Сучасні багаторівневі машини
Більшість сучасних комп’ютерів складається з двох та більше рівнів. Існують машини навіть з шістьма рівнями (рис. 1).
Рис.1. Комп’ютер із шістьма рівнями
Рівень 0 – апаратне забезпечення машини. На цьому рівні електронні схеми виконують програми, що написані на мові рівня 1. взагалі доцільно сказати про існування ще одного рівня, який розміщується нижче нульового рівня. Він називається рівнем фізичних пристроїв. На даному рівні знаходяться транзистори, що є примітивом для розробників комп’ютерів.
На нульовому рівні об’єкти називаються вентилями. Хоча вентилі і складаються із аналогових компонентів, таких як транзистори, їх можна точно змоделювати як цифрові засоби. У кожного вентиля є один або декілька вхідних даних (сигналів які, є 0 або 1). Вентиль обчисляє прості функції цих сигналів, тобто І чи АБО. Кожен вентиль складається із декількох транзисторів. Декілька вентилів складають 1 біт пам’яті, який може вміщати 0 або 1. Біти пам’яті, які об’єднуються в групи по 16, 32, 64 , є регістрами. Кожен регістр може вміщати в себе одне вдоїчне число до визначеної границі.
На мікроархітектурному рівні існує сукупність 8 або 32 регістрів, що формують локальну пам'ять та схему, що називається арифметично-логічним пристроєм (АЛП). АЛП виконує прості арифметичні операції. Регістри разом із АЛУ формують тракт даних, по якому надходять дані. Основна операція тракта даних полягає в наступному: обирається один або два регістра, АЛП виконує над ними арифметичну операцію, наприклад, додавання, а результат надходить в один із цих регістрів.
Наступний рівень називається рівнем архітектури системи команд. Кожен виробник надає керівництво для користувачів комп’ютерів, які він продає. Дані керівництва і вміщують в себе інформацію про цей рівень.
Наступний рівень є гібридним. Більшість команд є із попереднього рівня,проте існують і додаткові особливості: набір нових команд, інша організація пам’яті, здатність виконувати дві та більше програм одночасно, тощо.
Між третім та четвертим рівнем існує значна різниця. Перші три рівні конструюються не для того, щоб з ними працював звичайний програміст. Вони необхідні для роботи інтерпретаторів та трансляторів, що підтримують більш високі рівні. Нагадаємо, інтерпретатором називається програма, що здійснює інтерпретацію. В даному випадку розглядається задача, коли програми чи команди, що написані на машинній мові, використовують як вхідні дані програми чи команди, написані на будь-якій мові, зручній для людини, як початкові дані, і розглядає кожну команду по черзі та зразу виконує еквівалентний набір команд машинної мови. Даний метод називається інтерпретацією.
Транслятором називається програма, що здійснює трансляцію. Трансляцією називається технологія заміни кожної команди, написаної на будь-якій мові, зручної для людини, на еквівалентний набір команд чи програм, написаних на машинній мові.
Ці транслятори та інтерпретатори складаються так званими системними програмістами, які спеціалізуються по розробці та побудові нових віртуальних машин. Нагадаємо, що віртуальною машиною є представлення гіпотетичного комп’ютера, для якого машинною мовою є мова, зручна для людини.
Рівні з четвертого та вище призначені для прикладних програмістів, які вирішують конкретні задачі.
Четвертий рівень являє собою символічну форму одної із мов нижчого рівня. На цьому рівні можна писати програми в задовільній для людини формі. Ці програми спочатку транслюються на мову рівня 1, 2 чи 3, а потім інтерпретуються відповідною віртуальною або фізично існуючою машиною.
П’ятий рівень складається, як правило, із мов, які розроблені для прикладних програмістів. Такі мови називаються мовами високого рівня. Їх існує більше сотні. Це й BASIG, i C, і C++, тощо. Програми, написані на цих мовах, як правило, транслюються на рівень 3 або 4. транслятори, що обробляють ці програми, називаються компіляторами.
Таким чином, можна зробити висновок: комп’ютер проектується як ієрархічна структура рівнів, кожен із яких надбудовується над попереднім. Кожен рівень є абстракцією з різними об’єктами та операціями.
