Лекция №6 Архитектура современной ВТ

План лекций:

· исследователи в области компьютерной архитектур;

· понятие архитектуры компьютера;

· наиболее распространенные архитектурные решения компьютера;

· принципы Джона фон Неймана;

· устройства компьютера.

Вопросы организации компьютера, его архитектуры вот уже на протяжении более полувека, начиная с конца 40-вых годов ХХ века, когда эти проблемы были предметом деятельности отдельных групп узких специалистов, а с началом эры ПК, вызывают живой интерес и у огромного количества пользователей ПК. Любое достижение в данной области почти сразу становится достоянием большинства программистов и разработчиков по всему миру.

Прионеры исследований и практических разработок в области компьютерной архитектуры, а это прежде всего Г.Айкен, Д.Атанасов, К.Берри, Д.Моучли, П.Эккерт, К.Цузе и наконец С.А.Дебедев е особенности Джон фон Нейман стояли у истоков этого раздела технологий.

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера назавается 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, ОЗУ, ВЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

(Под архитектурой компьютера понимается совокупность сведений об основных устройствах компьютера и их назначении, о способах представления программ и данных в машине, об особенностях ее организации и функционирования.)

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связь между ними. Элементами могут быть самые различные утройства – 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.

v Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметическо-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.

Перифериные устройства 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.

v Многопроцессорная архитекрура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполнятся несколько фрагментов одной задачи.

v 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.Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорным очевидно.

v 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.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым Джонм фон Нейманом.

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

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

Выборка прогаммы из памяти осуществляется с помощью счётчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нём адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

3) Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьтер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых её частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

4) Принцип адрестности. 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 вследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имён.

Компьтеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских.

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

- процессор, включающий в себя устройство управления и АЛУ;

- память (запоминающее устройство (ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

- устройства ввода и вывода (внешние устройства).

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

На рисунке показано, каковы должны быть связи между устройствами компьютера согласно принципу фон Неймана (одинарные линии показывают управляющие связи, пунктир – информационные).

Архитектура современных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название системная магистраль).

ПК – универсальная техническая система. Его конфигурацию можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают следующие устройства:

- системный блок;

- монитор;

- клавиатура;

Также обычно присутствует манипулятор с названием «мышь» и принтер для распечатывания текстов и рисунков.