Bilgisayar cihazları göz önüne alındığında, mimarileri ve yapıları arasında ayrım yapmak yaygındır. Mimari Bir bilgisayar, kullanıcı programlama yeteneklerinin bir tanımını da içeren, genel düzeydeki tanımıdır, komuta sistemleri adresleme sistemleri, hafıza organizasyonu vb. Mimari, bir bilgisayarın ana mantıksal düğümlerinin çalışma prensiplerini, bilgi bağlantılarını ve ara bağlantılarını belirler: işlemci, RAM, harici depolama ve çevresel aygıtlar. Mimarinin ortaklığı farklı bilgisayarlar Kullanıcı açısından uyumluluklarını sağlar. Yapı Bilgisayar, işlevsel öğelerinin ve aralarındaki bağlantıların bir kümesidir. Elementler en fazla olabilir çeşitli cihazlar- bir bilgisayarın ana mantıksal düğümlerinden en basit devrelere kadar. Bir bilgisayarın yapısı grafiksel olarak şu şekilde temsil edilir: blok diyagramları, bir bilgisayarı herhangi bir ayrıntı düzeyinde tanımlayabilirsiniz. En yaygın mimari çözümler şunlardır:

1. Klasik mimari (von Neumann mimarisi) - içinden veri akışının geçtiği bir aritmetik-mantıksal birim (ALU) ve içinden komut akışının geçtiği bir kontrol cihazı (CU). Bu tek işlemcili bir bilgisayardır. Bu mimari türü aynı zamanda mimariyi de içerir. kişisel bilgisayar ortak bir otobüsle. Buradaki tüm fonksiyonel bloklar, sistem veri yolu olarak da adlandırılan ortak bir veri yolu ile birbirine bağlanır. Ana hat kabloları seti ayrı gruplara ayrılmıştır: adres veri yolu, veri yolu ve kontrol veri yolu. Çevresel aygıtlar bilgisayar donanımına özel denetleyiciler aracılığıyla bağlanır - çevresel ekipmanı veya iletişim kanallarını merkezi işlemciye bağlayan ve işlemciyi bu ekipmanın çalışmasının doğrudan kontrolünden kurtaran bir kontrol cihazı.

Ortak otobüs

2. Çok işlemcili mimari. Bir bilgisayarda birden fazla işlemcinin bulunması, birçok veri akışının ve birçok komut akışının paralel olarak düzenlenebileceği anlamına gelir ( Bir görevin birkaç parçası paralel olarak işlenebilir). Böyle bir makinenin yapısı ortak bir RAM'e ve birkaç işlemciye sahiptir. Bu mimari, büyük miktarda hesaplama gerektiren sorunları çözmek için kullanılır.

3. Çok makineli bilgi işlem sistemi. Burada, bir bilgisayar sistemine dahil olan birkaç işlemcinin ortak bir RAM'i yoktur, ancak her birinin kendine ait ( yerel). Çok makineli sistemlerde tek bir bilgisayar klasik bir mimariye sahiptir ve böyle bir sistem oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak böyle bir bilgi işlem sisteminin kullanılmasının etkisi ancak şu durumlarda elde edilebilir: problem çözme, özel bir yapıya sahiptir: sistemdeki bilgisayar sayısı kadar gevşek bağlı alt göreve bölünmelidir.

Modern arabalar genellikle çeşitli mimari çözümlerin unsurlarını içerir. Ayrıca dikkate alınanlardan kökten farklı mimari çözümler de var.

VM sınıflandırması

Özelliklerin ve karakteristiklerin çeşitliliği, bilgisayarların farklı sınıflandırma türlerine yol açar. Bunlar ayrılır: geliştirme aşamalarına, çalışma prensibine, amaca, performans ve işlevselliğe, çalışma koşullarına, işlemci sayısına vb. Bilgisayar sınıfları arasında net sınırlar yoktur.Yapılar ve üretim teknolojileri geliştikçe yeni bilgisayar sınıfları ortaya çıkar ( ve mevcut sınıfların sınırları önemli ölçüde değişiyor).

1. Çalışma prensibine göre Bilgisayarlar üç büyük sınıfa ayrılır: analog (AVM), dijital (DVM) ve hibrit (GVM). AVM'ler sürekli olarak sunulan bilgilerle çalışan sürekli bilgi işlem makineleridir ( analog) formu, yani herhangi bir fiziksel miktarın sürekli bir değer dizisi biçiminde( mekanik darbe, hareket, elektrik voltajı vb.). Dijital bilgisayarlar, ayrık veya daha doğrusu dijital biçimde sunulan bilgilerle çalışan ayrı bilgisayarlardır. GVM'ler hem dijital hem de analog formlarda sunulan bilgilerle çalışan birleşik eylem bilgisayarlarıdır ( AVM ve TsVM'nin avantajlarını birleştirin). Karmaşık teknik sistemlerin yönetiminde kullanılırlar.

2. Amaca göre bilgisayarlar üç gruba ayrılır: evrensel ( genel amaçlı), problem odaklı ve uzmanlaşmıştır.

Evrensel bilgisayarlar en çok çözmek için tasarlanmıştır farklı görevler: ekonomik, matematiksel, bilgi ve diğerleri, algoritmaların karmaşıklığı ve büyük miktarda işlenmiş veri ile karakterize edilir.

Üniversal makinelerin karakteristik özellikleri şunlardır:

· yüksek performans;

· işlenmiş veri biçimlerinin çeşitliliği: ikili, ondalık, sembolik, bunların değişikliklerinin geniş bir aralığı ve temsillerinin yüksek doğruluğu;

· aritmetik, mantıksal ve özel olarak gerçekleştirilen geniş kapsamlı işlemler;

· geniş kapasite rasgele erişim belleği;

· Bilgi giriş-çıkış sisteminin gelişmiş organizasyonu.

Problem odaklı bilgisayarlar, kural olarak teknolojik nesnelerin yönetimiyle ilgili daha dar kapsamlı sorunları çözmek için kullanılır; nispeten küçük miktarlardaki verilerin kaydedilmesi, biriktirilmesi ve işlenmesi; nispeten basit algoritmalar kullanarak hesaplamalar yapmak. Evrensel makinelere göre sınırlı donanım ve yazılım kaynaklarına sahiptirler. Sorun odaklılığa doğru bilgisayarlarözellikle her türlü kontrol bilgisayar sistemini içerebilir (ACSTP, CAD).

Özel bilgisayarlar, dar bir yelpazedeki sorunları çözmek veya kesin olarak tanımlanmış bir işlev grubunu uygulamak için kullanılır. Bu kadar dar bir yönelim, yapıyı açıkça uzmanlaştırmalarına, operasyonlarının yüksek üretkenliğini ve güvenilirliğini korurken karmaşıklıklarını ve maliyetlerini önemli ölçüde azaltmalarına olanak tanır. Özel makineler, örneğin bireysel basit işlemler için mantıksal kontrol işlevlerini gerçekleştiren özel amaçlı programlanabilir mikroişlemcileri içerir. teknik cihazlar, birimler ve süreçler.

3. Boyuta ve işlevselliğe göre bilgisayarlar ultra büyük ( Süper bilgisayar) - karmaşık ve büyük ölçekli bilimsel sorunları çözmek için kullanılan çok işlemcili ve (veya) çok makineli kompleksler - yönetim, istihbarat, merkezi bilgi depoları vb. Büyük ( ana bilgisayarlar) - çok çeşitli bilimsel ve teknik sorunları çözmek için tasarlanmıştır. Küçük ( yapısal olarak tek bir rafta yapılmıştır). Çok küçük ( mikrobilgisayar).

