Invest-currency.ru

Как обезопасить себя в кризис?
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Архитектура пк это

Архитектура компьютера

Основной принцип построения ЭВМ носит название архитектуры фон Неймана — американского ученого венгерского происхождения Джона фон Неймана, который ее предложил.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).

Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер — техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

Персональный компьютер типа IBM PC имеет довольно традиционную архитектуру микропроцессорной системы и содержит все обычные функциональные узлы: процессор, постоянную и оперативную память, устройства ввода/вывода, системную шину, источник питания.

Архитектура персонального компьютера типа
IBM PC.

Основные особенности архитектуры персональных компьютеров сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.

Основные узлы компьютера следующие:

Центральный процессор — это микропроцессор со всеми необходимыми вспомогательными микросхемами, включая внешнюю кэш-память и контроллер системной шины. (О кэш-памяти подробнее будет рассказано в следующих разделах). В большинстве случаев именно центральный процессор осуществляет обмен по системной шине.

Оперативная память может занимать почти все адресуемое пространство памяти процессора. Однако чаще всего ее объем гораздо меньше. В современных персональных компьютерах стандартный объем системной памяти составляет, как правило, от 64 до 512 Мбайт. Оперативная память компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти и поэтому требует регенерации.

Постоянная память (ROM BIOS — Base Input/Output System) имеет небольшой объем (до 64 Кбайт), содержит программу начального запуска, описание конфигурации системы, а также драйверы (программы нижнего уровня) для взаимодействия с системными устройствами.

Контроллер прерываний преобразует аппаратные прерывания системной магистрали в аппаратные прерывания процессора и задает адреса векторов прерывания. Все режимы функционирования контроллера прерываний задаются программно процессором перед началом работы.

Контроллер прямого доступа к памяти принимает запрос на ПДП из системной магистрали, передает его процессору, а после предоставления процессором магистрали производит пересылку данных между памятью и устройством ввода/вывода. Все режимы функционирования контроллера ПДП задаются программно процессором перед началом работы. Использование встроенных в компьютер контроллеров прерываний и ПДП позволяет существенно упростить аппаратуру применяемых плат расширения.

Контроллер регенерации осуществляет периодическое обновление информации в динамической оперативной памяти путем проведения по шине специальных циклов регенерации. На время циклов регенерации он становится хозяином (задатчиком) шины.

Перестановщик байтов данных помогает производить обмен данными между 16-разрядным и 8-разрядным устройствами, пересылать целые слова или отдельные байты.

Часы реального времени и таймер-счетчик — это устройства для внутреннего контроля времени и даты, а также для программной выдержки временных интервалов, программного задания частоты и т.д.

Системные устройства ввода/вывода — это те устройства, которые необходимы для работы компьютера и взаимодействия со стандартными внешними устройствами по параллельному и последовательному интерфейсам. Они могут быть выполнены на материнской плате, а могут располагаться на платах расширения.

Платы расширения устанавливаются в слоты (разъемы) системной магистрали и могут содержать оперативную память и устройства ввода/вывода. Они могут обмениваться данными с другими устройствами на шине в режиме программного обмена, в режиме прерываний и в режиме ПДП. Предусмотрена также возможность захвата шины, то есть полного отключения от шины всех системных устройств на некоторое время.

Важная особенность подобной архитектуры — ее открытость, то есть возможность включения в компьютер дополнительных устройств, причем как системных устройств, так и разнообразных плат расширения. Открытость предполагает также возможность простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения компьютера.

Первый компьютер семейства, получивший широкое распространение, IBM PC XT, был выполнен на базе оригинальной системной магистрали PC XT-Bus. В дальнейшем (начиная с IBM PC AT) она была доработана до магистрали, ставшей стандартной и получившей название ISA (Industry Standard Architecture). До недавнего времени ISA оставалась основой компьютера.

Однако, начиная с появления процессоров i486 (в 1989 году), она перестала удовлетворять требованиям производительности, и ее стали дублировать более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) или заменять совместимой с ISA магистралью EISA (Enhanced ISA). Постепенно шина PCI вытеснила конкурентов и стала фактическим стандартом, а начиная с 1999 года в новых компьютерах рекомендуется полностью отказываться от магистрали ISA, оставляя только PCI. Правда, при этом приходится отказываться от применения плат расширения, разработанных за долгие годы для подключения к магистрали ISA.

