Архитектура- это принципы построения функциональных узлов эвм и организация информационных и управляющих связей между ними и внешними устройствами ввода – вывода.

Уточнение: речь идет об архитектуре всего компьютера – desktopа (рабочей станции), ноутбука, нетбука и т.п. Эта архитектура практически устоявшаяся вещь. Не путать с архитектурой процессора ЭВМ. Это будет рассматриваться в специальной дисциплине.

Архитектура ЭВМ определяет:

Структура памяти ЭВМ

Способы доступа к памяти и внешним устройствам

Возможность изменения конфигурации компьютера

Система команд

Форматы данных

Организация интерфейса

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил Джон фон Нейман. В 1946 году он вместе со своими коллегами опубликовал статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства», в которой убедительно обосновывается использование двоичной системы счисления для представления чисел в ЭВМ (до этого машины хранили данные в десятичном виде) и излагаются следующие принципы:

1. Принцип программного управления. Согласно этому принципу программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Команды выполняют действия над регистрами, ячейками памяти (изменяют их содержимое).

Для понятия этого принципа надо знать следующие определения.

Регистр – выполняет функцию хранения операнда или команды в процессоре (при выключении питания содержимое регистра не сохраняется).

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – память с байтовой структурой адресации (при выключении питания содержимое памяти не сохраняется).

Счетчик команд – регистр устройства управления (УУ), содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды. По этому адресу из оперативной памяти извлекается очередная команда для исполнения её процессором.

Этот регистр последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым осуществляется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если после выполнения очередной команды нужно перейти не к следующей, то используются команды условного или безусловного переходов. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти (принцип хранимой команды). Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатом вычислений.

3. Принцип адресности. Оперативная память состоит из пронумерованных ячеек (байт); процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Это позволяет обращаться к произвольной ячейке (адресу) без просмотра предыдущих ячеек.

Архитектуру компьютеров, построенных на этих принципах, относят к архитектуре фон-Неймана. На сегодняшний день это подавляющее большинство компьютеров, в том числе и IBM PС – совместимые. Но есть и компьютерные системы с иной архитектурой – например системы для параллельных вычислений.

Архитектура ЭВМ, построенная на принципах фон Неймана

Структура современных ЭВМ

Начало изменений в классической архитектуре относится к 3-му поколению ЭВМ (переход от транзисторов к интегральным схемам). Это было обусловлено возникновением противоречия между высокой скоростью обработки данных внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода (у них механические части). Процессор вынужден простаивать в ожидании данных извне. Стало необходимо освободить центральный процессор от функции обмена данными с внешними устройствами.

В современных ЭВМ эта функция передана контроллеру. Контроллер (адаптер) – устройство, которое связывает периферийное оборудование и каналы связи с центральным процессором, освобождая его от непосредственного управления функционированием данного оборудования, т.е. контроллер – это специализированный процессор с собственной системой команд (контроллер НГМФ, контроллер принтера, видеоадаптер и др.). Сейчас любое внешнее устройство имеет контроллер.

Схема работы. Центральный процессор при необходимости обмена с внешним устройством выдает задание контроллеру на его осуществление. Контроллер создает канал связи между ОЗУ и внешним устройством. Дальнейшая передача идет под управлением контроллера без использования центрального процессора

Следующие изменение архитектуры. Появилось принципиально новое устройство – общая шина (магистраль, системная шина) для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ.

Системная шина – это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает:

Кодовую шину данных, которая служит для параллельной передачи всех разрядов числового кода. В ПК на базе Intel Pentium шина данных 64-х разрядная, за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных. Что передается.

Кодовую шину адреса, которая служит для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода – вывода внешнего устройства. Данные, передаваемые по адресной шине – трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить. В современных процессорах шина адреса 32-разрядная (состоит из 32 параллельных проводников). Куда передается.

Кодовую шину управления (командная шина) – служит для передачи управленческих сигналов во все блоки машины. Большинство современных компьютеров имеют 32 разрядную командную шину, но бывают и 64-разрядные. Как передается.

Шинная архитектура ЭВМ

 

1. Как видно такую структуру легко пополнять новыми устройствами – открытость архитектуры.

2. Появление блока видеопамяти связано с разработкой особого устройства вывода – дисплея (монитора). Для получения на экране стабильной картинки ее нужно где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером. Затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Конструктивно видеопамять может быть выполнена как часть обычного ОЗУ или содержаться в контроллере дисплея.

3. Еще особенность современной ЭВМ. Существует режим прямого доступа к памяти (ПДП), при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия ЦП. Для этого существует специальный контроллер ПДП. Режим ПДП появился только в машинах III поколения.

4. Пример использования ПДП. Работа звуковой карты. Воспроизведение звуков с точки зрения процессора очень медленное (процессор - частота 500 МГц, частота дискретизации CD – 44 Гц) В этом случае процессор лишь помещает в ОЗУ необходимые данные и сообщает контроллеру ПДП их адрес и количество. Последний, не спеша, обеспечивает передачу данных, которая требуется звуковой карте.

5. При описании магистральной структуры с точки зрения архитектуры упрощенно предполагалось, что все устройства взаимодействуют через общую шину. На практике при увеличении потоков данных между устройствами ЭВМ вводится одна или несколько дополнительных шин. Например, одна – для обмена с памятью, вторая для связи с «быстрыми», третья – с «медленными» внешними устройствами.

Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

• между микропроцессором и основной памятью;

• между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств;

Порты ввода-вывода всех устройств через соответствующие разъемы (слоты) подключаются к шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры (адаптеры).

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками компьютера.

Внешняя память используется для долговременного хранения информации, которая может быть в дальнейшем использована для решения задач.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических символов, частота которых задает тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет такт работы машины.

Источник питания — это блок, содержащий системы автономного и сетевого питания компьютера.

Таймер - это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие автоматический съем текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания и при отключении компьютера от сети продолжает работать.

Внешние устройства компьютера обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

Основными функциональными характеристиками персонального компьютера являются:

1) производительность, быстродействие, тактовая частота. внешних устройств. Производительность современных ЭВМ измеряют обычно в миллионах флопс (flops) в секунду;

2) разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса. Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК;

3) типы системного и локальных интерфейсов.

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды;

4) емкость оперативной памяти.

Емкость оперативной памяти измеряется обычно в Мбайтах. Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющей емкость меньше 16 Мбайт, просто не работают, либо работают, но очень медленно;

5) емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера). Емкость винчестера измеряется обычно в Гбайтах;

6) наличие, виды и емкость кэш-памяти.

Кэш-память — это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность персонального компьютера примерно на 20%;