс передает информацию бит за битом, для чего требуется только одна линия связи. Для контроля и управления передаваемыми данными, при передаче информационных битов к ним добавляется группа служебных битов.

Параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы имеется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени, то есть продвигаются по интерфейсным линиям параллельно. Примеры: шина PCI (32 или 64 бита).

Последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). Примеры: последовательный коммуникационный порт (СОМ-порт), последовательные шины USB и FireWire, интерфейсы локальных и глобальных сетей.

Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере, по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей устройств, но с этим мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемно-передающие узлы функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные интерфейсы. Эти рассуждения были основополагающими при выборе типа интерфейса примерно до начала 1990-х годов. Тогда выбор был прост: на ближних расстояниях (максимум — до пары десятков метров) при требованиях к высокой скорости использовали параллельные интерфейсы, а на дальних расстояниях или в случае неприемлемости параллельных кабелей — последовательные, жертвуя скоростью передачи. Теперь поточнее разберемся со скоростью передачи данных. Очевидно, что она равна числу бит, передаваемых за квант времени, деленному на длительность кванта. Для простоты можно оперировать тактовой частотой интерфейса — величиной, обратной длительности кванта. Это понятие естественно для синхронных интерфейсов, у которых имеется сигнал синхронизации (clock), определяющий возможные моменты возникновения всех событий (смены состояния). Для асинхронных интерфейсов можно пользоваться эквивалентной

тактовой частотой — величиной, обратной минимальной длительности одного состояния интерфейса. Максимальная (пиковая) скорость передачи данных равна произведению тактовой частоты на разрядность интерфейса. У последовательного интерфейса разрядность 1 бит, у параллельного — столько, сколько имеется параллельных сигнальных цепей для передачи битов данных. Остаются вопросы о достижимых тактовой частоте и разрядности. И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумных цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей. В параллельном интерфейсе есть явление перекоса (skew), существенно влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, одновременно переданные с одного конца интерфейсного кабеля, доходят до другого конца не одновременно из-за отклонений характеристик цепей. На время прохождения влияют длина проводов, свойства изоляции, соединительных элементов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть явно меньше кванта времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине «набегает» и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше параллельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп и для каждой группы использовать свои управляющие сигналы. В 90-х годах в схемотехнике приемно-передающих узлов стали осваиваться частоты в сотни мегагерц и выше, то есть длительность кванта стала измеряться единицами и долями наносекунд. Достичь соизмеримо малого перекоса можно лишь в пределах жестких компактных конструкций (печатная плата), а для связи отдельных устройств кабелями длиной в десятки сантиметров пришлось остановиться на частотах до десятков мегагерц. Для того чтобы ориентироваться в числах, отметим, что за 1 наносекунду сигнал пробегает по электрическому проводнику порядка 20-25 сантиметров.

Для повышения пропускной способности параллельных интерфейсов с середины 90-х годов стали применять двойную синхронизацию (Dual Data Rate, DDR). Ее идея заключается в выравнивании частот переключения информационных сигнальных линий и линий стробирования (синхронизации). В «классическом» варианте данные информационных линий воспринимаются только по одному перепаду (фронту или спаду) синхросигнала, что удваивает частоту переключения линии синхросигнала относительно линий данных. При двойной синхронизации данные воспринимаются и по фронту, и по спаду, так что частота смены состояний всех линий выравнивается, что при одних и тех же физических параметрах кабеля и интерфейсных схем позволяет удвоить пропускную способность. Волна этих модернизаций началась с интерфейса АТА (режимы U1- traDMA) и прошла уже и по SCSI (Ultral60 и выше), и по памяти (DDR SDRAM). Кроме того, на высоких частотах применяется синхронизация от источника данных (source synchronous transfer): сигнал синхронизации, по которому определяются моменты переключения или действительности данных, вырабатывается самим источником данных. Это позволяет точнее совмещать по времени данные и синхронизирующие импульсы, поскольку они распространяются по интерфейсу параллельно в одном направлении. Альтернатива — синхронизация от общего источника (common clock) — не выдерживает высоких частот переключения, поскольку здесь в разных (географически) точках временные соотношения между сигналами данных и синхронизации будут различными.

Повышение частоты переключений интерфейсных сигналов, как правило, сопровождается понижением уровней сигналов, формируемых интерфейсными схемами. Эта тенденция объясняется энергетическими соображениями: повышение частоты означает уменьшение времени, отводимого на переключения сигналов. Чем больше амплитуда сигнала, тем большие требуются скорость нарастания сигнала и, следовательно, выходной ток передатчика. Повышение выходного тока (импульсного!) нежелательно по разным причинам: большие перекрестные помехи в параллельном интерфейсе, необходимость применения мощных выходных формирователей, повышенное тепловыделение.

В последовательном интерфейсе явление перекоса отсутствует, так что повышать тактовую частоту можно вплоть до предела возможностей приемнопере- дающих цепей. Конечно, есть ограничения и по частотным свойствам кабеля, но изготовить хороший кабель для одной сигнальной цепи гораздо проще, чем для группы цепей, да еще и с высокими требованиями к идентичности. А когда электрический кабель уже «не тянет» требуемые частоту и дальность, можно перейти на оптический, у которого есть в этом плане огромные, еще не освоенные «запасы прочности».

Год 1981-й, компания IBM выпускает в продажу первый массовый персональ-ный компьютер IBM PC, основанный на процессоре i8088. Именно в состав этого ком-пьютера входил первый представитель первого поколения системных шин: шина ISA (Industry Standard Architecture). Она имела 62 контакта, 8 из которых использовались для передачи данных, 20 - для передачи адреса, а остальные - для управляющих сигна-лов и питания. Пропускная способность шины составляла 1,2Мбай/сек, а тактовая час-тота – 4,77МГц. Затем, стремление компании IBM монополизировать рынок приводит к расколу на два конкурирующих стандарта. MCA (Micro Channel Architecture) – закрытый стан-дарт, разработанный IBM с целью вытеснить конкурентов, не совместимый с ISA. И «ответный удар» группы компаний (Compaq, Epson, Hewllett-Packard, NEC) - ISA-совместимая шина EISA (Extended ISA). Разрядность шин была поднята до 32 бит. Про-пускная способность MCA составила 20Мбайт/сек, а EISA – 33 Мбайт/сек.

в 1992 г. перевела мир шин расши-рения во второе поколение, представив спецификацию 1.0 новой шины – шину PCI (Pe-ripheral Components Interconnect), которая была 32х разрядной, работала на частоте 33 МГц и имела пропускную способность 133Мбайт/сек. Кроме этого Intel запатентовала PCI и сделал стандарт общедоступным, Результатом поиска этого «качественно нового подхода» стал переход на шины расширения третьего поколения. Новатором в этой области стала PCI-SIG, которая предложила архитектуру шины PCI Express (PCIe). –последовательная.

Конечно, имеется в виду отказ от параллельных архитектур и переход к после-довательным. Сначала свои позиции сдаѐт LPT, «свергнутый» USB, затем, мы избавля-емся от раскидистых шлейфов IDE интерфейсов, заменѐнных аккуратными и тонень-кими SATA. Кроме того, «параллельность» теряет один из самых древнейших интер-фейсов SCSI, становясь Serial Attached SCSI (SAS). И вот пробил час PCI.

По факту, последними «непокоренными вершинами» для последовательных архитектур до недавнего времени оставались шины памяти и процессорные шины. «Бастион» последних пошатнулся ещѐ при выходе Hyper Transport (процессорная шина для AMD) и был окончательно разрушен QPI (Quick Path In-terconnect), которую использует Intel в своих самых производительных решениях на архитектуре Nehalem (процессоры Core i7).