Другое направление совершенствования архитектуры персонального компьютера связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти компьютер читает все исполняемые команды, и в системной же памяти он хранит данные. То есть больше всего обращений процессор совершает именно к памяти. Ускорение обмена с памятью приводит к существенному ускорению работы всей системы в целом.

Но при использовании для обмена с памятью системной магистрали приходится учитывать скоростные ограничения магистрали. Системная магистраль должна обеспечивать сопряжение с большим числом устройств, поэтому она должна иметь довольно большую протяженность; она требует применения входных и выходных буферов для согласования с линиями магистрали. Циклы обмена по системной магистрали сложны, и ускорять их нельзя. В результате существенного ускорения обмена процессора с памятью по магистрали добиться невозможно.

Разработчиками был предложен следующий подход. Системная память подключается не к системной магистрали, а к специальной высокоскоростной шине, находящейся «ближе» к процессору, не требующей сложных буферов и больших расстояний. В таком случае обмен с памятью идет с максимально возможной для данного процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это становится с ростом быстродействия процессора (сейчас тактовые частоты процессоров персональных компьютеров достигают 1 — 3 ГГц).

Таким образом, структура персонального компьютера из одношинной, применявшейся только в первых компьютерах, становится трехшинной.

Архитектура компьютерной системы

Презентацию к данной лекции Вы можете скачать здесь.

Введение

В данной лекции рассмотрим более подробно архитектуру компьютерной системы. Будут рассмотрены следующие вопросы:

  1. функционирование компьютерной системы
  2. архитектура ввода-вывода
  3. структура памяти
  4. иерархия памяти
  5. аппаратная защита памяти
  6. общая архитектура системы.

Архитектура компьютерной системы

Компьютерная система имеет модульную структуру. Для каждого устройства ( память , внешние устройства ) в системе имеется специальное устройство управления (иначе говоря, специальный процессор ), называемый контроллером устройства. Все модули ( центральный процессор , память и контроллер памяти, внешние устройства и их контроллеры) соединены между собой системной шиной (system bus),через которую они обмениваются сигналами. Как мы уже знаем, работой каждого контроллера управляет драйвер — специализированная низкоуровневая программа , являющаяся частью ОС.

Вот типичная структура современной настольной или портативной компьютерной системы, с указанием наиболее распространенных типов устройств и их характеристик.

Центральный процессор – устройство, выполняющее команды (instructions) компьютерной системы. В современных компьютерах, как правило, он является многоядерным (см. «Особенности ОС для различных классов компьютерных систем. ОС реального времени. ОС для облачных вычислений» ), т.е. имеет в своем составе от 2 до 32 ядер (копий) процессора, параллельно работающих на общей памяти, либо гибридным (см. «История ОС. Отечественные ОС. Диалекты UNIX. Режимы пакетной обработки, мультипрограммирования, разделения времени» ), состоящим из центрального и графического процессоров. Производительность каждого ядра – 3 – 3.2 GHz . Заметим, что под производительностью понимается в данном случае тактовая частота процессора (ядра) – время выполнения им одной самой простой машинной команды. Однако есть и другие важные факторы, определяющие общую производительность системы, — тактовая частота памяти и системной шины. Фактически итоговую производительность системы можно оценить по самой медленной из этих частей системы (обычно это системная шина ). Эти характеристики необходимо принимать во внимание при выборе и покупке компьютера.

Оперативная (основная) память, или просто память – устройство, хранящее обрабатываемые данные. Объем памяти – 1 – 16 гигабайт и более; меньший объем памяти использовать не рекомендуется, так как это может привести к значительному замедлению системы. Тактовая частота памяти – 667 MHz – 1.5 GHz .

Системная шина – устройство, к которому подсоединены все модули компьютера и через которое они обмениваются сигналами, например, о прерываниях. Тактовая частота шины – 1 – 1.5 GHz (это и есть фактически некая суммарная производительность системы). Обычно используется шина типа PCI (Peripheral Component Interconnect).К ней могут быть подсоединены процессор , память , диски, принтер, модем и другие внешние устройства .

Порты – устройства с разъемами для подключения к компьютеру внешних устройств . Каждый порт имеет свой контроллер (и, соответственно, свой драйвер ).

Чаще всего используется порт USB (Universal Serial Bus),с характерным плоским разъемом, размером порядка 1 см, с изображением трезубца. К портам USB могут подключаться большинство видов устройств, причем для этого не требуется предварительно отключать компьютер и подключаемое устройство, что очень удобно. Имеется несколько стандартов USB с различным быстродействием. Наиболее распространен ныне стандарт USB 2.0, обеспечивающий быстродействие порта 240 – 260 мегабит в секунду. Для сравнения, предыдущий стандарт – USB 1.0 – обеспечивал лишь 10 – 12 мегабит в секунду (как говорится, почувствуйте разницу). Распознать тип USB -порта на Вашем компьютере можно, если вывести информацию об устройствах; в Windows : Мой компьютер / (правая кнопка мыши) Свойства / Оборудование / Диспетчер устройств / Устройства USB. При этом контроллер порта USB 2.0 будет обозначен как расширенный (enhanced).Если это не так, Вам необходимо модернизировать порты USB или сам компьютер , иначе при переписи на флэшку Вам придется ждать в 20 раз дольше (!). Существуют также «переходники» USB 1.0 -> USB 2.0. Новейший стандарт USB 3.0, реализация которого только началась, обеспечит быстродействие не менее 1 гигабита в секунду. К порту USB можно подключать клавиатуру, мышь , принтеры, сканеры, внешние жесткие диски, флэшки и даже TV-тюнеры — устройства для приема телевизионного сигнала с антенны и показа телевизионного изображения на компьютере. Рекомендуется каждое устройство подключать всегда к одному и тому же порту USB , иначе для некоторых устройств (например, того же TV -тюнера) могут возникнуть проблемы.

Читать еще:  Linux mint не находит bluetooth устройства

Порты COM (communication ports) – порты для подключения различных коммуникационных устройств, например, модемов – устройств для выхода в Интернет и передачи информации по аналоговой или цифровой телефонной линии. Более старое название стандарта COM -порта – RS-232. В компьютерах 10-15 – летней давности к COM -порту часто подключалась мышка (сейчас она, разумеется, подключается через USB ). Разъемы COM -портов имеют два формата – «большой» (с 25 контактами — pins ) и «малый» (с 9 контактами). В современных компьютерах часто разъемы COM -порты отсутствуют, но операционная система , по традиции, имитирует наличие в системе виртуальных COM-портов – воображаемых COM -портов, которые ОС как бы инсталлирует в систему при установке, например, драйверов для взаимодействия через Bluetooth или через кабель компьютера с мобильным устройством . При этом физически мобильный телефон или органайзер может быть подключен к порту USB (или соединен с компьютером беспроводной связью), но все равно для взаимодействия с ним ОС использует виртуальный COM — порт , обычно с большим номером (например, 10 или 15). COM — порт иначе называют последовательным портом (serial port),так как, с точки зрения ОС и драйверов, COM — порт – это символьное устройство последовательного действия.

Порт LPT (от line printer ), или параллельный порт – это ныне уже устаревший вид порта для подключения принтера или сканера, с толстым в сечении кабелем и большим разъемом. Все новые модели принтеров и сканеров работают через USB -порты. Однако иногда приходится решать задачу подключения к новому компьютеру старого принтера. Если на компьютере нет LPT-порта , приходится покупать специальный переходник, подключаемый к USB или другим портам. Однако и здесь возможен сюрприз ( по личному опыту автора) – разъем LPT-порта имеет несколько не совместимых друг с другом модификаций. Лучше всего иметь в домашнем «вычислительном центре» один старый компьютер с LPT -портом и через него и подключать старые принтеры, обеспечивая обращение к ним с других компьютеров через домашнюю локальную сеть . Неудобство LPT-порта в том, что он требует предварительно выгрузить ОС и выключить принтер, и только после этого выполнять подсоединение к компьютеру, иначе возможен выход из строя принтера или компьютера. LPT — порт может, как правило, работать и для ввода информации, например, со сканером, но для этого требуется в низкоуровневой утилите Setup , запустив ее при загрузке ОС (обычно – клавишей Del ), установить для LPT-порта специальный режим работы: EPP – Extended Parallel Port.