Bazen sınıflandırmanın başka kriterlere göre yapıldığını unutmayın: örneğin eleman tabanı, tasarım vb.

Bilgisayar özellikleri her türden teknik ve ekonomik özellikleri kullanılarak değerlendirilir; bunların başlıcaları: işletme kaynakları ( uygulanan operasyonların sayısı, veri sunum biçimleri ve adresleme yöntemleriyle karakterize edilir), hafıza kapasitesi ( bilgi depolamak için kullanılan bellek hücrelerinin toplam sayısına göre belirlenir), verim( 1 saniyede gerçekleştirilen toplama gibi kısa işlemlerin sayısına göre belirlenir), güvenilirlik( iki arıza arasındaki ortalama çalışma süresi), fiyat( bunlar donanım ve temel bilgisayar yazılımı satın almanın toplam maliyetinin yanı sıra işletme maliyetleridir).

Makale

Konu: ''Bilgisayar mimarisi ve temel özellikleri''.

giriiş

Elektronik bilgisayarlar (bilgisayarlar) veya artık daha sık adlandırıldığı gibi bilgisayarlar, insanın en şaşırtıcı yaratımlarından biridir. Dar anlamda bilgisayarlar, çeşitli hesaplama türlerini gerçekleştiren veya bu işlemi kolaylaştıran cihazlardır. Benzer amaçlara hizmet eden en basit cihazlar, birkaç bin yıl önce eski zamanlarda ortaya çıktı. İnsan uygarlığı geliştikçe yavaş yavaş gelişti ve sürekli olarak gelişti. Ancak yalnızca Yüzyılımızın 40'lı yılları Modern mimariye ve modern mantığa sahip bilgisayarların yaratılmasının başlangıcı atıldı. Bu yıllar haklı olarak modern (doğal olarak elektronik) bilgisayarların doğuş zamanı olarak düşünülebilir.

Bir bilgisayarın hem etkili hem de çok yönlü bir araç olabilmesi için şu yapıları içermesi gerekir: merkezi bir aritmetik-mantıksal birim (ALU), işlemleri "yürüten" bir merkezi kontrol birimi (CU), bir depolama aygıtı veya bellek ve giriş/çıkış aygıtları.

Von Neumann, bu sistemin ikili sayılarla çalışması, mekanik değil elektronik olması ve işlemleri ardı ardına gerçekleştirmesi gerektiğini kaydetti.

Prensipler Von Neumann tarafından oluşturulan genel kabul gördü ve hem ilk nesil büyük bilgisayarların hem de daha sonraki mini ve mikro bilgisayarların temelini oluşturdu. Her ne kadar son zamanlarda klasik prensipler dışındaki prensipler üzerine inşa edilmiş bilgisayarlar için aktif bir araştırma yapılmış olsa da, çoğu bilgisayar Neumann tarafından tanımlanan prensiplere göre inşa edilmiştir.

Bilgisayar mimarisi ve yapısı

Bilgisayar teknolojisinin temel özellikleri

Bilgisayar teknolojisinin temel özellikleri; hız, bellek kapasitesi, hesaplama doğruluğu vb. gibi operasyonel ve teknik özelliklerini içerir.

Bilgisayar performansı iki açıdan ele alınır. Bir yandan, merkezi işlemcinin saniyede gerçekleştirdiği temel işlemlerin sayısıyla karakterize edilir. Temel işlem, toplama, aktarma, karşılaştırma vb. gibi herhangi bir basit işlem olarak anlaşılır. Öte yandan, bir bilgisayarın hızı, belleğinin organizasyonuna önemli ölçüde bağlıdır. Gerekli bilgiyi bellekte aramak için harcanan süre, bilgisayarın hızını önemli ölçüde etkiler.

Uygulama alanına bağlı olarak saniyede birkaç yüz binden milyarlarca işlem hızına kadar değişen hızlarda bilgisayarlar üretilmektedir. Karmaşık sorunları çözmek için, birkaç bilgisayarı gerekli toplam hıza sahip tek bir bilgi işlem kompleksinde birleştirmek mümkündür.

Hızın yanı sıra kavram da sıklıkla kullanılıyor verim. Birincisi esas olarak bilgisayarda kullanılan öğeler sistemi tarafından belirlenirse, ikincisi mimarisi ve çözülen problem türleriyle ilişkilidir. Bir bilgisayar için bile hız gibi bir özellik sabit bir değer değildir. Bu bağlamda, şunları ayırt ederler: RAM'e erişim dikkate alınmadan işlemci saat frekansı tarafından belirlenen en yüksek performans; RAM'e erişim süresi dikkate alınarak belirlenen nominal performans; bilgi işlem sürecini organize etmenin sistem maliyetleri dikkate alınarak belirlenen sistem performansı; operasyonel, çözülmekte olan görevlerin niteliği (operasyonların bileşimi veya bunların “karışımı”) dikkate alınarak belirlenir.

Belleğin kapasitesi veya hacmi bilgisayarın belleğinde saklanabilecek maksimum bilgi miktarına göre belirlenir. Tipik olarak bellek kapasitesi bayt cinsinden ölçülür. Daha önce de belirtildiği gibi, bilgisayar belleği dahili ve harici olarak ayrılmıştır. Dahili veya rastgele erişimli belleğin boyutu farklı makine sınıflarına göre değişir ve bilgisayarın adresleme sistemi tarafından belirlenir. Blok yapısı ve çıkarılabilir sürücü tasarımları nedeniyle harici belleğin kapasitesi neredeyse sınırsızdır.

Hesaplama doğruluğu bir sayıyı temsil etmek için kullanılan basamak sayısına bağlıdır. Modern bilgisayarlar, çok çeşitli uygulamalarda yüksek hesaplama doğruluğu sağlamak için oldukça yeterli olan 32 veya 64 bit mikroişlemcilerle donatılmıştır. Ancak bu yeterli değilse ikili veya üçlü bit ızgarası kullanabilirsiniz.

Komuta sistemi- bu, bilgisayar işlemcisinin yürütebileceği komutların bir listesidir. Komut sistemi, işlemcinin hangi belirli işlemleri gerçekleştirebileceğini, komutta kaç işlenenin belirtilmesi gerektiğini ve komutun onu tanıması için hangi türde (biçimde) olması gerektiğini belirler. Ana komut türlerinin sayısı azdır. Bilgisayarlar onların yardımıyla toplama, çıkarma, çarpma, bölme, karşılaştırma, hafızaya yazma, sayıları kayıt defterinden kayıt defterine aktarma, bir sayı sisteminden diğerine dönüştürme vb. işlemleri gerçekleştirebilir. Gerektiğinde komutlarda değişiklik yapılır. hesaplamaların özelliklerini dikkate alarak. Tipik olarak, bir bilgisayar onlarca ila yüzlerce komut kullanır (değiştirilmeleri dikkate alınarak). Bilgisayar teknolojisinin gelişiminin şu andaki aşamasında, bir işlemci talimat sistemi oluşturulurken iki ana yaklaşım kullanılmaktadır. Bir yandan bu, tam bir talimat setine sahip işlemcilerin geliştirilmesiyle ilişkili geleneksel yaklaşımdır - CISC (Tam Komut Seti Bilgisayarı) mimarisi. Öte yandan, bu, işlemci donanımını basitleştirmeyi ve performansını artırmayı mümkün kılan, basit ancak sık kullanılan talimatların azaltılmış bir setinin bir bilgisayarda uygulanmasıdır - RISC mimarisi (İndirgenmiş Komut Seti Bilgisayarı - bir bilgisayar). azaltılmış talimat seti).