Набір даних, операцій та особливостей кожного рівня називається архітектурою. Вивченням того, як розроблюються ті частини комп’ютерної системи, що видно програмістам, називається вивченням комп’ютерної архітектури.
В принципі, терміни «комп’ютерна архітектура» та «комп’ютерна організація» пояснюють одне і теж.
Розглядаючи історію розвитку багаторівневих машин, видно, як кількість та природа рівнів змінюється з роками. Програми, що написані на машинній мові (рівень 1), можуть зразу виконуватись електронними схемами комп’ютера (рівень 0). Ці електронні схеми разом із пам’яттю та засобами введення – виведення складають апаратне забезпечення. Таким чином, апаратним забезпеченням є: інтегральні схеми, печатні плати, кабелі, джерела електроживлення, запам’ятовуючі пристрої, принтери. Абстрактні поняття, алгоритми та команди не відносяться до апаратного забезпечення.
Програмне забезпечення, навпаки, складається із алгоритмів та програм.
В найперших комп’ютерах границя між апаратним та програмним забезпеченням була очевидною. З часом відбувається значне розмиття цієї границі завдяки тому, що в процесі розвитку комп’ютерів рівні прибавлялись, зникали, об’єднувались. Зараз досить складно відділити їх один від іншого. Будь-яку операцію, що виконується програмним забезпеченням, можна закласти в апаратне забезпечення. І навпаки, будь-яка команда, що виконується апаратним забезпеченням, можна змоделювати програмним забезпеченням.
Розглядаючи вузли та характеристики представленого на рекламі комп'ютера, ми не
обговорювали питання організації його роботи та вплив цих характеристик на ефективність
вирішення задач, що буде зроблено далі в цій книзі.
Обговорюючи принципи роботи комп'ютера, ми будемо показувати його вузли та
елементи схематично, не завжди вникаючи в питання їх фізичної реалізації. Але для
того, щоб мати загальну уяву про конструкцію комп'ютера, подивимось як виглядають
компоненти сучасного персонального комп'ютера (рис. 1.14).ізних елементів. Це, зокрема, блок живлення, який представляє собою металевий корпус
з вбудованим вентилятором, різні типи дискової пам'яті, включаючи накопичувачі на жорсткому
та гнучкому магнітних дисках, привід CD-ROM/RW чи DVD-ROM/RW. Всі компоненти
комп'ютера, включаючи процесор та пам'ять, об'єднує системна плата. На рис. 1.14
показано системну плату Intel D850 з тлумаченням найважливіших компонентів.
Порти введення-виведення зверху плати забезпечують зв'язок комп'ютера з зовнішніми
вузлами типу мікрофона та інших звукових пристроїв, миші, клавіатури, з
40
локальною обчислювальною мережею та іншими пристроями, які під'єднують через послідовний,
паралельний та USB порти. Контролер введення-виведення, який входить
до складу інших, крім процесора, пам'яті та відео, мікросхем системної плати (chipset),
дозволяє всім з'єднаним пристроям функціонувати без конфліктів. Гнізда (слоти) для
підключення до шини PCI (Peripheral Component Interconnect) дозволяють розширення
плат, які належать до різних пристроїв, підключених до шини PCL Це 32-розрядна локальна
шина для пересилання даних між процесором та зовнішніми пристроями (диски,
відеоадаптер тощо) з швидкістю до 132 Мбіт/с. На материнській платі розташовують
зазвичай 3-4 гнізда шини PCL Слот AGP (Accelerated Graphic Port - прискорений графічний
порт) призначений для включення графічної карти. Також є два блоки основної
пам'яті та контролер пам'яті. Тут відсутній процесор, який повинен бути встановлений
в материнську плату, але є гніздо під нього. В нижньому лівому куті розміщена внутрішня
батарея живлення для зберігання настройок BIOS. Ця плата має також два роз'єми
для підключення жорсткого диска або приводу C D - R O M / RW чи DVD-ROM/RW, і один
роз'єм для підключення гнучкого диска.
Комп'ютер продається з записаним в постійну пам'ять програмним забезпеченням,
до якого належать POST (Power-On-Self-Test) та BIOS (Base Input/Output Systems). При
включенні комп'ютера відбувається тестування пам'яті, клавіатури, дисків і деяких інших
компонентів комп'ютера. Після цього викликається операційна система, яка завантажується
та оживляє комп'ютер.