Порты SCSI и SCSI-устройства. SCSI (Small Computer System Interface ; произносится » скАзи»,с ударением на первом слоге) – интерфейс , адаптеры и порты для подключения широкого спектра внешних устройств – жестких дисков, CD-ROM / DVD-ROM , сканеров и др. Стандарт SCSI был предложен в начале 1980-х гг. и получил широкое распространение, благодаря фирме Sun , которая широко использовала его в своих рабочих станциях. Характерной удобной возможностью SCSI является возможность подключения к одному SCSI -порту гирлянды (цепочки) SCSI-устройств (до 10), каждый из которых имеет уникальный для данного соединения SCSI ID – число от 0 до 9, устанавливаемое обычно на задней панели SCSI -устройства. Например, по традиции, SCSI ID сканера обычно равен 4. На одном из концов цепочки – SCSI — порт с контроллером, на другом – терминатор – переключатель на задней панели устройства, устанавливаемый в определенное положение как признак конца SCSI -цепочки. Каждое устройство, кроме последнего, соединено со следующим SCSI -устройством специальным кабелем. SCSI — разъем напоминает разъем порта LPT , однако имеет по бокам специальные металлические захваты («лапки») для большей надежности подключения. Преимущество SCSI , кроме возможности использования гирлянд устройств, в его быстродействии, а также надежности. Ранние модели SCSI имели скорость обмена информацией до 10-12 мегабит в секунду, сейчас – 240-250 мегабит в секунду. Имеется несколько стандартов SCSI (в том числе – Wide SCSI , Ultra Wide SCSI ), к сожалению, не совместимых по разъемам. Автор до сих пор использует SCSI — сканер 10-летней давности, подключенный к старому компьютеру, и имеет большой положительный опыт использования SCSI -устройств для рабочих станций SPARC .

Порт VGA (Video Graphic Adapter) используется для подключения монитора (дисплея),управляемого графическим контроллером (процессором).

IEEE 1394 (FireWire) – порты для подключения цифровых видеокамер или фотоаппаратов. Характерная особенность – небольшой блестящий плоский разъем шириной 3-5 мм (имеются два его стандарта). Порт работает в дуплексном режиме, т.е. позволяет управлять не только вводом информации с камеры в компьютер , но и установками самой камеры (например, перемоткой ленты) с помощью компьютерной программы (например, Windows Movie Maker). С помощью такого же порта может быть подключен также телевизор , имеющий интерфейс FireWire . Характерной особенностью современных компьютеров является то, что FireWire -порты монтируются прямо на материнской плате (motherboard) – основной печатной плате компьютера, на которой смонтированы процессор и память , — столь большое значение придают производители компьютеров портам для обмена мультимедийной информацией. В таких случаях в технических характеристиках компьютера обычно указывается: «FireWire on board (на борту)».Читателям рекомендуется не путать FireWire с Wi-Fi (см. «История ОС. Отечественные ОС. Диалекты UNIX. Режимы пакетной обработки, мультипрограммирования, разделения времени» ) – стандартом быстрой беспроводной связи; эти сокращения забавно напоминают друг друга из-за привязанности американцев к аббревиатурам в «детском стиле».

HDMI (High Definition Multimedia Interface) – интерфейс и порт . позволяющий подключить к компьютеру телевизор или другое видеооборудование, обеспечивающее наилучшее качество воспроизведения (HD – High Definition ). Разъем HDMI напоминает разъем USB . HDMI — порт входит в комплектацию всех современных портативных компьютеров.

Bluetooth – устройства для беспроводного подключения (с помощью радиосвязи) к компьютеру мобильных телефонов, органайзеров, а также наушников, плейеров и многих других полезных устройств. Удобство Bluetooth в том, что компьютер и телефон остаются соединенными, даже если отойти от компьютера с телефоном на некоторое расстояние (например, в другую комнату), не более 10-15 метров ( Bluetooth 2.0). Новый стандарт Bluetooth 3.0 обеспечивает взаимодействие на расстоянии 200-250 м. Обычно портативные компьютеры комплектуются встроенными адаптерами Bluetooth , либо можно приобрести адаптер Bluetooth , подключаемый через USB . Недостаток Bluetooth – относительно маленькая суммарная скорость передачи информации. Например, при пересылке на компьютер через Bluetooth с мобильного телефона Nokia 3230 цифровой фотографии объемом 500 килобайт требуется ждать порядка 10 – 15 секунд.

Инфракрасный порт (IrDA) – порт для подключения ноутбука к мобильному телефону (или двух ноутбуков друг к другу) через инфракрасную связь . Неудобство портов IrDA – необходимость установки двух соединяемых устройств рядом, на расстоянии 20-30 см друг от друга, без физических препятствий между ними. Скорость передачи информации – 10-12 мегабит в секунду. Современные ноутбуки уже не комплектуются портами IrDA .

Имеются также сетевые устройства – порты и адаптеры – для подключения компьютера к локальной сети.

Архитектура персонального компьютера

Архитектура персонального компьютера (ПК) включает в себя структуру, которая отражает состав ПК, и программное обеспечение.

Структура ПК – это набор его функциональных элементов (от основных логических узлов до простейших схем) и связей между ними.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ПК, к которым относят процессор, оперативное запоминающее устройство, внешние запоминающие устройства и периферийные устройства.

Основным принципом построения всех современных ПК является программное управление.

Классическая архитектура фон Неймана

В $1946$ году американские математики Джон фон Нейман, Герман Голдштейн и Артур Бёркс в совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. На основе этих принципов производилось $1$-е и $2$-е поколение компьютеров. В следующих поколениях происходили некоторые изменения, но принципы фон Неймана (как они были названы) сохранялись.

Основные принципы фон Неймана:

  1. Использование двоичной системы счисления в ПК, в которой устройствам гораздо проще выполнять арифметико-логические операции, чем в десятичной.
  2. Программное управление ПК. Работа ПК управляется программой, которая состоит из набора команд, выполняющихся последовательно одна за другой. Создание машины с хранимой в памяти программой положило начало программированию.
  3. Данные и программы хранятся в памяти ПК. Команды и данные кодируются одинаково в двоичной системе.
  4. Ячейки памяти ПК имеют последовательно пронумерованные адреса. Возможность обращения к любой ячейке памяти по ее адресу позволила использовать переменные в программировании.
  5. Возможность условного перехода при выполнении программы. Команды в ПК выполняются последовательно, но при необходимости можно реализовать переход к любой части кода.
Читать еще:  Основы архитектуры пк

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Основным принципом было то, что программа уже стала не постоянной частью машины, а изменяемой, в отличие от аппаратуры, которая остается неизменной и очень простой.

Фон Нейманом также была предложена структура ПК (рис. 1).

Рисунок 1. Структура ПК

В состав машины фон Неймана входили:

  • запоминающее устройство (ЗУ);
  • арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняло все арифметические и логические операции;
  • устройство управления (УУ), которое координирует действия всех узлов машины в соответствии с программой;
  • устройства ввода-вывода.

Программы и данные вводились в ЗУ из устройства ввода через АЛУ. Все команды программы записывались в ячейки памяти последовательно, а данные для обработки – в произвольные ячейки.

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

Команда состояла из указания операции, которую необходимо выполнить, и адресов ячеек памяти, в которых хранятся данные и над которыми необходимо выполнить нужную операцию, а также адреса ячейки, в которую необходимо записать результат (для хранения в ЗУ).

Из АЛУ результаты выводятся в ЗУ или устройство вывода. Принципиально эти устройства отличаются тем, что в ЗУ данные хранятся в удобном для обработки ПК виде, а на устройства вывода (монитор, принтер и т.п.) в удобном для человека.

От УУ на другие устройства поступают сигналы с командами, а от других устройств УУ получает информацию о результате их выполнения.

В УУ содержится специальный регистр (ячейка) – счетчик команд, в который записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое соответствующей ячейки памяти и помещает его в специальное устройство – регистр команд. УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

После выполнения команды счетчик команд увеличивается на $1$ и указывает на следующую команду программы. При необходимости выполнения команды, которая не следует по порядку за текущей, специальная команда перехода содержит адрес ячейки, в которую нужно передать управление.

Архитектура современных ПК

В основу архитектуры современных ПК заложен магистрально-модульный принцип. ПК состоит из отдельных частей – модулей, которые являются относительно самостоятельными устройствами ПК (напрмер, процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т.д.).

Модульный принцип позволяет пользователю самостоятельно комплектовать необходимую конфигурацию ПК и производить при необходимости его обновление. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Для работы ПК как единого механизма необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами, за что отвечает системная (магистральная) шина, которая выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

Основные особенности архитектуры ПК сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.

Подобная архитектура характеризуется ее открытостью – возможностью включения в ПК дополнительных устройств (системных и периферийных), а также возможностью простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения ПК.

Также совершенствование архитектуры ПК связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти, в которой хранятся данные, ПК считывает все исполняемые команды. Таким образом больше всего обращений центральный процессор совершает к памяти и ускорение обмена с памятью приведет к существенному ускорению работы всей системы в целом.

Т.к. при использовании системной магистрали для обмена процессора с памятью приходится учитывать скоростные ограничения самой магистрали, то существенного ускорения обмена данными с помощью магистрали добиться невозможно.

Для решения этого вопроса был предложен следующий подход. Системная память вместо системной магистрали подключается к специальной высокоскоростной шине, которая дистанционно находится ближе к процессору и не требует сложных буферов и больших расстояний. В этом случае обмен с памятью идет с максимально возможной для процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это решение стало с ростом быстродействия процессора.

Таким образом, структура ПК из одношинной, которая применялась только в первых компьютерах, становится трехшинной.

Рисунок 2. Трехшинная структура ПК

АЛУ и УУ в современных ПК образуют процессор. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем, называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Многопроцессорная архитектура ПК

Наличие в ПК нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и команд, т.е. одновременно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК

Многомашинная вычислительная система

В архитектуре многомашинной вычислительной системы каждый процессор имеет свою оперативную память. Применение многомашинной вычислительной системы эффективно при решении задач, которые имеют очень специальную структуру, которая должна состоять из такого количества ПК, на сколько слабо связанных подзадач разбита система.

Многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы имеют преимущество перед однопроцессорными в быстродействии.

Архитектура с параллельными процессорами

В данной архитектуре несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. 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.

Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и другие архитектурные решения, отличные от рассмотренных выше.

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь

2 Архитектура компьютера

2.2. Архитектура компьютера

2.2.1. Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана

Термин «архитектура» довольно часто встречается в литературе по вычислительной технике. Архитектура ПК – это описание совокупности устройств и блоков компьютера, а также связей между ними. Кроме того, архитектура – это описание принципа действия ПК. Ближе всего к понятию архитектура находится термин «функциональная схема».

Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной – ЭВМ. Струк тура такого устройства была описана знаменитым матема тиком Джоном фон Нейманом в 1945 г. Фон Нейман выдвинул основополагающие прин-ципы логического устройства ЭВМ и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. На рис. 2.2 пунктирными линиями обо значены цепи сигналов управления (управляющие связи), одинарными – цепи передачи данных и адресов (информационные связи).

Основными блоками по Нейману являются устройства управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативная память, внешняя память, устройства ввода и вывода. ВЗУ – внешнее запоминающее устройство отличается от других устройств вводавывода тем, что данные в него 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.

Рис. 2.2. Структурная схема вычислительного устройства

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение арифметических и логических операций, согласование работы узлов компьютера).

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство или память, хранит данные, адреса и команды, обладает высокой скоростью записи и чтения чисел. Состоит из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабаты ваемые данные, или инструкции программ.

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.

2.2.2. Совершенствование и развитие внутренней структуры ЭВМ

Такая классическая схема соответствовала компьютерам 1 и 2-го поколений; 3-е поколение ЭВМ характеризуется переходом от транзисторов к большим интегральным микросхемам (БИС). Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов компьютера, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия компьютера.

Быстродействие процессора значительно выросло, что привело к противоречию между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств вводавывода. Устройства вводавывода содержат механически движущиеся части и работают значительно более медленно. Процессор большей частью простаивал в ожидании информации из внешнего мира. Со временем процессор освободили от управления работой внешних устройств. Работой внешних устройств стали управлять «периферийные процессоры» – контроллеры (рис. 2.3). Контроллер – устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным программам 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.

Один из самых важных контроллеров – ПДП-контроллер (ПДП – прямой допуск к памяти) обеспечивает прямой доступ к оперативной памяти. При считывании информации с диска в память и наоборот процессор должен запустить системную шину, выбрать несколько байт информации, поместить в свою внутреннюю память, снова запустить шину и эту информацию поместить в устройство, обслуживающее диск. Процесс выполнения программ замедляется за счет потери времени на эти операции. ПДП-контроллер выполняет эти операции, не загружая процессор и системную шину. Выполнение программы и пересылка информации идут одновременно.

Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин 3-го и 4-го поколения.

Читать еще:  Разделяемая память в linux

Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина — это линия для передачи сигналов, к которой могут параллельно подключаться несколько устройств компьютера. Шина состоит из трех частей (рис. 2.3):

ü шина данных, по которой передается информация;

ü шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

ü шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Рис. 2.3. Структура современного персонального компьютера

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами. На практике такая структура применяется только для компьютеров с небольшим числом внешних устройств. При увеличении потоков информации между устройствами компьютера единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу. В состав компьютера 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.