Bilgisayar maliyeti başta hız, bellek kapasitesi, komut sistemi vb. olmak üzere birçok faktöre bağlıdır. Bilgisayarın özel konfigürasyonu ve her şeyden önce makineye dahil edilen harici aygıtların maliyet üzerinde büyük etkisi vardır. Son olarak, yazılımın maliyeti bilgisayarın maliyetini önemli ölçüde etkiler.

Bilgisayar güvenilirliği- Bu, bir makinenin belirli çalışma koşulları altında özelliklerini belirli bir süre boyunca koruyabilme yeteneğidir. Aşağıdaki göstergeler, arızası tüm makinenin arızasına yol açan unsurları içeren bir bilgisayarın güvenilirliğinin niceliksel bir değerlendirmesi olarak hizmet edebilir:

Verilen çalışma koşullarında belirli bir süre boyunca hatasız çalışma olasılığı;
bilgisayarın arızalar arasındaki ortalama süresi;
bir makineyi geri yüklemek için ortalama süre vb.

Bilgisayar kompleksi veya sistemi gibi daha karmaşık yapılar için “başarısızlık” kavramının bir anlamı yoktur. Bu tür sistemlerde, bireysel elemanların arızaları, bir bütün olarak performansın tamamen kaybolmasına değil, çalışma verimliliğinde hafif bir düşüşe yol açar.

Bilgisayar teknolojisinin diğer özellikleri de önemlidir, örneğin: çok yönlülük, yazılım uyumluluğu, ağırlık, boyutlar, enerji tüketimi vb. Bilgisayar uygulamasının belirli alanlarını değerlendirirken bunlar dikkate alınır.

Kaynakça

Bukchin L.V., Bezrukiy Yu.L. Disk sistemi IBM - uyumlu bilgisayarlar. - M .: Binom, 1993. - 284 s.

Lagutenko O.I. Modemler. Kullanıcı Kılavuzu. - St. Petersburg: Lan, 1997. - 364

Bilgisayar Bilimi. Temel kurs

Simonovich S.V. ve diğerleri - St. Petersburg: Peter Yayınevi, 2000.

Ugrinovich N.D. Bilgisayar bilimi ve bilgi teknolojisi. öğretici 10-11 sınıflar için. İleri düzey kurs. - M .: Temel Bilgi Laboratuvarı, 2000.

A. A. Smirnov Bilgisayar Sistemleri Mimarisi, M. Nauka, 1990

Özet 1

Giriş 2

Bilgisayarın mimarisi ve yapısı 3

Bilgisayar... konsepti mimari bilgisayar içeriği oldukça geniştir. Mimari bilgisayar - ... özellikler bilgisayar, tanımlayan o yapı: teknik ve operasyonel özellikler bilgisayar ...

Yapı Bilgisayar, işlevsel öğelerinin ve aralarındaki bağlantıların bir kümesidir. Öğeler, bir bilgisayarın ana mantıksal düğümlerinden en basit devrelere kadar çok çeşitli cihazlar olabilir. Bir bilgisayarın yapısı, bilgisayarı herhangi bir ayrıntı düzeyinde tanımlayabileceğiniz yardımıyla blok diyagramlar şeklinde grafiksel olarak temsil edilir.

Mimari Bir bilgisayar, kullanıcı programlama yeteneklerinin, komut sistemlerinin, adresleme sistemlerinin, bellek organizasyonunun vb. bir açıklaması da dahil olmak üzere genel düzeyde temsili olarak kabul edilir. Mimari, çalışma ilkelerini, bilgi bağlantılarını ve ana mantıksal düğümlerin ara bağlantılarını belirler. bilgisayar: işlemci, rastgele erişim belleği (RAM, OP), harici depolama ve çevre birimleri. Farklı bilgisayarların ortak mimarisi, kullanıcı açısından uyumluluklarını sağlar.

Von Neumann'ın ilkeleri

Çoğu bilgisayarın mimarisi aşağıdakilere dayanmaktadır: Genel İlkeler 1945 yılında Amerikalı bilim adamı John von Neumann tarafından EEUAS bilgisayarıyla ilgili bir raporda formüle edilmiştir:

• program kontrolü ilkesi. Bundan, programın işlemci tarafından belirli bir sırayla birbiri ardına otomatik olarak yürütülen bir dizi komuttan oluştuğu anlaşılmaktadır. Bir programın bellekten alınması kullanılarak yapılır. program sayıcı(SchAK). Bu işlemci kaydı, içinde saklanan bir sonraki talimatın adresini sırayla artırır. Bir komut yürütüldükten sonra bir sonrakine değil de başka bir komuta geçmek gerekiyorsa, komutlar kullanılır. koşullu veya koşulsuz geçişler, komut sayacına bir sonraki komutu içeren hafıza hücresinin numarasını giren;
• hafıza homojenliği ilkesi - programlar ve veriler aynı hafızada saklanır. Bu nedenle bilgisayar, belirli bir bellek hücresinde saklananları (sayı, metin veya komut) ayırt etmez. Verilerde olduğu gibi komutlarda da aynı eylemleri gerçekleştirebilirsiniz. Örneğin, yürütülmesi sırasında bir program, bazı parçalarını programın kendisinde elde etmek için kurallar belirlemenize olanak tanıyan işleme tabi tutulabilir (programda döngülerin ve alt rutinlerin yürütülmesi bu şekilde düzenlenir);
• hedefleme ilkesi. Yapısal olarak ana bellek yeniden numaralandırılmış hücrelerden oluşur; Herhangi bir hücre, herhangi bir zamanda işlemcinin kullanımına açıktır. Bu, bellek alanlarını adlandırma yeteneğini ifade eder, böylece içlerinde depolanan değerlere daha sonra atanan adlar kullanılarak programın yürütülmesi sırasında erişilebilir veya değiştirilebilir.

Bu prensipler üzerine inşa edilen bilgisayarlar von Neumann tipindedir. Onlardan temelde farklı olan başka bilgisayar sınıfları da var - von Neumann olmayanlar.

Örneğin, ilişkisel bilgisayarlar, buradaki her talimat bir sonrakinin adresini içerdiğinden (yani, olmadan çalışabilirler) program kontrolü ilkesini takip etmeyebilirler. program sayıcı yürütülmekte olan program komutunu gösterir).

60 yıldan fazla bir süre sonra, çoğu bilgisayar hala "von Neumann mimarisine" sahiptir ve von Neumann ilkeleri aşağıdaki biçimde uygulanmıştır:

• rastgele erişim belleği (RAM) bir koleksiyon halinde düzenlenir sabit uzunlukta veya bit derinliğinde makine kelimeleri (MC)(her bir MS'de bulunan ikili birimlerin veya bitlerin sayısına atıfta bulunur). Örneğin, ilk PC'lerde 8 bit vardı, sonra 16 bit ortaya çıktı ve ardından 32 ve 64 bit makineler ortaya çıktı. Bir zamanlar 45 bit (M-20, M-220), 35 bit (Minsk-22, Minsk-32) ve diğer makineler de vardı;
• OP tek bir adres alanı oluşturur, MS adresleri düşükten yükseğe doğru artar;
• OP hem verileri hem de programları içerir ve veri alanında bir kelime kural olarak bir sayıya karşılık gelir ve program alanında - bir komut (makine talimatı - programın minimum ve bölünmez öğesi);
• komutlar şurada yürütülür doğal dizi(OP'deki adreslerin artan sırasına göre) karşılanana kadar Yönetim ekibi(koşullu/koşulsuz geçiş veya dallanma) bunun sonucunda doğal sıra bozulur;
• CPU, MS'e numara veya talimat almak ve/veya yazmak için OP'deki herhangi bir adrese keyfi olarak erişebilir.

