Основы архитектуры эвм. Понятие архитектуры и структуры эвм Что понимается под термином архитектура эвм

01.10.2021

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру. Архитектурой компьютера называется 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, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - 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.

1. Классическая архитектура (архитектура фон Неймана ) - одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд. 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. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройство управления, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Общая шина

2. Многопроцессорная архитектура . Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд (параллельно могут обрабатываться несколько фрагментов одной задачи ). Структура такой машины имеет общую оперативную память и несколько процессоров. Такая архитектура применяется для решения задач с огромным объемом вычислений.

3. Многомашинная вычислительная система . Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную ). Отдельный компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных.

Классификация ВМ

Многообразие свойств и характеристик порождает различные виды классификации вычислительных машин. Их делят: по этапам развития, по принципу действия, по назначению, по производительности и функциональным возможностям, по условиям эксплуатации, по количеству процессоров и т.д. Четких границ между классами компьютеров не существует.По мере совершенствования структур и технологии производства, появляются новые классы компьютеров (и границы существующих классов существенно изменяются ).

1. По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). АВМ – вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой ) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины(механического воздействия, перемещения, электрического напряжения и др. ). ЦВМ – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме. ГВМ – вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме (совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ ). Их используют в управлении сложными техническими комплексами.

2. По назначению вычислительные машины делятся на три группы: универсальные (общего назначения ), проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные вычислительные машины предназначены для решения самых разных задач: экономических, математических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.

Характерными чертами универсальных машин являются:

· высокая производительность;

· разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

· обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;

· большая емкость оперативной памяти;

· развитая организация системы ввода-вывода информации.

Проблемно-ориентированные вычислительные машины служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными по сравнению с универсальными машинами аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным вычислительным машинам можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные системы (АСУТП, САПР).

Специализированные вычислительные машины используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая их узкая ориентация позволяет четко специализировать структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным машинам можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами.

3. По размерам и функциональным возможностям вычислительные машины можно разделить на сверхбольшие (суперЭВМ ) – многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, которые используются для решения сложных и больших научных задач - в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д. Большие (мэйнфреймы ) - предназначены для решения широкого класса научно-технических задач. Малые (конструктивно выполненные в одной стойке ). Сверхмалые (микроЭВМ ).

Заметим, что иногда классификация осуществляется и по иным признакам: например, элементной базе, конструктивному исполнению и др.

Свойства ЭВМ любого типа оценивается с помощью их технико-экономических характеристик, основными из которых являются: операционные ресурсы(характеризуются количеством реализуемых операций, формами представления данных, а также способами адресации ), емкость памяти (определяется общим количеством ячеек памяти для хранения информации ), быстродействие(определяется числом коротких операций типа сложения, выполняемых за 1 сек ), надежность(среднее время работы между двумя отказами ), стоимость(это суммарные затраты на приобретение аппаратных и базовых программных средств ЭВМ, а также затраты на эксплуатацию ).

Реферат

Тема: ’’Архитектура ЭВМ и ее основные характеристики’’.

Введение

Электронно-вычислительные машины (ЭВМ), или, как их теперь чаще называют, компьютеры, - одно из самых удивительных творений человека. В узком смысле ЭВМ - это приспособления, выполняющие разного рода вычисления или облегчающие этот процесс. Простейшие устройства, служащие подобным целям, появились в глубокой древности, несколько тысячелетий назад. По мере развития человеческой цивилизации они медленно эвоционировали, непрерывно совершенствуясь. Однако только в 40-е годы нашего столетия было положено начало созданию компьютеров современной архитектуры и с современной логикой. Именно эти годы можно по праву считать временем рождения современных (естественно, электронных) вычислительных машин.

Чтобы компьютер был и эффективным, и универсальным инструментом, он должен включать следующие структуры: центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ), центральное устройство управления (УУ), " дирижирующее " операциями, запоминающее устройство, или память, а также устройства ввода-вывода информации.

Фон Нейман отмечал, что эта система должна работать с двоичными числами, быть электронным, а не механическим устройством и выполнять операции последовательно, одну за другой.

Принципы , сформированные фон Нейманом, стали общепринятыми и положены в основу как больших ЭВМ первых поколений, так и более поздних мини- и микро-ЭВМ. И хотя в последнее время идут активные поиски вычислительных машин, построенных на принципах, отличных от классических, большинство компьютеров построено согласно принципам, определенным Нейманом.

Архитектура и структура ЭВМ

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру .

Архитектурой компьютера называется 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 , оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - 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 арифметико-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.

Периферийные устройства (принтер и др.) 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 архитектура . Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рисунке.

Архитектура многопроцессорного компьютера

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. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными 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. Структура таких компьютеров представлена на рисунке.

Архитектура с параллельным процессором

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных конструктивных компонентов:

системного блока;

монитора ;

клавиатуры ;

манипуляторов .

Системный блок

Системный блок – самый главный блок компьютера. К нему подключаются все остальные блоки, называемые внешними или периферийными устройствами. В системном блоке находятся основные электронные компоненты компьютера. ПК построен на основе СБИС (сверхбольших интегральных схем), и почти все они находятся внутри системного блока, на специальных платах (плата - пластмассовая пластина, на которой закреплены и соединены между собой электронные компоненты - СБИСы, микросхемы и др.). Самой важной платой компьютера является системная плата . На ней находятся центральный процессор , сопроцессор, оперативное запоминающее устройство – ОЗУ и разъемы для подключения плат-контроллеров внешних устройств.

В системном блоке размещаются:

блок питания - устройство, преобразующее переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и внутренних устройств. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока.

системная плата (материнская плата) ;

магистраль (системная шина) ;

процессор ;

звуковая карта ;

видеокарта (графическая карта) ;

накопители на жёстких магнитных дисках ;

накопители на гибких магнитных дисках ;

оптические, магнитооптические и пр. накопители ;

накопитель CD-ROM, DVD-ROM;

Материнская плата

Основной частью любой компьютерной системы является материнская плата с главным процессором и поддерживающими его микросхемами. Функционально материнскую плату можно описать различным образом. Иногда такая плата содержит всю схему компьютера (одноплатные). В противоположность одноплатным, в шиноориентированых компьютерах системная плата реализует схему минимальной конфигурации, остальные функции реализуются с помощью многочисленных дополнительных плат. Все компоненты соединяются шиной . В системной плате нет видеоадаптера, некоторых видов памяти и средств связи с дополнительными устройствами. Эти устройства (платы расширения) добавляются к системной плате путем присоединения к шине расширения, которая является частью системной платы.

Первая материнская плата была разработана фирмой IBM, и показана в августе 1981 года (PC-1). В 1983 году появился компьютер с увеличенной системной платой (PC-2). Максимум, что могла поддерживать PC-1 без использования плат расширения - 64К памяти. PC-2 имела уже 256К, но наиболее важное различие заключалось в программировании двух плат. Системная плата PC-1 не могла без корректировки поддерживать наиболее мощные устройства расширения, таких, как жесткий диск и улучшенные видеоадаптеры.

Материнская плата - это комплекс различных устройств поддерживающий работу системы в целом. Обязательными атрибутами материнской платы являются базовый процессор , оперативная память , системный BIOS, контролер клавиатуры , разъемы расширения.

Материнская плата внутри компьютера - главная монтажная деталь, к которой крепятся остальные компоненты.

При нормальной работе материнской платы о ней не вспоминают, пока не понадобится усовершенствовать компьютер. Обычно хотят поставить более быстрый процессор, что и ведет к замене материнской платы. Нельзя, например, заменить старый Pentium MMX на Pentium III без новой материнской платы.

По внешнему виду материнской платы можно определить, какие нужны процессор , память и дополнительные устройства, вставляемые во внешние порты и гнезда компьютера.

По размерам материнские платы в общем случае можно разделить на три группы. Раньше все материнские платы имели размеры 8,5/11 дюймов. В XT размеры увеличились на 1 дюйм в AT размеры возросли еще больше. Часто речь может идти о “зеленых” платах (green mothеrboard). Сейчас выпускаются только такие платы. Данные системные платы позволяют реализовать несколько экономичных режимов энергопотребления (в том числе, так называемый “sleep”, при котором отключается питание от компонентов компьютера, которые в данный момент не работают).

Американское агентство защиты окружающей среды (EPA) сосредоточила свое внимание на уменьшении потребления энергии компьютерными системами. Оборудование, удовлетворяющее ее (EPA) требованиям должно в среднем (в режиме холостого хода) потреблять не более 30Вт, не использовать токсичные материалы и допускать 100% утилизацию. Поскольку современные микропроцессоры используют напряжение питания 3,3-4В, а на плату подается 5В, на системных
платах монтируют преобразователи напряжение.

Частота процессора, системной шины и шин периферийных устройств

Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост).

Рис.1. Логическая схема системной платы

Cеверный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз (например, частота процессора 1 ГГц, а частота шины - 100 МГц).

К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus - шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше - 33 МГц. Контроллеры периферийных устройств (звуковая плата , сетевая плата, SCSI-контроллер, внутренний модем ) устанавливаются в слоты расширения системной платы.

По мере увеличения разрешающей способности монитора и глубины цвета требования к быстродействию шины , связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port - ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI.

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

Устройства хранения информации (жесткие диски , CD-ROM , DVD-ROM ) подключаются к южному мосту по шине UDMA (Ultra Direct Memory Access - прямое подключение к памяти).

Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов, которые передают электрические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются последовательные порты как COM1 и COM2, а
аппаратно реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов, которые выведены на заднюю панель системного блока.

Принтер подключается к параллельному порту, который обеспечивает более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, так как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LTP, а аппаратно реализуется в виде 25-контактного разъема на задней панели системного блока .

Для подключения сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина ), который обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств. Клавиатура подключается обычно с помощью порта PS/2.

Основные характеристики вычислительной техники

К основным характеристикам вычислительной техники относятся ее эксплуатационно-технические характеристики, такие, как быстродействие, емкость памяти, точность вычислений и др.

Быстродействие ЭВМ рассматривается в двух аспектах. С одной стороны, оно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых центральным процессором в секунду. Под элементарной операцией понимается любая простейшая операция типа сложения, пересылки, сравнения п т. д. С другой стороны, быстродействие ЭВМ существенно зависит от организации ее памяти. Время, затрачиваемое на поиск необходимой информации в памяти, заметно сказывается на быстродействии ЭВМ.

В зависимости от области применения выпускаются ЭВМ с быстродействием от нескольких сотен тысяч до миллиардов операций в секунду. Для решения сложных задач возможно объединение нескольких ЭВМ в единый вычислительный комплекс с требуемым суммарным быстродействием.

Наряду с быстродействием часто пользуются понятием производительность . Если первое обусловлено, главным образом, используемой в ЭВМ системой элементов, то второе связано с ее архитектурой и разновидностями решаемых задач. Даже для одной ЭВМ такая характеристика, как быстродействие, не является величиной постоянной. В связи с этим различают: пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора без учета обращения к оперативной памяти; номинальное быстродействие, определяемое с учетом времени обращения к оперативной памяти; системное быстродействие, определяемое с учетом системных издержек на организацию вычислительного процесса; эксплуатационное, определяемое с учетом характера решаемых задач (состава операций или их «смеси»).

Емкость, или объем, памяти определяется максимальным количеством информации, которое можно разместить в памяти ЭВМ. Обычно емкость памяти измеряется в байтах. Как уже отмечалось, память ЭВМ подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, или оперативная память, по своему объему у различных классов машин различна и определяется системой адресации ЭВМ. Емкость внешней памяти из-за блочной структуры и съемных конструкций накопителей практически неограничена.

Точность вычислений зависит от количества разрядов, используемых для представления одного числа. Современные ЭВМ комплектуются 32- или 64-разрядными микропроцессорами, что вполне достаточно для обеспечения высокой точности расчетов в самых разнообразных приложениях. Однако, если этого мало, можно использовать удвоенную или утроенную разрядную сетку.

Система команд - это перечень команд, которые способен выполнить процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, сколько операндов требуется указать в команде, какой вид (формат) должна иметь команда для ее распознания. Количество основных разновидностей команд невелико. С их помощью ЭВМ способны выполнять операции сложения, вычитания, умножения, деления, сравнения, записи в память, передачи числа из регистра в регистр, преобразования из одной системы счисления в другую и т. д. При необходимости выполняется модификация команд, учитывающая специфику вычислений. Обычно в ЭВМ используется от десятков до сотен команд (с учетом их модификации). На современном этапе развития вычислительной техники используются два основных подхода при формировании системы команд процессора. С одной стороны, это традиционный подход, связанный с разработкой процессоров с полным набором команд, - архитектура CISC (Complete Instruction Set Computer - компьютер с полным набором команд). С другой стороны, это реализация в ЭВМ сокращенного набора простейших, но часто употребляемых команд, что позволяет упростить аппаратные средства процессора и повысить его быстродействие - архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer - компьютер с сокращенным набором команд).

Стоимость ЭВМ зависит от множества факторов, в частности от быстродействия, емкости памяти, системы команд и т. д. Большое влияние на стоимость оказывает конкретная комплектация ЭВМ и, в первую очередь, внешние устройства, входящие в состав машины. Наконец, стоимость программного обеспечения ощутимо влияет на стоимость ЭВМ.

Надежность ЭВМ - это способность машины сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение определенного промежутка времени. Количественной оценкой надежности ЭВМ, содержащей элементы, отказ которых приводит к отказу всей машины, могут служить следующие показатели:

Вероятность безотказной работы за определенное время при данных условиях эксплуатации;
наработка ЭВМ на отказ;
среднее время восстановления машины и др.

Для более сложных структур типа вычислительного комплекса или системы понятие «отказ» не имеет смысла. В таких системах отказы отдельных элементов приводят к некоторому снижению эффективности функционирования, а не к полной потере работоспособности в целом.

Важное значение имеют и другие характеристики вычислительной техники, например: универсальность, программная совместимость, вес, габариты, энергопотребление и др. Они принимаются во внимание при оценивании конкретных сфер применения ЭВМ.

Список литературы

Букчин Л.В., Безрукий Ю.Л. Дисковая система IBM - совместимых компьютеров. - М.: Бином, 1993. - 284 с.

Лагутенко О.И. Модемы. Справочник пользователя. - СПб.: Лань, 1997. - 364

Информатика. Базовый курс

Симонович С.В. и др. - СПб: Издательство «Питер»,2000.

Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии. Учебное пособие для 10-11 классов. Углубленный курс. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000.

А. А. Смирнов Архитектура вычислительных систем, М. Наука, 1990

Реферат 1

Введение 2

Архитектура и структура ЭВМ 3

ЭВМ ... понятие архитектуры ЭВМ , содержание которого достаточно обширно. Архитектура ЭВМ - ... характеристик ЭВМ , определяющих ее структуру: технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ ...

Архитектура ЭВМ (9)

Реферат >> Информатика

И управляющих клавиш. Наиболее важными характеристиками клавиатуры являются чувствительность ее клавиш к нажатию, мягкость... .). Вопросы по курсу «Оператор ЭВМ» Архитектура ЭВМ ; Основные принципы построения ЭВМ ; Схема устройства компьютера, построенного...

Основные характеристики ЭВМ различных поколений

Реферат >> Информатика

Телекоммуникации, информационное обслуживание Таблица - Основные характеристики ЭВМ различных поколений Поколение 1 2 ... режимами работы ЭВМ , планированием ее ресурсов, заложивших... возможностями. Усложнилась логическая архитектура ЭВМ и их периферийное...

Классификация, структура и основные характеристики микропроцессоров ПК (2)

Задача >> Информатика

Классификация, структура и основные характеристики микропроцессоров ПК» ………….3 Практикум... соответствии с результатами ее обработки. Процессор... ЭВМ реализуется основной цикл... связь, 2005 г. Смирнов А. Д. Архитектура вычислительных систем. – М.: "Наука", ...

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - 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.

Архитектурой компьютера считается его представление 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, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Принципы фон Неймана

В основу архитектуры большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом в отчете по ЭВМ ЕЭУАС:

принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд (СчАК). Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду;
принцип однородности памяти - программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм);
принцип адресности. 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 впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от них, - не-фон-неймановские.

Например, в ассоциативных компьютерах может не выполняться принцип программного управления, поскольку каждая команда здесь содержит адрес следующей (т. е. они могут работать без счетчика команд , указывающего на выполняемую команду программы).

По прошествии более 60 лет большинство компьютеров так и имеют «фон-неймановскую архитектуру», причем принципы фон Неймана реализованы в следующем виде:

оперативная память (ОП) организована как совокупность машинных слов (МС) фиксированной длины или разрядности (имеется в виду количество двоичных единиц или бит, содержащихся в каждом МС). Например, ранние ПЭВМ имели разрядность 8, затем появились 16-разряд-ные, а затем - 32- и 64-разрядные машины. В свое время существовали также 45-разрядные (М-20, М-220), 35-раз-рядные (Минск-22, Минск-32) и др. машины;
ОП образует единое адресное пространство, адреса МС возрастают от младших к старшим;
в ОП размещаются как данные, так и программы, причем в области данных одно слово, как правило, соответствует одному числу, а в области программы - одной команде (машинной инструкции - минимальному и неделимому элементу программы);
команды выполняются в естественной последовательности (по возрастанию адресов в ОП), пока не встретится команда управления (условного/безусловного перехода, или ветвления - branch), в результате которой естественная последовательность нарушится;
ЦП может произвольно обращаться к любым адресам в ОП для выборки и/или записи в МС чисел или команд.

Функциональные блоки (агрегаты, устройства)

В то время как логические элементы и узлы во многом универсальны и могут использоваться в самых различных сочетаниях для решения разнообразных задач, блоки (агрегаты) ЭВМ представляют собой комплексы элементов (узлов), ориентированные на узкий круг задач (операций). Такие агрегаты, как АЛУ, процессор, банк памяти, внешние устройства (НГМД и пр.), обязательно включают в свой состав (кроме механического, оптического, электромагнитного и иного оборудования) логические элементы и узлы, используемые для хранения информации, ее обработки и управления этими процессами.

Центральное устройство (ЦУ) представляет основную компоненту ЭВМ и, в свою очередь, включает ЦП - центральный процессор (central processing unit - CPU) и ОП - оперативную (главную) память или оперативное запоминающее устройство - ОЗУ (синонимы - Main Storage, Core Storage, Random Access Memory - RAM).

Процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управления вычислительным процессом, осуществляя выборку машинных команд и данных из оперативной памяти, их выполнение и запись результатов в ОП, включение и отключение ВУ. Основными блоками процессора являются:

устройство управления (УУ) с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);
арифметико-логическое устройство (АЛУ);
процессорная память (внутренний кэш).

Оперативная память предназначена для временного хранения данных и программ в процессе выполнения вычислительных и логических операций.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Arithmetic and Logical Unit (ALU) - часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции над данными.

АЛУ реализует набор простых операций. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции и, или, не). АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и блока управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему кодами операций, которые должны быть выполнены над переменными, помещаемыми в регистры.

Внешние устройства (ВУ). ВУ обеспечивают эффективное взаимодействие компьютера с окружающей средой - пользователями, объектами управления, другими машинами.

В специализированных управляющих ЭВМ (технологические процессы, связь, ракеты и пр.) внешними устройствами ввода являются датчики (температуры, давления, расстояния и пр.), устройствами вывода - манипуляторы (гидро-, пневмо-, сервоприводы рулей, вентилей и др.).

В универсальных ЭВМ (человеко-машинная обработка информации) в качестве ВУ выступают терминалы, принтеры и др. устройства.

Интерфейсы (каналы связи) служат для сопряжения центральных узлов машины с ее внешними устройствами.

Однотипные ЦУ и устройства хранения данных могут использоваться в различных типах машин. Известны примеры того, как фирмы, начавшие свою деятельность с производства управляющих машин, совершенствуя свою продукцию, перешли к выпуску систем, которые в зависимости от конфигурации ВУ могут исполнять роль как универсальных, так и управляющих машин (машины Hewlett-Packard - HP и Digital Equipment Corporation - DEC).

Абстрактное центральное устройство

Перечислим основные понятия и рассмотрим структуру и функции абстрактного центрального устройства ЭВМ (рис. 2.23), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (arithmetic and logic unit - ALU) которого предназначено для обработки целых чисел и битовых строк.

Команда, инструкция (instruction) - описание операции, которую нужно выполнить. Каждая команда характеризуется форматом, который определяет ее структуру. Типичная команда содержит:

код операции (КОП), характеризующий тип выполняемого действия;
адресную часть (A4), которая в общем случае включает:
- номера (адреса) индексного (ИР) и базисного (БР) регистров;
- адреса операндов - Al, А2 и т. д.

Цикл процессора - период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде; состоит из нескольких тактов.

Такт работы процессора - промежуток времени между соседними импульсами (tick of the internai clock) генератора тактовых импульсов, частота которых есть тактовая частота процессора. Такт процессора (такт синхронизации) - квант времени, в течение которого осуществляется элементарная операция - выборка, сравнение, пересылка данных.

Разрядность

Команда к + 1 Команда к

Адресная часть (адресность) /

Базисные регистры (БР1, БР2, ...)

Индексные регистры (ИР1, ИР2, ...)

Регистр результата

Регистры числа (РЧ1, РЧ2, ...)

Регистр адреса команды (РАК, СчАК)

Регистры адреса (РА1, РА2, ...)

Регистр команды (РК)

Сумматор

Устройство управления (УУ)

Рис. 2.23. Структура простейшего центрального устройства ЭВМ

Выполнение короткой команды - арифметика с ФТ (фиксированной запятой - ФЗ), логическая операция - занимает как минимум пять тактов (см. также рис. 3.1):

выборка команды (Fetch);
расшифровка кода операции/декодирование (instruction Decode);
вычисление адреса и выборка данных из памяти (Address Generate, Load)
выполнение операции (Execute);
запись результата в память (write Back, store).

Процедура, соответствующая каждому такту, реализуется определенной логической цепью (схемой) процессора, обычно именуемой микрокомандой.

Регистры - устройства, предназначенные для временного хранения данных ограниченного размера (регистровое запоминающее устройство - РЗУ). Важной характеристикой регистра является высокая скорость приема и выдачи данных. Регистр состоит из разрядов, в которые можно быстро записывать, запоминать и считывать слово, команду, двоичное число и т. д. Обычно регистр имеет ту же разрядность, что и машинное слово.

Регистр, обладающий способностью перемещать содержимое своих разрядов, называют сдвиговым. В этих регистрах за один такт хранимое слово поразрядно сдвигается на одну позицию.

Регистры общего назначения - РОН, регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл - РФ (General Purpose Registers) - общее название для регистров, которые временно содержат данные, передаваемые в память или принимаемые из нее.

Регистр команды (РК, Instruction Register - IR) служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора.

Регистр (РАК), счетчик (СчАК) адреса команды (program counter - PC) - регистр, содержащий адрес текущей команды.

Регистр адреса (числа) - РА(Ч) - содержит адрес одного из операндов выполняемой команды (регистров может быть несколько).

Регистр числа (РЧ) содержит операнд выполняемой команды, этих регистров также несколько.

Регистр результата (РР) предназначается для хранения результата выполнения команды.

Сумматор - регистр, осуществляющий операции сложения (логического и арифметического двоичного) чисел или битовых строк, представленных в прямом или обратном коде. Регистр, хранящий промежуточные данные, часто именуют аккумулятором.

Существуют и другие регистры, не отмеченные на схеме, например регистр состояния - Status Register (SR) или регистр флагов. Типичным содержанием SR является информация об особых результатах завершения команды (ноль, переполнение, деление на ноль, перенос и пр.). УУ использует информацию из SR для исполнения условных переходов (например, «в случае переполнения перейти по адресу 4170»). Ниже более подробно будут рассмотрены регистры процессора 18086.

Цикл выполнения короткой команды может выглядеть следующим образом.

1. В соответствии с содержимым СчАК (адрес очередной команды) УУ извлекает из ОП очередную команду и помещает ее в РК. Некоторые команды УУ обрабатывает самостоятельно, без привлечения АЛУ (например, по команде «перейти по адресу 2478» величина 2478 сразу заносится в СчАК, и процессор переходит к выполнению следующей команды.
2. Осуществляется расшифровка (декодирование) команды.
3. Адреса Al, А2 и пр. помещаются в регистры адреса.
4. Если в команде указаны ИР или БР, то их содержимое используется для модификации РА - фактически выбираются числа или команды, смещенные в ту или иную сторону по отношению к адресу, указанному в команде.
5. По значениям РА осуществляется чтение чисел (строк) и помещение их в РЧ.
6. Выполнение операции и помещение результата в РР.
7. Запись результата по одному из адресов (если необходимо).
8. Увеличение содержимого СчАК на единицу (переход к следующей команде).

