Тема 2.4. Архитектура персональных эвм
Понятие "архитектура ЭВМ" появилось в середине 60-х годов прошлого века, когда существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. На смену независимой разработке аппаратуры от средств математического обеспечения пришла новая технология, заключающаяся в проектировании ЭВМ как системы, состоящей из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств.
Так возникло принципиально новое понятие – "архитектура ЭВМ».
Архитектура – это описание сложной системы, состоящей из множества элементов как единого целого.
Применительно к вычислительной технике архитектура определяет состав, назначение, логическую организацию и порядок взаимодействия всех аппаратных и программных средств, объединенных в единую вычислительную систему. Одинаковая архитектура разных компьютеров обеспечивает их совместимость.
В архитектуре ЭВМ выделяются три составляющие, представленные на рис. 2.4.1. Архитектура современного персонального компьютера определяется несколькими основополагающими принципами, которые, по сути, являются обобщением принципов построения ЭВМ, предложенных группой ученных во главе с Джоном фон Нейманом в середине XX века.
Рисунок 2.4.1.
Принцип программного управления. Для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера.
Принцип программы, сохраняемой в памяти. Команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.
Принцип произвольного доступа к памяти. Программы и данные записываются в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу к требуемому участку памяти.
На основании изложенных принципов сформулируем следующее определение.
Электронно-вычислительная машина (компьютер) – это техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных и программы их обработки, представленных в общем цифровом формате, автоматически осуществляет вычислительный процесс, заданный программой, и выдает результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.
Изменения архитектуры компьютеров обусловлены стремлением повышения качества и производительности персональных компьютеров. Именно поэтому в архитектуре персональной ЭВМ появилась кэш-память. Аналогично для повышения производительности компьютера в его архитектуру введены каналы прямого доступа к оперативной памяти, которые используются для обмена данными с устройствами ввода-вывода, минуя микропроцессор. Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры – устройства управления периферийными устройствами, освобождая процессор от непосредственного управления данным оборудованием.
Еще одним новшеством архитектуры современных персональных компьютеров является использование специализированных процессоров для управления отдельными периферийными устройствами, например, видеоадаптером. В архитектуре персонального компьютера появился сопроцессор – устройство, функционирующее параллельно с главным процессором и выполняющее специальные операции, например, математический сопроцессор используется для выполнения сложных математических вычислений.
В персональных компьютерах реализован еще один принцип – принцип открытой архитектуры. Он заключается в том, что устройства, непосредственно участвующие в обработке информации (процессор, сопроцессор, оперативная память), соединяются с остальными устройствами единой магистралью – шиной.
Устройства, связанные с процессором через шину, а не напрямую, называют периферийными.
Обмен данными и командами между внутренними устройствами ПК происходит по проводникам многожильного кабеля – системным шинам. Основной задачей системной шины является передача данных между процессором и остальными электронными узлами компьютера. По системной шине осуществляется не только передача данных, но и адресация устройств, а также происходит обмен специальными служебными сигналами. В зависимости от этого в архитектуре ПК различают три вида шин:
шина данных;
шина адреса;
шина команд.
Используемые в настоящее время шины отличаются разрядностью, способом передачи сигнала (последовательные или параллельные), пропускной способностью, количеством и типом поддерживаемых устройств, а также протоколом работы.
Шина адреса. По этой шине передаются адреса ячеек оперативной памяти, где находятся команды, которые необходимо выполнить процессору. В современных процессорах адресная шина 32-разрядная, то есть она состоит из 32 параллельных проводников.
Шина данных. По этой шине происходит передача данных из оперативной памяти в регистры процессора и наоборот. В ПК на базе процессоров Intel Pentium шина данных 64-разрядная, т.е. за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных.
Шина команд. По этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды занимают один байт, а более сложные – два, три и больше байт памяти. Большинство современных процессоров имеют 32-разрядную командную шину, хотя существуют 64-разрядные процессоры с командной шиной.
Системная плата, помимо рассмотренных элементов, содержит ряд дополнительных, которые обеспечивают нормальное функционирование системы и во многом определяют качество системной платы и компьютера в целом.