Fonksiyonel bloklar (birimler, cihazlar)

Sırasında mantık kapıları ve düğümler büyük ölçüde evrenseldir ve çeşitli sorunları çözmek için çeşitli kombinasyonlarda kullanılabilir; bilgisayar blokları (birimleri), dar bir görev yelpazesine (işlemlere) odaklanan öğe kompleksleridir (düğümler). ALU, işlemci, bellek bankası, harici cihazlar (düz sürücü vb.) gibi birimler mutlaka (mekanik, optik, elektromanyetik ve diğer ekipmanlar hariç) bilginin depolanması, işlenmesi ve bu süreçlerin kontrol edilmesi için kullanılan mantıksal elemanları ve düğümleri içerir.

Merkezi cihaz(CU) bilgisayarın ana bileşenini temsil eder ve sırasıyla CPU - merkezi işlem birimi (CPU) ve OP - rastgele erişim (ana) belleği veya rastgele erişim belleği - RAM (eş anlamlılar - Ana Depolama, Çekirdek Depolama, Rastgele) içerir. Erişim Belleği - RAM).

İşlemci, bilgi işlem işlemlerini ve bilgi işlem sürecinin kontrolünü doğrudan gerçekleştirir, makine komutlarını ve verileri RAM'den alır, bunları yürütür ve sonuçları OP'ye kaydeder, bilgisayarı açıp kapatır. İşlemcinin ana blokları şunlardır:

• işlemci arayüzüne sahip bir kontrol cihazı (CU) (işlemciyi diğer makine bileşenleriyle arayüzlemek ve iletişim kurmak için bir sistem);
• aritmetik mantık birimi (ALU);
• işlemci belleği (dahili önbellek).

RAM, hesaplamalı ve mantıksal işlemler sırasında veri ve programların geçici olarak depolanması için tasarlanmıştır.

Aritmetik mantık birimi (ALU). Aritmetik ve Mantıksal Birim (ALU) - veriler üzerinde aritmetik ve mantıksal işlemler gerçekleştiren işlemcinin bir parçası.

ALU bir dizi basit işlemi uygular. Aritmetik işlem argümanları ve sonuçları sayılardan (toplama, çıkarma, çarpma, bölme) oluşan bir veri işleme prosedürüdür. Mantıksal bir işlem, karmaşık bir ifadenin (işlemler ve veya değil) oluşturulmasını gerçekleştiren bir prosedürdür. ALU; yazmaçlardan, karşılık gelen mantıksal devrelere sahip bir toplayıcıdan ve yürütülen işlem için bir kontrol ünitesinden oluşur. Cihaz, kendisine verilen ve yazmaçlara yerleştirilen değişkenler üzerinde yapılması gereken işlem kodlarına göre çalışır.

Harici cihazlar (ED). VU'lar bilgisayar ve bilgisayar arasında etkili etkileşim sağlar. çevre- kullanıcılar, kontrol nesneleri, diğer makineler.

Özel bilgisayar kontrollerinde (teknolojik süreçler, iletişim, roketler vb.) harici cihazlar giriş cihazları sensörlerdir (sıcaklık, basınç, mesafe vb.), çıkış cihazları manipülatörlerdir (hidrolik, pnömatik, direksiyon simidi servo sürücüleri, valfler vb.).

Ana bilgisayarlarda (insan-makine bilgi işleme), terminaller, yazıcılar ve diğer cihazlar bilgisayar görevi görür.

Arayüzler (iletişim kanalları) makinenin merkezi bileşenleri ile harici cihazları arasında arayüz oluşturmaya hizmet eder.

Aynı tip CPU ve veri depolama cihazları kullanılabilir. çeşitli türler arabalar Faaliyetlerine kontrol makineleri üretimi ile başlayan, ürünlerini geliştiren, kontrol ünitesi konfigürasyonuna bağlı olarak hem üniversal hem de kontrol makineleri rolünü oynayabilen sistemlerin üretimine geçen şirketlerin nasıl örnekleri var ( Hewlett-Packard makineleri - HP ve Digital Equipment Corporation - DEC).

Soyut merkezi cihaz

Temel kavramları listeleyelim ve aritmetik ve mantık birimi (ALU) tam sayıları ve bit dizilerini işlemek için tasarlanmış soyut merkezi bilgisayar cihazının (Şekil 2.23) yapısını ve işlevlerini ele alalım.

Komut, talimat (talimat) - gerçekleştirilecek işlemin açıklaması. Her komut, yapısını belirleyen bir formatla karakterize edilir. Tipik bir komut şunları içerir:

• gerçekleştirilen eylemin türünü karakterize eden işlem kodu (OPC);
• adres kısmı (A4), genellikle şunları içerir:
• - indeks (IR) ve temel (BR) kayıtların numaraları (adresleri);
• - işlenen adresleri - Al, A2, vb.

CPU döngüsü - kaynak programın komutunun makine biçiminde yürütüldüğü süre; birkaç kişiden oluşur atım

İncelik işlemci çalışması - bitişik darbeler arasındaki zaman aralığı (dahili saatin tik takları) saat üreteci, kimin frekansı saat frekansı işlemci. İşlemci saati (saat döngüsü) - temel bir işlemin (örnekleme, karşılaştırma, veri aktarımı) gerçekleştirildiği bir zaman dilimi.

Bit derinliği

Takım İle+ 1 Takım İle

Adres kısmı (adreslenebilirlik) /

Temel kayıtlar (BR1, BR2, ...)

Dizin kayıtları (IR1, IR2, ...)

Sonuç kaydı

Numara kayıtları (RF1, RF2, ...)

Komut adres kaydı (RAK, SchAK)

Adres kayıtları (PA1, PA2, ...)

Komut Kaydı (RK)

Toplayıcı

Kontrol cihazı (CU)

Pirinç. 2.23. En basit merkezi bilgisayar cihazının yapısı

Verim kısa komut - FT ile aritmetik (sabit nokta - FZ), mantıksal işlem- en az beş saat döngüsü alır (ayrıca bkz. Şekil 3.1):

• komut getirme (Getirme);
• işlem kodu kod çözme/kod çözme (talimat Kod Çözme);
• adres hesaplama ve hafızadan veri alma (Adres Oluşturma, Yükleme)
• işlemin yürütülmesi (Yürütme);
• sonucun belleğe yazılması (Geri yaz, sakla).

Her saat döngüsüne karşılık gelen prosedür, işlemcinin genellikle mikro komut olarak adlandırılan belirli bir mantıksal devresi (devre) tarafından uygulanır.

Kayıtlar - sınırlı boyuttaki verilerin geçici olarak depolanması için tasarlanmış cihazlar (depolama cihazını kaydetme - RSU). Kayıt defterinin önemli bir özelliği, yüksek veri alım ve çıkış hızıdır. Bir kayıt defteri, içine bir kelimenin, talimatın, ikili sayının vb. hızlı bir şekilde yazılabildiği, saklanabildiği ve okunabildiği bitlerden oluşur Tipik olarak bir kayıt, bir makine kelimesiyle aynı bit genişliğine sahiptir.

Bitlerinin içeriğini taşıma yeteneğine sahip bir kayıt defterine denir kırpmak. Bu kayıtlarda, bir saat döngüsünde saklanan sözcük bit düzeyinde bir konum kaydırılır.

Genel amaçlı kayıtlar - RON, ana bellek kayıtları veya kayıt dosyası - RF (Genel Amaçlı Kayıtlar) - belleğe aktarılan veya belleğe alınan verileri geçici olarak içeren kayıtların genel adı.

Komut kaydı(РК, Talimat Kaydı - IR), mevcut işlemci döngüsü sırasında içindeki mevcut talimatı barındırmaya hizmet eder.

Kayıt (RAK), sayaç (SchAK) komut adresleri(program sayacı - PC) - geçerli komutun adresini içeren bir kayıt.

Adres kaydı (sayı) - RA(CH) - yürütülmekte olan komutun işlenenlerinden birinin adresini içerir (birkaç kayıt olabilir).

Numara kaydı (RF) yürütülmekte olan komutun işlenenini içerir; ayrıca bu kayıtlardan birkaçı da vardır.

Sonuç kaydı (RR) Komut yürütmenin sonucunu depolamak için tasarlanmıştır.

Toplayıcı - temsil edilen sayıların veya bit dizilerinin toplama işlemlerini (mantıksal ve aritmetik ikili) gerçekleştiren bir kayıt defteri ileri veya geri kod. Ara verileri saklayan kayıt defterine genellikle denir pil.

Diyagramda işaretlenmeyen başka kayıtlar da var, örneğin durum kaydı - Durum Kaydı (SR) veya bayrak kaydı. Bir SR'nin tipik içeriği, özel komut tamamlama sonuçları (sıfır, taşma, sıfıra bölme, taşıma vb.) hakkındaki bilgilerdir. Kontrol, koşullu atlamaları gerçekleştirmek için SR'den gelen bilgileri kullanır (örneğin, "taşma durumunda, 4170 adresine gidin"). Aşağıda daha ayrıntılı olarak tartışacağız 18086 işlemci kayıtları.

Yürütme Döngüsü kısa komutşöyle görünebilir.

• 1. SchAK içeriğine (sonraki komutun adresi) uygun olarak CU, sonraki komutu OP'den çıkarır ve onu RC'ye yerleştirir. Kontrol ünitesi bazı komutları ALU'nun müdahalesi olmadan bağımsız olarak işler (örneğin, “2478 adresine git” komutu üzerine 2478 değeri hemen ALU'ya girilir ve işlemci bir sonraki komutu yürütmeye başlar.
• 2. Komutun şifresi çözülür (kodu çözülür).
• 3. Al, A2 vb. adresler adres kayıtlarına yerleştirilir.
• 4. Komut IR veya BR'yi belirtiyorsa, içerikleri RA'yı değiştirmek için kullanılır - aslında, komutta belirtilen adrese göre bir yönde veya başka bir yönde kaydırılan sayılar veya komutlar seçilir.
• 5. RA değerlerine göre sayılar (stringler) okunur ve RF'ye yerleştirilir.
• 6. İşlemin gerçekleştirilmesi ve sonucun PP'ye yerleştirilmesi.
• 7. Sonucu adreslerden birine kaydedin (gerekiyorsa).
• 8. SchAK içeriğini birer birer artırın (sonraki komuta geçin).

Açıkçası, kayıt sayısını artırarak mümkün paralelleştirme, örtüşme operasyonlar. Örneğin, bir komut okunurken SchAK otomatik olarak 1 artırılarak bir sonraki komutu getirmeye hazırlanabilir. Mevcut komutun şifresi çözüldükten sonra RC serbest bırakılır ve bir sonraki komut ona okunabilir. Bir işlem gerçekleştirildiğinde, bir sonraki komutun şifresi çözülebilir vb. Bütün bunlar, sözde boru hattı yapılarının inşası için bir ön koşuldur. (boru hattı). Ancak, tüm bunlar yalnızca komutların sıralı (doğal) bir sırayla yürütülmesi durumunda iyidir. Geçişlerin ortaya çıkması (özellikle önceden tanımlanmayan bir durumda) bu tabloyu ihlal etmektedir (özellikle yukarıda bahsedilen SchAK'ın 1 oranında artmasının geçersiz olduğu ortaya çıkmaktadır). Bu nedenle modern işlemciler programdaki geçişleri tahmin etmeye çalışır. (dal tahmini).

Bilgisayar mimarileri

Yıldız mimarisi. Burada işlemci (CU) (Şek. 2.24, A) doğrudan bilgisayara bağlanır ve bunların çalışmasını kontrol eder (makinelerin ilk modelleri). Bu türe aynı zamanda klasik mimari (von Neumann) da denir - tek aritmetik

İşlemci

Ana

PCI-ISA köprüsü

PCI yuvaları

Denetleyici

çevre

Evrensel seri veriyolu

Sistem Yönetim Veriyolu

Pirinç. 2.24. Bilgisayar mimarilerinin ana sınıfları: A- merkezileştirilmiş; B - hiyerarşik; V- ana hat; G - kişisel bilgisayarın genel yapısı (Triton 430 TX mimarisi - Kuzeyköprüsü/

içinden veri akışının geçtiği bir ortak mantıksal birim (ALU) ve içinden komut akışının geçtiği bir kontrol cihazı (CU) - program. Bu tek işlemcili bir bilgisayardır.

Princeton ve Harvard mimarisi. Von Neumann mimarisi genellikle programları ve verileri depolamak için paylaşılan ana belleğin kullanılmasıyla karakterize edilen Princeton mimarisiyle ilişkilendirilir.

Alternatif - Harvard mimarisi (adı, talimatlar için ayrı hafıza kullanan Mark 1 bilgisayarı (1950) ile ilişkilidir), talimat hafızasının (programların) ve veri hafızasının fiziksel olarak ayrılmasıyla karakterize edilir. Her bellek, işlemciye ayrı bir veri yolu ile bağlanır; bu, bir sonraki komutu getirmek ve kodunu çözmek için geçerli komut yürütülürken verilerin eşzamanlı olarak okunmasına ve yazılmasına olanak tanır.

Harvard mimarisi ortaya çıkıyor modern işlemciler CPU önbelleği talimat belleğini (I-Cache) ve veri belleğini (D-Cache) ayırdığında.

Hiyerarşik mimari(Şekil 2.24, B) - Kontrol merkezi, çevresel işlemcilere (yardımcı işlemciler, kanallar, kanal işlemcileri) bağlanır; bu işlemciler de bilgisayar gruplarının bağlı olduğu kontrolörleri (IBM 360-375 sistemleri, ES bilgisayarları);

Omurga yapısı(ortak otobüs - unibas, Şekil 2.24, V).İşlemci (işlemciler) ve bellek birimleri (RAM), tüm aygıtlar (DEC makineleri, IBM PC uyumlu PC'ler) için ortak bir dahili kanal aracılığıyla birbirleriyle ve bilgisayarla (bilgisayarın denetleyicileri) etkileşime girer. Fiziksel olarak otoyol elektronik devreleri bağlamak için soketlere sahip çok telli bir hattır. Ana hatlar seti ayrı gruplara bölünmüştür - adres veri yolu, veri yolu ve kontrol veri yolu.

Bu mimari türü aynı zamanda kişisel bilgisayar (PC) mimarisini de içerir. Elbette bilgisayarın gerçek yapısı (Şekil 2.24, G) teorik şemalardan farklıdır - birbirine köprüler - bellek denetleyicileri (Kuzey Köprüsü) ve çevresel aygıtlar (Güney Köprüsü) ile bağlanan çeşitli veri yolu arayüzlerini kullanır.

60'ların ortasından bu yana bilgisayar yaratma yaklaşımı önemli ölçüde değişti. Donanım ve bazı yazılımların bağımsız olarak geliştirilmesi yerine, bir takım bileşenlerden oluşan bir sistem tasarlanmaya başlandı. donanım Ve yazılım para kaynağı. Aynı zamanda etkileşim kavramı da ön plana çıktı. Temelde yeni bir kavram bu şekilde ortaya çıktı - bilgisayar mimarisi.

