Лекция №6 Архитектура современной ВТ

План лекций:

• исследователи в области компьютерной архитектур;

• понятие архитектуры компьютера;

• наиболее распространенные архитектурные решения компьютера;

• принципы Джона фон Неймана;

• устройства компьютера.

Вопросы организации компьютера, его архитектуры вот уже на протяжении более полувека, начиная с конца 40-вых годов ХХ века, когда эти проблемы были предметом деятельности отдельных групп узких специалистов, а с началом эры ПК, вызывают живой интерес и у огромного количества пользователей ПК. Любое достижение в данной области почти сразу становится достоянием большинства программистов и разработчиков по всему миру.

Прионеры исследований и практических разработок в области компьютерной архитектуры, а это прежде всего Г.Айкен, Д.Атанасов, К.Берри, Д.Моучли, П.Эккерт, К.Цузе и наконец С.А.Дебедев е особенности Джон фон Нейман стояли у истоков этого раздела технологий.

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера назавается его описание 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, ОЗУ, ВЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

(Под архитектурой компьютера понимается совокупность сведений об основных устройствах компьютера и их назначении, о способах представления программ и данных в машине, об особенностях ее организации и функционирования.)

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связь между ними. Элементами могут быть самые различные утройства – 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.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

• Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметическо-логическое устройство (АЛУ) , через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Перифериные устройства подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры – устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

• Многопроцессорная архитекрура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполнятся несколько фрагментов одной задачи.

• Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко.Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорным очевидно.

• Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе – то есть, по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым Джонм фон Нейманом.

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

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

Выборка прогаммы из памяти осуществляется с помощью счётчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нём 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.

3) Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьтер 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 её 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.

4) Принцип адрестности. 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 вследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имён.

Компьтеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских.

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

• процессор, включающий в себя устройство управления и АЛУ;

• память (запоминающее устройство (ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

• устройства ввода и вывода (внешние устройства).

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

На рисунке показано, каковы должны быть связи между устройствами компьютера согласно принципу фон Неймана (одинарные линии показывают управляющие связи, пунктир – информационные).

Архитектура современных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название системная магистраль).

ПК – универсальная техническая система. Его конфигурацию можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают следующие устройства:

• системный блок;

• монитор;

• клавиатура;

Также обычно присутствует манипулятор с названием «мышь» и принтер для распечатывания текстов и рисунков.

Системный блок

Системный блок представляет собой особый узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

Системный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к источнику питания – сети переменного тока. В новых компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируется в одном корпусе.

Внутренние устройства системного блока

Внутри системного блока находится блок питания, материнская плата, винчестер, видеокарта и еще несколько контроллеров – небольших плат с микросхемами, которые помогают процессору управлять принтером, мышью, дисководами и т.д. Плата, на которой установлен процессор, называется Материнская плата – основная плата ПК. На ней размещаются: процессор, микропроцессорный комплект (чипсет), шины( магистраль или системная шина), оперативная память (ОЗУ), ПЗУ, разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты), устройства внешней памяти.

Центральный процессор – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логических операций, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• устройства управления;

• АЛУ;

• шины данных и шины адресов;

• регистры;

• счетчики команд;

• кэш –память;

• генератор тактовой частоты (ГТЧ).

Устройства управления (УУ) организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время ее работы.

АЛУ выполняеет арифметичесие и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.

Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, снхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.

Процессоры характеризуются рядом параметров. Основными считаются: тактовая частота и длина машинного слова. Также характеристиками ПК являются производительность (скорость работы) и объемы памяти для хранения данных. Количество тактовых импульсов, вырабатываемых тактовым генератором в секунду, называется тактовой частотой компьютера. Скорость работы – быстродействие – компьютера тесно связана с его тактовой частотой и определяется количеством команд (операций), выполняемых компьютером за одну секунду.

Машинным словом называется наибольшая группа байтов, которая может быть обработана процессором за один машинный такт. Количество байт в машинном слове называется длиной машинного слова.

• Микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющий работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

• Шины( магистраль или системная шина) – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников – шине данных передается обрабатываемая информация, по другой – шине адреса – адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали – шина управления, по ней передаются управляющие сигналы

Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины. Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.

Число проводов в шине называется ее разрядностью. Разрядность адресной шины определяется максимально возможный для данной машины объема адресного пространства, то есть максимально возможный объем оперативной памяти.

В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие.

Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок – контроллер (другие названия – адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъемы – слоты.

Программное управление работой периферийного устройства производится через программу – драйвер, которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.

Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM-порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объемы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT-порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объемы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.

Организация памяти компьютера. Виды памяти.

Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Важная характеристика модулей памяти — время доступа к данным.

Кэш-память

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память.

Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом “зашивается” в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS.

BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для:

• автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;

• загрузки операционной системы в оперативную память.

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти

Внешняя память

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:

В состав внешней памяти компьютера входят:

• накопители на жёстких магнитных дисках;

• накопители на гибких магнитных дисках;

• накопители на компакт-дисках;

• накопители на магнито-оптических компакт-дисках;

• DVD – многофункциональный цифровой оптический диск с высокой плотностью записи информации;

• накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.