Архитектуру современной эвм предложил. Основные архитектурные принципы эвм

ВВЕДЕНИЕ

Уровень архитектуры необходим каждому специалисту. Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных функциональных узлов. На этом уровне не требуется знание схемных решений современной радиотехники и микроэлектроники. Последнее вообще выходит за пределы информатики, оно требуется лишь разработчикам физических элементов компьютеров.

Уровень архитектуры достаточно глубок, он включат вопросы управления работой ЭВМ (программирования) на языке машинных команд (ассемблера). Такой способ управления гораздо сложнее, чем написание программ на языках высокого уровня и, тем не менее, без представления о нем невозможно понять реальную работу компьютера.

Наконец, в данной главе приведен краткий обзор внешних устройств современных компьютеров - накопителей, устройств ввода и вывода информации, - а также элементарное описание принципов их работы, профессиональные характеристики.

Объектом изучения является вычислительная техника.

Предметом исследования является архитектура ЭВМ.

Целью работы является изучение архитектуры ЭВМ.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

· определить понятие архитектура ЭВМ;

· изучить учебную литературу по теме «Архитектура ЭВМ»;

· изучить развитие внутренней структуры ЭВМ.

1. О ПОНЯТИИ «АРХИТЕКТУРА ЭВМ»

Слово «архитектура» в изначальном своем смысле используется в градостроении. Будучи достаточно сложной структурой, современный город состоит из районов, площадей, улиц, домов и т.п., расположенных определенным образом.

Для того чтобы ориентироваться в хитросплетении улиц и площадей, в любом городе существует исторически сложившаяся система названий, а также определенная нумерация домов. Наличие общепринятой адресации позволяет однозначно определить положение любого строения и в случае необходимости быстро отыскать его. Во многих случаях расположение улиц и присвоение им имен носит беспорядочный характер. В то же время бывает, что эта деятельность тщательно продумана и является продолжением общей планировки города, т.е. фактически частью его архитектуры. Классическим примером может служить известная система взаимно-перпендикулярных улиц (авеню и стриты) города Нью-Йорка. Помимо чисто практической, архитектура города может иметь еще и художественную ценность (что обычно больше интересует приезжих). Но этот аспект понятия «архитектура» вряд ли переносим на вычислительную технику.

Используя аналогию с градостроительством, естественно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. Если заглянуть, например, в «Толковый словарь по вычислительным системам», мы прочтем там, что термин «архитектура ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ «архитектура»».

Однако описание внутренней структуры ЭВМ вовсе не является самоцелью: с точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими, присущими многим конкретным реализациям вычислительных машин. Часто говорят даже о семействах ЭВМ, т.е. группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам. Ярким примером могут служить различные модификации компьютеров PDP фирмы DEC (более известные нашим пользователям по отечественным аналогам - серии ДВК), семейство MSX-машин, которому принадлежит широко распространенная YAMAHA, а также заполонившие мир IBM-совместимые персональные компьютеры.

Именно то общее, что есть в строении ЭВМ, и относят к понятию архитектуры. Важно отметить, что целью такой общности, в конечном счете, служит вполне понятное стремление: все машины одного семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту же программу. Отсюда неизбежно следует вывод, что с точки зрения архитектуры важны не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и «пользовательской» работе с ЭВМ. Ниже приводится перечень тех наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

Структура памяти ЭВМ;

Способы доступа к памяти и внешним устройствам;

Возможность изменения конфигурации компьютера;

Система команд;

Форматы данных;

Организация интерфейса.

Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение архитектуры:

«Архитектура-это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов».

2. КЛАССИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА ЭВМ II ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.

Ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде. Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут - выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке 2.1. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные-управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ

Рисунок 2.1 - Архитектура ЭВМ, построенной на принципах Фон Неймана

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров «многоярусно» и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом. На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается - определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством - счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день - фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ЭВМ

В предыдущем разделе была описана классическая структура ЭВМ, соответствующая вычислительным машинам первого и второго поколений. Естественно, что в результате бурного развития технологии производства средств вычислительной техники такая структура не могла не претерпеть определенных прогрессивных изменений.

Как отмечалось выше, появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механически движущиеся части. Процессор, руководивший работой внешних устройств, значительную часть времени был бы вынужден простаивать в ожидании информации «из внешнего мира», что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода, периферийные процессоры. Последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства» (или просто контроллер).

Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколений.

Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).

Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры, изображенной на рис. 3.1. Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трех частей:

Шина данных, по которой передается информация;

Шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

Шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами - это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

На рис. 3.1 представлен новый по сравнению с рис. 2.1 вид памяти – видео - ОЗУ (видеопамять). Его появление связано с разработкой особого устройства вывода - дисплея. Основной частью дисплея служит электронно-лучевая трубка, которая отображает информацию примерно так же, как это происходит в телевизоре (к некоторым дешевым домашним моделям компьютеров просто подключается обычный телевизор). Очевидно, что дисплей, не имея механически движущихся частей, является «очень быстрым» устройством отображения информации. Поэтому для ЭВМ третьего и четвертого поколений он является неотъемлемой частью (хотя впервые дисплей был реализован на некоторых ЭВМ второго поколения, например, на «МИР-2» - очень интересной во многих отношениях отечественной разработке).

Рисунок 3.1 - Шинная архитектура ЭВМ

Для получения на экране монитора стабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Объем видеопамяти существенно зависит от характера информации (текстовая или графическая) и от числа цветов изображения. Конструктивно она может быть выполнена как обычное ОЗУ или содержаться непосредственно в контроллере дисплея (именно поэтому на рисунке 3.1 она показана пунктиром).

Остановимся еще на одной важной особенности структуры современных ЭВМ. Поскольку процессор теперь перестал быть центром конструкции, стало возможным реализовывать прямые связи между устройствами ЭВМ. На практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот. Режим, при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия центрального процессора, называется прямым доступом к памяти (ПДП). Для его реализации необходим специальный контроллер. Подчеркнем, что режим ПДП в машинах первого и второго поколений не существовал. Поэтому встречающаяся иногда схема ЭВМ, на которой данные из устройств ввода напрямую поступают в ОЗУ, не соответствует действительности: данные при отсутствии контроллера ПДП всегда, сначала принимаются во внутренние регистры процессора и лишь затем в память.

При описании магистральной структуры мы упрощенно предполагали, что все устройства взаимодействуют через общую шину. С точки зрения архитектуры этого вполне достаточно. Упомянем все же, что на практике такая структура применяется только для ЭВМ с небольшим числом внешних устройств. При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМ единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу компьютера. Поэтому в состав ЭВМ могут вводиться одна или несколько дополнительных шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая - для связи с «быстрыми», а третья - с «медленными» внешними устройствами. Отметим, что высокоскоростная шина данных ОЗУ обязательно требуется при наличии режима ПДП.

Завершая обсуждение особенностей внутренней структуры современных ЭВМ, укажем несколько характерных тенденций в ее развитии. Во-первых, постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних устройств, что приводит, как описывалось выше, к усложнению системы связей между узлами ЭВМ. Во-вторых, вычислительные машины перестают быть однопроцессорными. Помимо центрального, в компьютере могут быть специализированные процессоры для вычисления с плавающей запятой (так называемые математические сопроцессоры), видеопроцессоры для ускорения вывода информации на экран дисплея и т.п. Развитие методов параллельных вычислений также вызывает к жизни вычислительные системы достаточно сложной структуры, в которых одна операция выполняется сразу несколькими процессорами. В-третьих, наметившееся стремление иметь быстродействующие машины не только для вычислений, но и для логического анализа информации, также может привести в ближайшие годы к серьезному пересмотру традиционной фон-неймановской архитектуры.

Еще одной особенностью развития современных ЭВМ является все ускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций. Все большее количество компьютеров объединяются в сети и обрабатывают имеющуюся информацию совместно.

Таким образом, внутренняя структура вычислительной техники постоянно совершенствовалась и будет совершенствоваться.

Вместе с тем, на данный момент подавляющее большинство существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоит из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановской архитектуры.

4. ОСНОВНОЙ ЦИКЛ РАБОТЫ ЭВМ

В данном разделе коротко рассмотрена последовательность действий при выполнении команды в ЭВМ. Можно утверждать, что рабочий цикл в общем виде одинаков для всех фон-неймановских машин.

Важной составной частью фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд. Этот специальный внутренний регистр процессора всегда указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. При включении питания или при нажатии на кнопку сброса в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в ПЗУ программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Дальнейшее функционирование компьютера определяется программой. Таким образом, вся деятельность ЭВМ - это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.

Каждая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда делится на ряд элементарных унифицированных составных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команды она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия:

1) согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд);

2) счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды (в простейшем случае для этой цели достаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, определяющуюся длиной команды);

3) считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.

Затем во всех случаях, за исключением команды останова или наступления прерывания, все описанные действия циклически повторяются.

После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.

Рассмотренный основной алгоритм работы ЭВМ позволяет шаг за шагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. Если же требуется изменить порядок вычислений для реализации развилки или цикла, достаточно в счетчик команд занести требуемый адрес (именно так происходит условный или безусловный переход).

В компьютерах на базе микропроцессоров INTEL 80286 и более поздних моделей для ускорения основного цикла выполнения команды используется метод конвейеризации (иногда применяется термин «опережающая выборка»). Идея состоит в том, что несколько внутренних устройств процессора работают параллельно: одно считывает команду, другое дешифрует операцию, третье вычисляет адреса используемых операндов и т.д. В результате по окончании команды чаще всего оказывается, что следующая уже выбрана из ОЗУ, дешифрована и подготовлена к исполнению. Отметим, что в случае нарушения естественного порядка выполнения команд в программе (например, при безусловном переходе) опережающая выборка оказывается напрасной и конвейер очищается. Следующая за переходом команда выполняется дольше, так как, чтобы конвейер «заработал на полную мощность», необходимо его предварительно заполнить. Иными словами, в конвейерной машине время выполнения программы может зависеть не только от составляющих ее команд, но и от их взаимного расположения.

5. СИСТЕМА КОМАНД ЭВМ И СПОСОБЫ ОБРАЩЕНИЯ К ДАННЫМ

Это делать. Буфера адресов позволяют в конечном итоге сгладить неравномерность поступления запросов к памяти и тем самым повысить эффективность ее использования. Третьей структурной особенностью БЭСМ-6 является метод использования сверхоперативной, неадресуемой из программы памяти небольшого объема, цель которого≈автоматическая экономия обращений к основному оперативному запоминающему...

Процессоры, входящие в состав периферийных устройств). В многомашинной вычислительной системе несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеет 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...

Пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее оклик. Принцип действия. Клавиатура относится к стандартным средствам персонального компьютера. Ее основные функции не нуждаются в поддержке специальными системными программами (драйверами). Необходимое программное обеспечения для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в...

Архитектура ЭВМ – совокупность основных устройств, узлов и блоков ЭВМ, а также структура основных управляющих и информационных связей между ними, обеспечивающая выполнение заданных функций.

Архитектура в информатике – концепция взаимосвязи элементов сложной структуры, включает компоненты логической, физической и программной структур.

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя.

Большинство современных ЭВМ функционируют на основе принципов, сформулированных в 1945 году американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом:

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

2. Принцип программного управления. Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3. 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.

4. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых которая доступна процессору в произвольный момент времени.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков (рис 1.1.) устройства ввода/вывода информации; 2) памяти ЭВМ; 3) процессора, включающего устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ)

В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память. Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.

Память ЭВМ состоит из двух видов памяти: внутренняя (оперативная) и внешняя (долговременная) память. Оперативная память – это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. Внешняя память – это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски.

За прошедшие десятилетия процесс совершенствования ЭВМ шел в рамках приведенной структуры (Рис. 1.2).

ЦПУ – центральное процессорное устройство.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ ) – для арифметических вычислений и принятия логических решений.

Запоминающее устройство (ЗУ ) служит для хранения информации.

Устройство управления (УУ ) – координация различных блоков ЭВМ.

АЛУ, ЗУ, УУ, устройства ввода/вывода нельзя отнести к категории только технического обеспечения, поскольку в них присутствует и программное. Такие составные части компьютера будем называть системами.

Рис. 1.2. Современная архитектура ЭВМ

Система - совокупность элементов, подчиняющихся единым функциональным требованиям.

Принцип открытой архитектуры - состоит в обеспечении возможности переносимости прикладных программ между различными платформами и обеспечения взаимодействия систем друг с другом. Эта возможность достигается за счет использования международных стандартов на все программные и аппаратные интерфейсы между компонентами систем. Это позволяет, во-первых, выполнять модернизацию ПК (upgrade), дополняя его новыми элементами и заменяя устаревшие блоки, во-вторых, дает возможность пользователю составлять самостоятельно структуру своего ПК в зависимости от конкретных целей и задач.

Структура компьютера – некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

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.

Структура памяти ЭВМ;

Способы доступа к памяти и внешним устройствам;

Возможность изменения конфигурации компьютера;

Система команд;

Форматы данных;

Организация интерфейса.

Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение архитектуры:

2. КЛАССИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА ЭВМ II ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА

Рисунок 2.1 - Архитектура ЭВМ, построенной на принципах Фон Неймана

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.