Altında bilgisayar Mimarisi donanım organizasyonunun bir dizi genel ilkesi olarak anlaşılır yazılım ve ilgili problem sınıflarını çözerken bilgisayarın işlevselliğini belirleyen özellikleri.

Bilgisayar mimarisi, bir donanım ve yazılım kompleksinin inşasıyla ilgili ve birçok faktörü hesaba katan çok çeşitli sorunları kapsar. Bu faktörler arasında en önemlileri; maliyet, uygulama kapsamı, işlevsellik, kullanım kolaylığıdır ve mimarinin ana bileşenlerinden biri donanımdır. Bilgisayar mimarisinin ana bileşenleri, Şekil 2'de gösterilen bir diyagram şeklinde temsil edilebilir. 1.2.

Pirinç. 1.2. Bilgisayar mimarisinin ana bileşenleri

Bir bilgi işlem tesisinin mimarisi, yapısından ayırt edilmelidir. Bir bilgi işlem aracının yapısı, belirli bir ayrıntı seviyesindeki özel bileşimini (cihazlar, bloklar, düğümler vb.) belirler ve aracın içindeki bağlantıları bütünüyle açıklar. Mimari, bir bilgi işlem aracının bileşenlerinin etkileşimine ilişkin kuralları belirler; bunların açıklaması, etkileşimleri için kuralların oluşturulması için gerekli ölçüde gerçekleştirilir. Tüm bağlantıları düzenlemez, ancak bu aracın daha yetkin kullanımı için bilinmesi gereken en önemli bağlantıları düzenler.

Böylece bilgisayar kullanıcısı elektronik devrelerin hangi elemanlardan oluştuğunu, komutların devrelerde mi yoksa yazılımda mı uygulandığını vb. umursamaz. Önemli olan bilgisayarın belirli yapısal özelliklerinin kullanıcıya sağlanan yeteneklerle ne kadar ilişkili olduğu, Makine oluşturulurken alternatifler uygulanır ve bilgisayarı oluşturan bireysel cihazların özelliklerinin birbiriyle nasıl ilişkili olduğu ve makinenin genel özellikleri üzerinde ne gibi bir etkiye sahip olduğuna ilişkin kararlar hangi kriterlere göre verilir? Başka bir deyişle, bilgisayar mimarisi gerçekten bilgisayarların ve yazılımlarının genel tasarımı ve yapısıyla ilgili bir dizi sorunu yansıtır.

Sadece 100 yıl sonra, ortaya çıkan elektronik cihazlara dayanarak bu fikir Amerikalı matematikçi John von Neumann tarafından geliştirildi. Bilgisayarların büyük çoğunluğunun yapısı, 1945'te kendisi tarafından formüle edilen aşağıdaki genel ilkelere dayanmaktadır.

Öncelikle bilgisayarda aşağıdaki cihazlar bulunmalıdır:

Aritmetik-mantıksal cihaz, aritmetik ve mantıksal işlemlerin gerçekleştirilmesi;

Kontrol cihazı , programın yürütülmesi sürecini düzenleyen;

Bellek cihazı , veya hafıza programları ve verileri depolamak için;

Harici cihazlar Bilgi girişi/çıkışı için.

Bir bilgisayarın çalışması aşağıdaki prensiplere dayanmaktadır:

İkili kodlama ilkesi . Bu prensibe göre bilgisayara giren tüm bilgiler ikili sinyaller kullanılarak kodlanır.

Program kontrol prensibi . Bundan, programın işlemci tarafından belirli bir sırayla birbiri ardına otomatik olarak yürütülen bir dizi komuttan oluştuğu anlaşılmaktadır.

Bellek homojenliği ilkesi . Programlar ve veriler aynı hafızada saklanır. Bu nedenle bilgisayar, belirli bir bellek hücresinde neyin saklandığını (sayı, metin veya komut) ayırt etmez. Verilerde olduğu gibi komutlarda da aynı eylemleri gerçekleştirebilirsiniz.

Hedefleme ilkesi . Yapısal olarak ana bellek numaralı hücrelerden oluşur; Herhangi bir hücre, herhangi bir zamanda işlemcinin kullanımına açıktır.

Bu prensipler üzerine inşa edilen makinelere Von Neumann makineleri denir.

Bilgisayar mimarisi türleri (açık, kapalı, Harvard).

Bilgisayar mimarisi, bilgi işlemeyi belirleyen ve bilgiyi verilere dönüştürme yöntemlerini ve donanım ve yazılım etkileşimine ilişkin ilkeleri içeren bir bilgisayarın kavramsal yapısıdır.

Kapalı mimariler

Bu mimariye göre yapılmış bir bilgisayar, geliştirici tarafından sağlanmayan ek cihazları bağlama olanağına sahip değildir.

Böyle bir bilgisayar mimarisinin büyütülmüş bir diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. 1. RAM, çalıştırılabilir programların komutlarını ve verilerini saklar. Kanal belirli sayıda harici cihazın bağlanmasına izin verir. Kontrol cihazı program komutlarının yürütülmesini sağlar ve tüm sistem düğümlerini kontrol eder.

Pirinç. 1. Kapalı bilgisayar mimarisi

Bu mimariye sahip bilgisayarlar tamamen hesaplamaya dayalı problemlerin çözümünde etkilidir. Ek harici aygıtların bağlanmasını ve bunlarla yüksek hızlı bilgi alışverişini gerektiren bilgisayar teknolojilerinin uygulanması için pek uygun değiller.

Açık mimari bilgi işlem sistemleri

Bu mimari herhangi bir şeye özgürce bağlanmanıza olanak tanır. çevre birimleri, herhangi bir sayıda sensör ve aktüatörün bilgisayara ücretsiz bağlantısını sağlar. Cihazlar bus standardına uygun olarak bus'a bağlandı. Ortak bir veri yolunun kullanımına dayanan açık tip bir bilgisayarın mimarisi Şekil 1'de gösterilmektedir. 2.

Pirinç. 2. Açık bilgisayar mimarisi

Tüm sistemin genel kontrolü merkezi işlemci tarafından gerçekleştirilir. Diğer cihazların bilgi alışverişi yapması için zaman ayırarak paylaşılan veri yolunu yönetir. Depolama cihazı çalıştırılabilir programları ve verileri saklar ve sinyal seviyelerini veri yolunun sinyal seviyeleriyle eşleştirir. Sinyal seviyeleri veri yolu sinyal seviyelerinden farklı olan harici cihazlar, özel bir cihaz - bir kontrolör aracılığıyla ona bağlanır. Kontrolör, cihaz sinyallerini veri yolu sinyalleriyle eşleştirir ve merkezi işlemciden alınan komutlara göre cihazı kontrol eder. İşlemcinin özel kontrol hatları vardır; bu hatlar, işlemcinin bir bellek hücresine mi yoksa harici aygıt denetleyicisindeki bir G/Ç bağlantı noktasına mı eriştiğini belirleyen sinyaldir.

Ortak veri yolu mimarisinin sağladığı avantajlara rağmen, harici cihazların performansı arttıkça ve aralarındaki bilgi alışverişi akışı arttıkça giderek daha belirgin hale gelen ciddi bir dezavantajı da vardır. Farklı hacimlere ve döviz kurlarına sahip cihazlar ortak veriyoluna bağlanır ve bu nedenle "yavaş" cihazlar "hızlı" olanların çalışmasını geciktirir. "Hızlı" cihazların bağlandığı ek bir yerel veri yolunun kullanıma sunulmasıyla bilgisayar performansında daha fazla artış görüldü. Genel ve yerel veriyollarına sahip bir bilgisayarın mimarisi Şekil 1'de gösterilmektedir. 3.

