С развитием вычислительной техники и программных средств любая ЭВМ стала рассматриваться как вычислительная система, представляющая собой совокупность двух концептуально объединенных частей: аппаратного и программного обеспечения. Появилось понятие "архитектура ЭВМ", связанное с функциональными возможностями вычислительной системы, которые должен знать пользователь для эффективного применения системы при решении своих задач.

Архитектура ЭВМ – это модель, устанавливающая принципы организации вычислительной системы, состав, порядок и взаимодействие основных частей ЭВМ, функциональные возможности, удобство эксплуатации, стоимость, надежность.

Любая ЭВМ, в том числе и ПК, для выполнения своих функций должна иметь минимальный набор функциональных блоков. Это блок для выполнения арифметических и логических операций; блок для хранения информации (память) или запоминающее устройство; устройства для ввода исходных данных и для вывода результатов. Так как все эти устройства должны синхронно выполнять нужные действия, ими надо управлять. Поэтому в структуре любой ЭВМ необходимо иметь также устройство управления.

Все перечисленные блоки с учетом того, что в запоминающем устройстве выделяется два уровня (внутренний и внешний), полностью соответствуют составу классической фон- неймановской структуры ЭВМ, которая уже более полувека составляет основу вычислительных машин (рис. 4.1).

Рис. 4.1.

жирные стрелки – передача информации; тонкие стрелки – передача управляющих сигналов; АЛУ – блок для выполнения арифметических и логических операций; ЗУ – запоминающее устройство; УУ – устройство управления; Увв – устройство ввода информации; Увыв – устройство вывода информации

Структура ЭВМ определяет совокупность функциональных элементов ЭВМ и способ установления связей между ними. В современных ЭВМ устройство для выполнения арифметических и логических операций и устройство управления объединены в центральный процессор. Взамен ограниченного набора устройств ввода-вывода, имеющихся в ЭВМ первых поколений, в современных машинах имеется большой арсенал устройств (разнообразные накопители на магнитных, оптических и магнитооптических дисках, сканеры, клавиатура, мышь, джойстик, принтеры, плоттеры, графопостроители). Иерархия запоминающих устройств представлена еще большим количеством уровней.

Аппаратное обеспечение (hardware ) – совокупность технических средств, используемых в процессе функционирования ЭВМ и взаимодействующих друг с другом.

Структурно аппаратное обеспечение современной ЭВМ, в том числе ПК, состоит из двух основных частей: центральной и периферийной. К центральной части обычно относят центральный процессор и основную память, поскольку именно на их основе реализуется принцип программного управления.

Центральный процессор обеспечивает выполнение процедур обработки данных и программное управление этим процессом. Он включает арифметико-логическое устройство, устройство управления, собственные запоминающие устройства (регистры, кэш-память).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – часть процессора, обеспечивающая выполнение процедур преобразования данных.

Устройство управления (УУ) – часть процессора, обеспечивающая управление процессом обработки данных.

УУ выбирает команды из основной памяти, интерпретирует тип команды и запускает нужную схему АЛУ.

Запоминающие устройства процессора – устройства, обеспечивающие хранение данных.

Основная память ЭВМ включает оперативную и постоянную память.

Оперативная память – устройство, обеспечивающее временное хранение команд и данных в процессе выполнения программы.

Постоянная память – устройство, обеспечивающее постоянное хранение и возможность считывания критически важной для функционирования ЭВМ информации.

Основная память и запоминающие устройства процессора относятся к внутренним запоминающим устройствам. Они непосредственно взаимодействуют с процессором, имеют высокое быстродействие и относительно небольшую емкость.

Все остальные устройства ЭВМ относятся к периферийной части и называются внешними или периферийными. Внешние устройства делятся на устройства ввода-вывода и внешние запоминающие устройства.

Устройства ввода-вывода обеспечивают ввод исходных данных и вывод результатов из центральных устройств ЭВМ.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) имеют большую емкость и относительно низкое быстродействие. К ним относятся накопители на магнитных дисках (НМЛ), накопители на магнитной ленте (НМЛ), накопители на оптических дисках (ПОД), накопители на основе флэш-памяти.

В одной ЭВМ может использоваться от единиц до нескольких сотен внешних устройств. Состав этих устройств, как правило, переменный и определяется составом решаемых на конкретной ЭВМ задач. Поэтому принято говорить о конфигурации ЭВМ , понимая под этим термином конкретный состав ее устройств с учетом их характеристик.

Принято, что передача информации из периферийных устройств в ядро ПК называется операцией ввода. Передача информации из ядра ПК в периферийные устройства называется операцией вывода.

Иногда периферийные устройства делят на системные периферийные устройства, без которых компьютер не может полноценно функционировать, и дополнительные. К системным периферийным устройствам относятся клавиатура, монитор, накопитель на жестком магнитном диске, принтер. К дополнительным – разнообразные устройства для ввода и вывода информации, устройства для связи с внешней средой, для обработки мультимедийной информации.

В структуре высокопроизводительных ЭВМ имеются каналы ввода-вывода – совокупность устройств, обеспечивающих обмен данными между центральным процессором, оперативной памятью и устройствами ввода-вывода.

Каналы могут работать параллельно с центральным процессором. Их основное назначение – снять с центрального процессора часть функций по управлению обменом данными с внешними устройствами.

Эффективность использования ЭВМ определяется не только составом и характеристиками ее устройств, но и способом организации их совместной работы. Соединение компонентов ЭВМ осуществляется с помощью интерфейсов – совокупности стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информации между устройствами. В основе построения интерфейсов лежит использование единых способов кодирования данных, стандартизации соединительных элементов. Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу информации между устройствами независимо от их особенностей.

Для разных классов ЭВМ применяются различные структуры. В высокопроизводительных ЭВМ обычно используется иерархическая структура с несколькими уровнями интерфейсов и каналами ввода-вывода. В ПК чаще всего используется структура с системной магистралью, называемой системной шиной, которая представляет собой систему функционально объединенных проводов, обеспечивающих передачу данных, адресов данных и управляющих сигналов (рис. 4.2).

Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи данных, называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет количество двоичных разрядов, передаваемых по шине одновременно. Количество проводов для передачи адресов определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован.

Аппаратная платформа – совокупность технических средств, определяющих среду функционирования конкретных программ. Основой аппаратной платформы является совокупность системной (материнской) платы и тип используемого процессора.

Рис. 4.2.

ЦП – центральный процессор; ОЗУ – оперативная память; ПЗУ – постоянная память; Контроллер – устройство управления периферийным устройством

• По имени американского ученого Дж. фон Неймана (1903–1957), который в 1946 г. обосновал состав основных устройств и принципы работы ЭВМ.

На бытовом уровне термин «архитектура» у большинства людей прочно ассоциируется с различными зданиями и другими инженерными сооружениями. Так, можно говорить об архитектуре готического собора, Эйфелевой башни или оперного театра. В других областях этот термин применяется достаточно редко, однако для компьютеров понятие «архитектура ЭВМ» (электронно-вычислительная машина) уже прочно устоялось и широко используется, начиная с 70-х годов прошлого века. Для того чтобы разобраться в том, каким образом происходит выполнение программ, сценариев на компьютере, необходимо в первую очередь знать, как устроена работа каждой из его составляющих. Основы учения об архитектуре вычислительных машин, которые рассматриваются на уроке, были заложены Джоном фон Нейманом. Более подробно о логических узлах, а также о магистрально-модульном принципе архитектуры современных персональных компьютеров можно будет узнать на этом уроке.

Принципы, лежащие в основе архитектуры ЭВМ, были сформулированы в 1945 году Джоном фон Нейманом, который развил идеи Чарльза Беббиджа, представлявшего работу компьютера как работу совокупности устройств: обработки, управления, памяти, ввода-вывода.

Принципы фон Неймана.

1. Принцип однородности памяти. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

2. Принцип адресуемости памяти. Основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

3. Принцип последовательного программного управления. Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

4. Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана, имеют классическую архитектуру, но, кроме нее, существуют другие типы архитектуры. Например, Гарвардская. Ее отличительными признаками являются:

• хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства;
• канал инструкций и канал данных также физически разделены.

В истории развития вычислительной техники качественный скачок происходил примерно каждые 10 лет. Такой скачок связывает с появлением нового поколения ЭВМ. Идея делить машины появилась по причине того, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения ее структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования. Более подробно все этапы развития ЭВМ показаны на Рис. 2. Для того чтобы понять, как и почему одно поколение сменялось другим, необходимо знать смысл таких понятий, как память, быстродействие, степень интеграции и т. д.

Рис. 2. Поколения ЭВМ ()

Среди компьютеров не классической, не фон Неймановской архитектуры, можно выделить так называемые нейрокомпьютеры. В них моделируется работа клеток головного мозга человека, нейронов, а также некоторых отделов нервной системы, способных к обмену сигналами.

Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции. Функции процессора (Рис. 3):

- обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);

- управление всеми остальными устройствами компьютера.

Рис. 3. Центральный процессор компьютера ()

Программа состоит из отдельных команд. Команда включает в себя код операции, адреса операндов (величин, которые участвуют в операции) и адрес результата.

Выполнение команды делится на следующие этапы:

· выборку команды;

• формирование адреса следующей команды;
• декодирование команды;
• вычисление адресов операндов;
• выборку операндов;
• исполнение операции;
• формирование признака результата;
• запись результата.

Не все из этапов присутствуют при выполнении любой команды (зависит от типа команды), однако этапы выборки, декодирования, формирования адреса следующей команды и исполнения операции имеют место всегда. В определенных ситуациях возможны еще два этапа:

• косвенная адресация;
• реакция на прерывание.

Оперативная память (Рис. 4) устроена следующим образом:

• прием информации от других устройств;
• запоминание информации;
• передача информации по запросу в другие устройства компьютера.

Рис. 4. ОЗУ (Оперативное запоминающее устройство) компьютера ()

В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип (Рис. 5). Модульный принцип позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. Он опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями. Системная шина или магистраль компьютера включает в себя несколько шин различного назначения. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины:

• шину данных;
• шину адреса;
• шину управления.

Рис. 5. Магистрально-модульный принцип построения ПК

Шина данных используется для передачи различных данных между устройствами компьютера; шина адреса применяется для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода; шина управления включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т. д.

Такой принцип справедлив для различных компьютеров, которые можно условно разделить на три группы:

• стационарные;
• компактные (ноутбуки, нетбуки и т. д.);
• карманные (смартфоны и пр.).

В системном блоке стационарного компьютера или в корпусе компактного находятся основные логические узлы - это материнская плата с процессором, блок питания, накопители внешней памяти и т. д.

Список литературы

1. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.

2. Босова Л.Л. Информатика: Рабочая тетрадь для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

3. Астафьева Н.Е., Ракитина Е.А., Информатика в схемах. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

4. Танненбаум Э. Архитектура компьютера. - 5-е изд. - СПб.: Питер, 2007. - 844 с.

1. Интернет портал «Все советы» ()

2. Интернет портал «Электронная энциклопедия “Компьютер”» ()

3. Интернет портал «apparatnoe.narod.ru» ()

Домашнее задание

1. Глава 2, §2.1, 2.2. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.

2. Как расшифровывается аббревиатура ЭВМ?

3. Что подразумевает термин «Архитектура компьютера»?

4. Кем были сформулированы основные принципы, лежащие в основе архитектуры ЭВМ?

5. На чем основывается архитектура современных ЭВМ?

6. Назовите основные функции центрального процессора и оперативной памяти ПК.

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.

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. 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.

Важнейшее место в структуризации систем занимают средства сопряжения, которые называются интерфейсами. Интерфейс представляет собой совокупность коммутаторов, линий, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.

Структуры и архитектуры ЭВМ Принципы фон Неймана

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

Принцип программного управления; принцип однородности памяти; принцип адресности. По истечении более 60 лет большинство компьютеров так и имеют «фон-неймановскую архитектуру», причем обычно принципы фон Неймана реализованы в следующей форме:

• оперативная память (ОП или ОЗУ - оперативное запоминающее устройство) 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-разрядные, а затем - 32- и 64-разрядные машины. В свое время существовали даже 45-разрядные (М-20, М-220), 35-разрядные (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)

Краткий список основных устройств, входящих в состав вычислительных машин, приведен на рис. 2.1.

Центральное устройство (ЦУ) представляет основную компоненту ЭВМ и в свою очередь включает ЦП - центральный процессор (central processing unit - CPU) и ОП (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 па-

2.1. Структуры и архитектуры ЭВМ

Рис. 2.1. Перечень устройств ЭВМ

* Данные устройства здесь не рассматриваются. Читатель может обратиться, например, к .

мяти, их выполнение и запись результатов в ОП, включение и отключение ВУ. Рассмотрим в качестве примера процессор Intel Pentium (рис. 2.2). Он состоит из следующих блоков :

Ядро (Core). Основное исполнительное устройство, которое включает в себя арифметико-логическое устройство (АЛУ, или Arithmetic and Logical Unit - ALU) регистры, конвейеры. АЛУ - часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции над данными, работает в соответствии с сообщаемыми ему кодами операций, которые должны быть выполнены над переменными, помещаемыми в регистры. Повышение производительности достигалось благодаря двум конвейерам, позволяющим выполнить одновременно несколько инструкций. Это два параллельных 5-ступенчатых конвейера обработки целых чисел, которые позволяют читать, интерпретировать, исполнять две команды одновременно. Целочисленные команды могут выполняться за один такт синхронизации. Эти конвейеры неодинаковы: U-конвейер выполняет любую команду системы команд семейства 86; V-конвейер выполняет только «простые» команды, т. е. команды, которые полностью встроены в схемы МП и не требуют микропрограммного управления (microcode) при выполнении (это команды, до-

Рис. 2.2.

пускающие спаривание с другими командами: регистр-регистр, память-регистр, регистр-память, переходы, вызовы, арифметико-логические операции);

• предсказатель переходов (Branch Predictor) - блок, который «пытается угадать» направление ветвления программы и заранее загрузить информацию в блоки пред- выборки и декодирования команд ;
• буфер адреса переходов (Branch Target Buffer - ВТ В). Обеспечивает динамическое предсказание переходов. Он улучшает выполнение команд путем запоминания состоявшихся переходов (256 последних переходов) и с опережением выполняет наиболее вероятный переход при выборке команды ветвления. При статических методах предсказания предписывается всегда выполнять или нет определенные виды переходов. При динамических методах исследуется поведение команд перехода за предшествующий период;
• блок плавающей точки (Floating Point Unit). Выполняет обработку чисел с плавающей точкой;
• кэш-память 1-го уровня (Level 1 cache). Процессор имеет два банка памяти по 8 Кбайт, один - для команд, второй - для данных, которые обладают большим быстродействием, чем более емкая внешняя кэш-память (L2 cache).
• интерфейс шины (Bus Interface). Передает в ЦП поток команд и данных, а также передает данные из ЦП.

Внешние (периферийные) устройства (В У). ВУ обеспечивают взаимодействие с окружающей средой - пользователями, объектами управления, другими машинами.

Интерфейсы 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 как роль универсальных, так и управляющих машин (машины Hewlett-Packard - HP и Digital Equipment Corporation - DEC).

Архитектуры ЭВМ

Архитектура «звезда». Здесь процессор (ЦУ) - рис. 2.3, а - соединен непосредственно с ВУ и управляет их работой (ранние модели машин). Этот тип также именуется классическая 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.

Принстонская и гарвардская архитектуры. Архитектуру фон Неймана часто отождествляют с принстонской архитектурой, которая характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ и данных. Гарвардская же архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. Элементы гарвардской архитектуры часто используются в современных процессорах, когда в кэш-памяти ЦП выделяется память команд (I-cache) и память данных (D-cache).

Иерархическая архитектура (рис. 2.3, 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. 2.3, 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-совмес- тимые ПЭВМ).

Технически шина представляет собой набор проводников (линий), соединяющий различные компоненты компьютера для подвода к ним питания и обмена данными. В минимальной комплектации шина имеет три типа линий:

управления; адреса; данных.

К этому типу архитектуры относится также архитектура персонального компьютера (ПК). Конечно, реальная структура ПК (рис. 2.3, г) отличается от теоретических схем - здесь используется несколько разновидностей шинных интерфейсов, которые соединяются между собой мостами - контроллерами памяти (Northbridge, «Северный мост») и периферийных устройств (Southbridge, «Южный мост»).

Рис. 2.3. Основные классы архитектур ЭВМ: а - централизованная; б - иерархическая; в - магистральная; г - общая структура персонального компьютера - архитектура Northbridge/Southbridge

Здесь приведен пример набора микросхем (chipset) Triton 430 ТХ:

• Northbridge - микросхема 82439ТХ System Controller, МТХС. Интегрирует контроль кэш-памяти, ОП и шины PCI;
• Southbridge - 82371АВ PCI ISA IDE Xcelerator, PIIX4 - многофункциональное устройство, реализующее связь PCI- ISA, функции концентратора (hub) USB и функции управления потреблением электроэнергии (Enhanced Power Management). Здесь реализована Dynamic Power Management Architecture (DPMA) - архитектура динамического управления энергопотреблением. Поддерживается также протокол прямого обращения к памяти (Ultra DMA), который обеспечивает скорость передачи в 33 Мбайт/с с НЖМД.

Современные системы включают два типа шин:

• системная шина, соединяющая процессор с ОП и кэш-памятью 2-го уровня;
• множество шин ввода-вывода, соединяющие процессор с различными периферийными устройствами.

Системная шина при архитектуре DIB (Dual independent bus, двойная независимая шина) физически разделена на две (рис. 2.3, г):

• первичная шина (FSB, frontside bus), связывающая процессор с ОП и ОП с периферийными устройствами;
• вторичная шина (BSB, backside bus) для связи с кэш-па- мятью.

Использование двойной независимой шины повышает производительность за счет возможности для процессора параллельно обращаться к различным уровням памяти. Обычно термины «FSB» и «системная шина» используют как синонимы.

Следует иметь в виду, что терминология, используемая в настоящее время для описания интерфейсов, не является вполне однозначной и ясной. Системная шина часто упоминается как «главная шина», «хост-шина», «шина процессора», или «локальная шина». Для шин ввода-вывода используются термины «шина расширения», «внешняя шина» и опять же - «локальная шина».

Открытая архитектура IBM-PC и ее развитие

Впервые реализованная в машинах IBM PC, IBM PC/XT и PC/AT концепция открытой архитектуры предполагает, что периферийные устройства связываются с ЦУ (процессор

и ОП) посредством сменных карт расширения (или адаптеров), содержащих электронику, согласующую ЦУ и периферию - рис. 2.4. Развитие или замена одних внешних устройств на другие в таких условиях сопровождается простой заменой карты.

Рис. 2.4. Открытая архитектура IBM PC:

1 - системная плата (процессор, память, chipset); 2 - внутренний интерфейс (ISA, MCA, SCSI, LPC, AGP, HyperTransport, PCI, PCI-X и пр.); 3 - плата расширения (адаптер, интерфейсная карта, контроллер внешнего устройства); 4 - интерфейс внешнего устройства (RS-232, Centronics, USB, Firewire, инфракрасный, eSATA, Bluetooth и пр.); 5 - периферийное устройство (клавиатура, монитор, принтер, сканер и пр.)

Системные платы и их разновидности. Системную плату также называют главной (mainboard) или материнской (motherboard), иногда - объединительной платой. Это - основная монтажная схема внутри ПК, на которой располагаются процессор, память, слоты расширения и которая непосредственно или косвенно присоединяется к каждой части ПК.

На рисунках ниже иллюстрируются компоненты для двух типичных плат:

• Baby АТ (ВАТ), где используется разъем Socket 7 для присоединения процессора, приблизительно 1995 г. (рис. 2.5, 2.7, а);
• АТХ с разъемом Slot 1 для присоединения процессора Pentium И, типичный для системных плат, на рынке с конца 1998 г. (рис. 2.6, 2.7, б).

Открытая архитектура первых ПК предполагала минимум устройств, контроллеры которых были интегрированы в системную плату (например, порт для клавиатуры). Все остальные, включая адаптер дисплея, принтера, модема, НГМД или контроллер жесткого диска, являлись дополнительными компонентами, подключаемыми через разъемы расширения.

В конце 1990-х гг. обозначилась тенденция к помещению адаптеров периферийных устройств непосредственно на систем-

Рис. 2.7. Разъемы и интерфейсы, размещенные на задней панели корпусов: а - плата Baby АТ (схематическое изображение), б - АТХ (то же); в - общий вид некоторых типов внешних интерфейсов: 1 - разъем для подсоединения шнура электропитания монитора (на ATX-корпусах может отсутствовать); 2 - разъем для подключения компьютера к сети переменного тока; 3 - разъем для подсоединения клавиатуры PS/2 (мини-DIN, 6 штырьков); 4 - разъем для подсоединения клавиатуры DIN-5; 5 - разъем для подключения мыши PS/2; 6 - USB-порты; 7 - последовательный порт (COM2); 8 - последовательный порт (СОМ1); 9 - параллельный порт (LPT); 10 - видеовыход (VGA/SVGA); 11 - разъем для подключения локальной сети (в соответствии с моделью компьютера); 12 - MIDI/Game порт (в соответствии с моделью компьютера); 13 - гнезда для подключения внешних аудиосистем (в соответствии с моделью компьютера)

ную плату и через какое-то время было интегрировано значительное количество устройств, однако многие из них - графика, сетевой интерфейс, устройства SCSI и звуковые - все же продолжали оставаться съемными. Этот процесс шел медленно, например порты ввода-вывода и контроллеры диска еще в 1995 г. часто размещались на платах расширения. Изготовители постоянно экспериментировали с различными уровнями интеграции, встраивая некоторые или даже все эти компоненты в системную плату. Однако есть очевидное препятствие - труднее модернизировать сборку, поскольку интегрированные компоненты не могут быть удалены. Для высокоинтегрированных системных плат часто требуется нестандартный корпус, при этом для замены отдельного дефектного компонента может потребоваться выбраковка системной платы.

Следовательно, те части системы, спецификация которых изменяется наиболее быстро - оперативная память, центральный процессор и графика - целесообразнее размещать в гнездах для облегчения замены. Точно так же обычно удаляются из основной спецификации (чтобы уменьшить затраты) компоненты, используемые не всеми пользователями, например сетевые интерфейсы или SCSI.

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