Очевидно, что за счет увеличения числа регистров возможно распараллеливание, перекрытие операций. Например, при считывании команды СчАК можно автоматически увеличить на 1, подготовив выборку следующей команды. После расшифровки текущей команды РК освобождается и в него может быть прочитана следующая команда. При выполнении операции возможна расшифровка следующей команды и т. д. Все это является предпосылкой построения так называемых конвейерных структур {pipeline ). Однако все это хорошо только при последовательном (естественном) порядке выполнения команд. Появление переходов (особенно по условию, не определенному ранее) нарушает эту картину (в частности, увеличение СчАК на 1, упомянутое выше, оказывается недействительным). Поэтому современные процессоры пытаются предсказывать переходы в программе (branch prediction).

Архитектуры ЭВМ

Архитектура «звезда». Здесь процессор (ЦУ) (рис. 2.24, а) соединен непосредственно с ВУ и управляет их работой (ранние модели машин). Этот тип также именуется классическая архитектура (фон Неймана) - одно арифмети-

Процессор

Основная

Мост PCI-ISA

Разъемы PCI

Контроллер

периферии

Universal Serial Bus

System Management Bus

Рис. 2.24. Основные классы архитектур ЭВМ: а - централизованная; б - иерархическая; в - магистральная; г - общая структура персонального компьютера (архитектура Triton 430 TX - Northbridge/

ко-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд - программа. Это однопроцессорный компьютер.

Принстонская и гарвардская архитектуры. Архитектура фон Неймана часто ассоциируется с принстонской архитектурой, которая характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ и данных.

Альтернативная - гарвардская архитектура (название связано с компьютером «Марк-1» (1950 г.), в котором использовалась отдельная память для команд) характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды.

Гарвардская архитектура появляется в современных процессорах, когда в кэш-памяти ЦП выделяется память команд (I-Cache) и память данных (D-Cache).

Иерархическая архитектура (рис. 2.24, б) - ЦУ соединено с периферийными процессорами (вспомогательными процессорами, каналами, канальными процессорами), управляющими в свою очередь контроллерами, к которым подключены группы ВУ (системы IBM 360-375, ЕС ЭВМ);

Магистральная структура (общая шина - unibas, рис. 2.24, в). Процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимодействуют между собой и с ВУ (контроллерами ВУ) через внутренний канал, общий для всех устройств (машины DEC, IBM РС-со-вместимые ПЭВМ). Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность линий магистрали разделяется на отдельные группы - шину адреса, шину данных и шину управления.

К этому типу архитектуры относится также архитектура персонального компьютера (ПК). Конечно, реальная структура ПК (рис. 2.24, г) отличается от теоретических схем - в ней используется несколько разновидностей шинных интерфейсов, которые соединяются между собой мостами - контроллерами памяти (Northbridge) и периферийных устройств (Southbridge).

С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие - архитектура ЭВМ.

Подархитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Только через 100 лет на базе появившихся электронных приборов эта идея была развита американским математиком Джоном фон Нейманом. В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные им в 1945 году.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;

Устройство управления , которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее устройство , илипамять для хранения программ и данных;

Внешние устройства для ввода-вывода информации.

В основе работы компьютера лежат следующие принципы:

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

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

Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Машины, построенные на этих принципах, называются Фон-Неймановскими.

Виды архитектуры ЭВМ (открытая, закрытая, Гарвардская).

Архитектура вычислительной машины - концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения

Архитектуры закрытого типа

Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Вычислительные системы с открытой архитектурой

Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой.

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера.

Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток - высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Часто требуется выбрать три составляющие - два операнда и инструкцию(в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее встречаемая задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция - обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») - расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут послужить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx - модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) - расширенная Гарвардская Архитектура.