Pirinç. 3. Paylaşımlı ve yerel veriyoluna sahip bilgisayar mimarisi

Veri yolu denetleyicisi, işlemci tarafından iletilen bağlantı noktası adreslerini analiz eder ve bunları genel veya yerel veri yoluna bağlı denetleyiciye iletir.

Yapısal olarak, her cihazın denetleyicisi, merkezi bir işlemci ve bir depolama aygıtıyla ortak bir kart üzerine veya cihaz standart olarak bilgisayara dahil değilse, ortak karttaki özel konektörlere - genişletme yuvalarına yerleştirilen özel bir kart üzerine yerleştirilir. Mikroelektroniğin daha da geliştirilmesi, bir bilgisayarın çeşitli işlevsel bileşenlerini ve standart cihazların kontrolörlerini tek bir VLSI çipine yerleştirmeyi mümkün kıldı. Bu, ortak karttaki yonga sayısını azalttı ve merkezi işlemciyle ve kendi aralarında en büyük değişim hacmine sahip olan bir depolama cihazını ve bir görüntüleme cihazını bağlamak için iki ek yerel veri yolunun tanıtılmasını mümkün kıldı.

Merkezi denetleyici, işlemci, bellek, görüntüleme cihazı ve diğer bilgisayar düğümleri arasındaki bilgi akışlarını dağıtan bir anahtar rolünü oynar.

İşlevsel denetleyici, klavye, fare, yazıcı, modem vb. gibi standart harici aygıtları bağlamak için denetleyiciler içeren bir VLSI'dir. Genellikle bu denetleyici, müzik ve konuşma dosyalarını dinlerken harici hoparlörlerden yüksek kaliteli ses almanızı sağlayan ses kartı gibi bir cihaz içerir.

Harvard mimarisi

Harvard mimarisi, 1930'ların sonlarında Harvard Üniversitesi'nde Howard Aiken tarafından bilgi işlem işlemlerinin hızını artırmak ve bellek performansını optimize etmek amacıyla geliştirildi.

Tipik işlemler (toplama ve çarpma), herhangi bir bilgisayar cihazının çeşitli eylemleri gerçekleştirmesini gerektirir: iki işleneni getirmek, bir talimat seçmek ve onu yürütmek ve son olarak sonucu saklamak. Bellek erişimini uygulamaya yönelik ilgili şemanın bariz bir dezavantajı vardır - yüksek maliyet. Adres ve veri aktarım kanallarını işlemci çipinde ayırırken, ikincisinin iki kat daha fazla pime sahip olması gerekir. Bu sorunu çözmenin bir yolu, tüm harici veriler için ortak bir veri yolu ve adres veriyolu kullanma ve işlemci içinde bir veri yolu, bir komut veriyolu ve iki adres veriyolu kullanma fikriydi. Bu konsepte değiştirilmiş Harvard mimarisi adı verildi.

Genellikle üç bileşenin seçilmesi gerekir - iki işlenen ve bir talimat (dijital sinyal işleme algoritmalarında bu, FFT ve FIR, IIR filtrelerinde en yaygın görevdir). Önbellek bunun içindir. İçinde bir talimat saklanabilir - her iki veri yolu da serbest kalır ve iki işleneni aynı anda iletmek mümkün hale gelir. Bölünmüş veri yolları ile birlikte önbellek kullanımına, genişletilmiş bir Harvard mimarisi olan "Süper Harvard Mimarisi" ("SHARC") adı verilir.

Analog Cihaz işlemcileri buna bir örnektir: ADSP-21xx - değiştirilmiş Harvard Mimarisi, ADSP-21xxx(SHARC) - genişletilmiş Harvard Mimarisi.

60'ların ortasından bu yana bilgisayar yaratma yaklaşımı önemli ölçüde değişti. Donanım ve bazı yazılımların bağımsız olarak geliştirilmesi yerine, bir takım bileşenlerden oluşan bir sistem tasarlanmaya başlandı. donanım Ve yazılım para kaynağı. Aynı zamanda etkileşim kavramı da ön plana çıktı. Temelde yeni bir kavram bu şekilde ortaya çıktı - bilgisayar mimarisi.

Altında bilgisayar Mimarisi İlgili sorun sınıflarını çözerken bilgisayarın işlevselliğini belirleyen, donanım ve yazılımın organizasyonu ve bunların özellikleri için bir dizi genel prensip olarak anlaşılmaktadır.

Bilgisayar mimarisi, bir donanım ve yazılım kompleksinin inşasıyla ilgili ve birçok faktörü hesaba katan çok çeşitli sorunları kapsar. Bu faktörler arasında en önemlileri; maliyet, uygulama kapsamı, işlevsellik, kullanım kolaylığıdır ve mimarinin ana bileşenlerinden biri donanımdır. Bilgisayar mimarisinin ana bileşenleri, Şekil 2'de gösterilen bir diyagram şeklinde temsil edilebilir. 1.2.

Pirinç. 1.2. Bilgisayar mimarisinin ana bileşenleri

Bir bilgi işlem tesisinin mimarisi, yapısından ayırt edilmelidir. Bir bilgi işlem aracının yapısı, belirli bir ayrıntı seviyesindeki özel bileşimini (cihazlar, bloklar, düğümler vb.) belirler ve aracın içindeki bağlantıları bütünüyle açıklar. Mimari, bir bilgi işlem aracının bileşenlerinin etkileşimine ilişkin kuralları belirler; bunların açıklaması, etkileşimleri için kuralların oluşturulması için gerekli ölçüde gerçekleştirilir. Tüm bağlantıları düzenlemez, ancak bu aracın daha yetkin kullanımı için bilinmesi gereken en önemli bağlantıları düzenler.

Böylece bilgisayar kullanıcısı elektronik devrelerin hangi elemanlardan oluştuğunu, komutların devrelerde mi yoksa yazılımda mı uygulandığını vb. umursamaz. Önemli olan bilgisayarın belirli yapısal özelliklerinin kullanıcıya sağlanan yeteneklerle ne kadar ilişkili olduğu, Makine oluşturulurken alternatifler uygulanır ve bilgisayarı oluşturan bireysel cihazların özelliklerinin birbiriyle nasıl ilişkili olduğu ve makinenin genel özellikleri üzerinde ne gibi bir etkiye sahip olduğuna ilişkin kararlar hangi kriterlere göre verilir? Başka bir deyişle, bilgisayar mimarisi gerçekten bilgisayarların ve yazılımlarının genel tasarımı ve yapısıyla ilgili bir dizi sorunu yansıtır.

Sadece 100 yıl sonra, ortaya çıkan elektronik cihazlara dayanarak bu fikir Amerikalı matematikçi John von Neumann tarafından geliştirildi. Bilgisayarların büyük çoğunluğunun yapısı, 1945'te kendisi tarafından formüle edilen aşağıdaki genel ilkelere dayanmaktadır.

Öncelikle bilgisayarda aşağıdaki cihazlar bulunmalıdır:

Aritmetik-mantıksal cihaz, aritmetik ve mantıksal işlemlerin gerçekleştirilmesi;

Kontrol cihazı , programın yürütülmesi sürecini düzenleyen;

Bellek cihazı , veya hafıza programları ve verileri depolamak için;

Harici cihazlar Bilgi girişi/çıkışı için.

Bir bilgisayarın çalışması aşağıdaki prensiplere dayanmaktadır:

İkili kodlama ilkesi . Bu prensibe göre bilgisayara giren tüm bilgiler ikili sinyaller kullanılarak kodlanır.

Program kontrol prensibi . Bundan, programın işlemci tarafından belirli bir sırayla birbiri ardına otomatik olarak yürütülen bir dizi komuttan oluştuğu anlaşılmaktadır.

