4 Архитектура компьютера

Архитектура ЭВМ – это общее описание структуры, ресурсов и функций ЭВМ.

Архитектура определяет пользовательские возможности, систему команд, способ организации памяти и т.д. Общность архитектуры обеспечивает совместимость компьютеров с точки зрения пользователя.

Наиболее распространенные типы архитектуры:

1) Классическая (она же архитектура фон Неймана, или Принстонская). Это последовательная архитектура: каждый байт обрабатываемых данных последовательно проходит через центральный процессор.

К этому типу можно отнести и архитектуру персонального однопроцессорного компьютера.

2) Гарвардская. Разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов. Отличительный признак - раздельное хранение и обработка команд и данных. Возможны параллельные потоки данных и команд (несколько фрагментов задачи могут выполняться параллельно).

Варианты параллельной архитектуры (по классификации Флинна):

• SIMD — один поток команд, много потоков данных; (single instruction, multiple data) 

• SISD — один, один;

• MISD — много, один;

• MIMD — много, много.

Виды архитектур определяют, также:

по разрядности интерфейсов и машинных слов: (например, 8-, 16-, 32-64-разрядные;

по особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

• RISC- Reduced Instruct Set Computers — компьютеры с упрощенным набором команд процессоров (команды одинаковой длины);

• CISC- Complex Instruction Set Computers - компьютеры со сложным набором команд (команды разной длины);

по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные.

Примечание

Микропроцессоры семейства x86 являются типичными представителями CISC, однако эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд: в начале процесса исполнения сложные команды разбиваются на более простые микрооперации, исполняемые RISC-ядром.

Архитектуры вычислительных систем закрытого и открытого типов

Устройства системного блока:

Материнская плата

Процессор

Шинные интерфейсы материнской платы

Оперативная память

Микросхема ПЗУ и система BIOS

Энергонезависимая память CMOS

Жесткий диск

Дисковод компакт-дисков CD-ROM

Материнская плата (mother board)

Это основная плата персонального компьютера, (лист стеклотекстолита, покрытый медной фольгой). Путем травления фольги получают тонкие медные проводники, соединяющие электронные компоненты.

На материнской плате размещаются:

• Процессор,

• шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

• оперативная память (ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;

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

• разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Процессор

Основными параметрами процессоров являются:

• рабочее напряжение,

• разрядность,

• рабочая тактовая частота,

• коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты,

• размер кэш-памяти

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата

(их надо выбирать совместно).

Разрядность процессора сколько бит данных он может обработать за один такт.

Чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают кэш-память «сверхоперативную память».

Процессор сначала обращается в кэш-память, а если там нужных данных нет, - в оперативную память. Процент «попаданий в кэш» тем выше, чем больше размер кэш-памяти.

Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память.

Кэш-память

Часто кэш-память распределяют по уровням.

Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт.

Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, на отдельном кристалле.

Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Шинные интерфейсы материнской платы

Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета).

Шинные интерфейсы: