Архитектура – это наиболее общие принципы построения эвм, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.

ЭВМ – это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации под управлением программы.

Со времени появления в 40-х гг. XX в. первых электронных цифровых вычислительных машин технология их производства была значительно усовершенствована. В последние годы благодаря развитию интегральной технологии существенно улучшились их характеристики, значительно снизилась стоимость. Однако несмотря на успехи, достигнутые в области технологии, существенных изменений в базовой структуре и принципах работы вычислительных машин не произошло. Так, в основу построения подавляющего большинства современных компьютеров положены общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, сформулированные еще в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

Согласно фон Нейману, для того чтобы ЭВМ была универсальным и эффективным устройством обработки информации, она должна строиться в соответствии со следующими принципами:

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. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

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 рис. 4.13. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные - управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ.

Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура - устройство ввода, дисплей и печать - устройства вывода.

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). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.

 

Рис. 4.13. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана.

 

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 (исполняемая программа, часть необхо­димых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоми­нающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). 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.

Структура современного персонального компьютера представ­лена на рис. 4.14. Достижения микроэлектроники позволили объединить в одной интегральной схеме, называемой микропроцессором (МП) или процессором, АЛУ и УУ. Уменьшение габаритов ОЗУ по­зволило разместить МП и ОЗУ на одной электронной плате, назы­ваемой системной или материнской. Все связи между отдельными устройствами объединены в пучок параллельных проводов — локальную или системную шину. В состав этой шины входят шина данных, по которой передаются из ОЗУ в МП также и команды, ши­на адреса и шина синхронизации (управления).

 

Рис. 4.14. Структурная схема персонального компьютера

 

Устройства ввода-вывода (УВВ) разделены на собственно УВВ и управляющие ими контрол­леры (карты), включаемые в системную плату или установленные прямо на ней.

К устройствам ввода информации относятся клавиатура, ручные манипуляторы, мышь, трекбол, джойстик, трекпойн, джойстринг, диджитайзер, трекпад, сканер, световое перо, информационные перчатки, костюм, шлем, цифровая видеокамера, микрофон и т.д.

К устройствам вывода информации относятся дисплей, принтер, плоттер, акустические колонки и др.

Новым в структуре современного компьютера и принципе его действия являются сигналы и понятие прерываний (рис. 4.14). Прерывания появились в связи с переходом от математических вычис­лений, которые не зависят от внешних условий, к обработке ин­формации в реальном масштабе времени.

Компьютер должен реагировать на изменение внешних усло­вий, иногда немедленно, запоминая эти события или даже меняя алгоритм обработки. Допустим, если в микропроцессор извне по­ступает сигнал запроса на прерывание, которое обрабатывается всегда, выполнение текущей программы приостанавливается, в за­ранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес остановки в программе, и микропроцессор вы­полняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. После ее завершения вос­станавливаются все промежуточные результаты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.

В современных компьютерах возможна параллельная работа не­скольких процессоров. За счет распараллеливания выполнения од­ной задачи или параллельного выполнения многих задач достигает­ся увеличение общей производительности компьютера. Для этого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные про­цессоры.

Основу центрального процессора ПЭВМ составляет микропроцессор – обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения ОП и ВнУ и для управления ходом вычислительного процессора.

Наиболее существенными, классификационными различиями между МП чаще всего выступают:

- назначение (микропроцессоры для серверов и мощных приложений; МП для персональных компьютеров и т.д.);

- количество разрядов в обрабатываемой информационной единице (8-битовые, 16-битовые, 32-битовые, 64-битовые);

- технология изготовления (0,5 мкм; 0,35 мкм; 0,25 мкм; 0,18 мкм; 0,13 мкм; 0,07 мкм); МКМ – это микронная технология (каждый транзистор размещается на кристалле внутри квадрата с указанным размером стороны).

Микропроцессор (центральный микропроцессор, CPU) — про­граммно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации по алгоритму, задаваемому программой, находящейся в данный момент в оперативной памяти. Конструктивно представ­ляет собой небольшую микросхему внутри системного блока, уста­новленную на материнской плате.

Процессоры классифицируются по базовому типу, называемого семейством (Intel, AMD, Cyrix, Motorola). С целью преемствен­ности программного обеспечения последующие модели и модифи­кации процессоров, как правило, содержат всю систему команд своих предшественников. Основными характеристиками процессо­ра являются:

• быстродействие — количество операций, производимых в 1 се­кунду, измеряется в бит/с. Каждая последующая модель имеет бо­лее высокую производительность по сравнению с предыдущей. Маркировка современных процессоров имеет расширение ММХ (MultiMedia eXtention — расширение мультимедиа);

• тактовая частота — количество тактов, производимых про­цессором за 1 секунду. Операции, производимые процессором, не являются непрерывными, они разделены на такты. Эта характери­стика определяет скорость выполнения операций и непосредствен­но влияет на производительность процессора;

• разрядность — количество двоичных разрядов, которые про­цессор обрабатывает за один такт. Так, указывая разрядность 64, имеют в виду, что процессор имеет 64-разрядную шину данных, т. е. за один такт он обрабатывает 64 бита.