Bellek homojenliği ilkesi . Programlar ve veriler aynı hafızada saklanır. Bu nedenle bilgisayar, belirli bir bellek hücresinde neyin saklandığını (sayı, metin veya komut) ayırt etmez. Verilerde olduğu gibi komutlarda da aynı eylemleri gerçekleştirebilirsiniz.

Hedefleme ilkesi . Yapısal olarak ana bellek numaralı hücrelerden oluşur; Herhangi bir hücre, herhangi bir zamanda işlemcinin kullanımına açıktır.

Bu prensipler üzerine inşa edilen makinelere Von Neumann makineleri denir.

Bilgisayar mimarisi türleri (açık, kapalı, Harvard).

Bilgisayar mimarisi, bilgi işlemeyi belirleyen ve bilgiyi verilere dönüştürme yöntemlerini ve donanım ve yazılım etkileşimine ilişkin ilkeleri içeren bir bilgisayarın kavramsal yapısıdır.

Kapalı mimariler

Bu mimariye göre yapılmış bir bilgisayar, geliştirici tarafından sağlanmayan ek cihazları bağlama olanağına sahip değildir.

Böyle bir bilgisayar mimarisinin büyütülmüş bir diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. 1. RAM, çalıştırılabilir programların komutlarını ve verilerini saklar. Kanal belirli sayıda harici cihazın bağlanmasına izin verir. Kontrol cihazı program komutlarının yürütülmesini sağlar ve tüm sistem düğümlerini kontrol eder.

Pirinç. 1. Kapalı bilgisayar mimarisi

Bu mimariye sahip bilgisayarlar tamamen hesaplamaya dayalı problemlerin çözümünde etkilidir. Ek harici aygıtların bağlanmasını ve bunlarla yüksek hızlı bilgi alışverişini gerektiren bilgisayar teknolojilerinin uygulanması için pek uygun değiller.

Açık mimari bilgi işlem sistemleri

Bu mimari, herhangi bir sayıda sensörün ve aktüatörün bilgisayara ücretsiz bağlanmasını sağlayan herhangi bir çevresel cihazı serbestçe bağlamanıza olanak tanır. Cihazlar bus standardına uygun olarak bus'a bağlandı. Ortak bir veri yolunun kullanımına dayanan açık tip bir bilgisayarın mimarisi Şekil 1'de gösterilmektedir. 2.

Pirinç. 2. Açık bilgisayar mimarisi

Tüm sistemin genel kontrolü merkezi işlemci tarafından gerçekleştirilir. Diğer cihazların bilgi alışverişi yapması için zaman ayırarak paylaşılan veri yolunu yönetir. Depolama cihazı çalıştırılabilir programları ve verileri saklar ve sinyal seviyelerini veri yolunun sinyal seviyeleriyle eşleştirir. Sinyal seviyeleri veri yolu sinyal seviyelerinden farklı olan harici cihazlar, özel bir cihaz - bir kontrolör aracılığıyla ona bağlanır. Kontrolör, cihaz sinyallerini veri yolu sinyalleriyle eşleştirir ve merkezi işlemciden alınan komutlara göre cihazı kontrol eder. İşlemcinin özel kontrol hatları vardır; bu hatlar, işlemcinin bir bellek hücresine mi yoksa harici aygıt denetleyicisindeki bir G/Ç bağlantı noktasına mı eriştiğini belirleyen sinyaldir.

Ortak veri yolu mimarisinin sağladığı avantajlara rağmen, harici cihazların performansı arttıkça ve aralarındaki bilgi alışverişi akışı arttıkça giderek daha belirgin hale gelen ciddi bir dezavantajı da vardır. Farklı hacimlere ve döviz kurlarına sahip cihazlar ortak veriyoluna bağlanır ve bu nedenle "yavaş" cihazlar "hızlı" olanların çalışmasını geciktirir. "Hızlı" cihazların bağlandığı ek bir yerel veri yolunun kullanıma sunulmasıyla bilgisayar performansında daha fazla artış görüldü. Genel ve yerel veriyollarına sahip bir bilgisayarın mimarisi Şekil 1'de gösterilmektedir. 3.

Pirinç. 3. Paylaşımlı ve yerel veriyoluna sahip bilgisayar mimarisi

Veri yolu denetleyicisi, işlemci tarafından iletilen bağlantı noktası adreslerini analiz eder ve bunları genel veya yerel veri yoluna bağlı denetleyiciye iletir.

Yapısal olarak, her cihazın denetleyicisi, merkezi bir işlemci ve bir depolama aygıtıyla ortak bir kart üzerine veya cihaz standart olarak bilgisayara dahil değilse, ortak karttaki özel konektörlere - genişletme yuvalarına yerleştirilen özel bir kart üzerine yerleştirilir. Mikroelektroniğin daha da geliştirilmesi, bir bilgisayarın çeşitli işlevsel bileşenlerini ve standart cihazların kontrolörlerini tek bir VLSI çipine yerleştirmeyi mümkün kıldı. Bu, ortak karttaki yonga sayısını azalttı ve merkezi işlemciyle ve kendi aralarında en büyük değişim hacmine sahip olan bir depolama cihazını ve bir görüntüleme cihazını bağlamak için iki ek yerel veri yolunun tanıtılmasını mümkün kıldı.

Merkezi denetleyici, işlemci, bellek, görüntüleme cihazı ve diğer bilgisayar düğümleri arasındaki bilgi akışlarını dağıtan bir anahtar rolünü oynar.

İşlevsel denetleyici, klavye, fare, yazıcı, modem vb. gibi standart harici aygıtları bağlamak için denetleyiciler içeren bir VLSI'dir. Genellikle bu denetleyici, müzik ve konuşma dosyalarını dinlerken harici hoparlörlerden yüksek kaliteli ses almanızı sağlayan ses kartı gibi bir cihaz içerir.

Harvard mimarisi

Harvard mimarisi, 1930'ların sonlarında Harvard Üniversitesi'nde Howard Aiken tarafından bilgi işlem işlemlerinin hızını artırmak ve bellek performansını optimize etmek amacıyla geliştirildi.

Tipik işlemler (toplama ve çarpma), herhangi bir bilgisayar cihazının çeşitli eylemleri gerçekleştirmesini gerektirir: iki işleneni getirmek, bir talimat seçmek ve onu yürütmek ve son olarak sonucu saklamak. Bellek erişimini uygulamaya yönelik ilgili şemanın bariz bir dezavantajı vardır - yüksek maliyet. Adres ve veri aktarım kanallarını işlemci çipinde ayırırken, ikincisinin iki kat daha fazla pime sahip olması gerekir. Bu sorunu çözmenin bir yolu, tüm harici veriler için ortak bir veri yolu ve adres veriyolu kullanma ve işlemci içinde bir veri yolu, bir komut veriyolu ve iki adres veriyolu kullanma fikriydi. Bu konsepte değiştirilmiş Harvard mimarisi adı verildi.

Genellikle üç bileşenin seçilmesi gerekir - iki işlenen ve bir talimat (dijital sinyal işleme algoritmalarında bu, FFT ve FIR, IIR filtrelerinde en yaygın görevdir). Önbellek bunun içindir. İçinde bir talimat saklanabilir - her iki veri yolu da serbest kalır ve iki işleneni aynı anda iletmek mümkün hale gelir. Bölünmüş veri yolları ile birlikte önbellek kullanımına, genişletilmiş bir Harvard mimarisi olan "Süper Harvard Mimarisi" ("SHARC") adı verilir.

Analog Cihaz işlemcileri buna bir örnektir: ADSP-21xx - değiştirilmiş Harvard Mimarisi, ADSP-21xxx(SHARC) - genişletilmiş Harvard Mimarisi.