В центральный процессор кроме регистров общего назначения (РОН) добавлена кэш-память. Промежуточные результаты при выполнении арифметических и логических операций над данными сохраняются в РОН. Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память и обратно. Кэш-память имеет большее быстродействие, чем оперативная память.

Принципиально новым в структуре современного компьютера и принципе его действия является понятие прерываний. Прерывание – это остановка работы ПК при возникновении определенного события. Прерывания появились в связи с переходом от математических вы числений, которые не зависят от внешних условий, к обработке информации в реальном масштабе времени. Компьютер должен реаги ровать на изменение внешних условий иногда немедленно, запо миная эти события или даже меняя алгоритм его обработки. Если в процессор извне поступает сигнал запроса на прерывание, которое обрабатывается всегда, выполнение текущей программы приостанавливается. В заранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес останова в программе. М икропроцессор выполняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. По сле ее завершения восстанавливаются все промежуточные результа ты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.

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

Персональный компьютер типа IBM PC, названный по имени американской компании, которая в 1981 г. впервые выпустила такие ПК (International Business Machines Personal Computer), ст ал стандартом персональных компьютеров.

В IBM PC была заложена возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей. Методы совместимости устройств с компьютером IBM PC не дер жались в секрете, а были доступны всем желающим. Этот принцип, называемый принципом открытой архитектуры, предусматривает воз можность дополнения имеющихся аппаратных средств новыми устройствами без замены старых. Например, можно наращивать оперативную память, подключать новые периферийные устройства, заменять старые устройства новыми без замены компьютера. Такие опе рации называются «upgrade» (расширить, обновить).

2.2.3. Основной цикл работы компьютера

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 (начальной установки) в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в постоянном запоминающем устройстве программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Дальнейшее функционирование компьютера определяется программой. Вся деятельность компьютера – это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.

Каждая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, 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.

При выполнении каждой команды компьютер проделывает определенные стандартные действия:

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

ü 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);

ü 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.

Архитектура персонального компьютера

Архитектура персонального компьютера определяется в первую очередь его внутренним устройством: центральным процессором и подсистемами памяти, внутримашинным интерфейсом, а также подсистемами ввода-вывода информации (рис. 3.3).

Центральным блоком персонального компьютера является микропроцессор, управляющий всеми другими устройствами компьютера и выполняющий арифметические и логические операции с данными. В состав микропроцессора входят:

устройство управления (УУ), формирующее па основе опорных сигналов тактового генератора сигналы управле-

Рис. 3.3. Структурная схема персонального компьютера

ния, а также адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передающее их в соответствующие блоки;

  • арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над данными;
  • микропроцессорная память (МПП), служащая для кратковременного хранения, записи и выдачи данных, непосредственно используемых в вычислениях в ближайшие такты машины. Микропроцессорная память реализована в виде регистров – быстродействующих устройств, предназначенных для временного хранения данных ограниченного размера. Как правило, регистры имеют ту же разрядность, что и машинное слово (двоичное число, обрабатываемое за один такт);
  • интерфейсная система микропроцессора (ИСМ), реализующая сопряжение (связь) микропроцессора с другими устройствами компьютера. Включает внутренний интерфейс микропроцессора, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.

Основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой, является системная шина (магистраль), в состав которой входят следующие компоненты:

  • шина данных для параллельной передачи всех разрядов машинного слова данных;
  • шина адреса из проводов и схем сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
  • шина управления для передачи управляющих сигналов во все блоки компьютера.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

  • • между микропроцессором и основной памятью;
  • • микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
  • • основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки компьютера (их порты ввода-вывода) через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется, как правило, контроллером шины, формирующим основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Основная память компьютера предназначена для хранения и оперативного обмена информацией между блоками компьютера. Содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ):

  • • ПЗУ хранит неизменяемую (постоянную) программную информацию и позволяет только считывать хранящуюся в нем информацию. Здесь хранятся программы тестирования оборудования ПК, обслуживания ввода/вывода, некоторые данные и др. При выключении электропитания компьютера содержимое постоянной памяти сохраняется;
  • • ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в процессе работы ПК. Главное достоинство оперативной памяти – ее высокое быстродействие и возможность прямого обращения к каждой адресуемой группе из восьми ячеек памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). Память называется оперативной потому, что работает так быстро, что процессору почти не приходится ждать при чтении данных из памяти и записи в нее. При выключении питания ПК вся информация ОЗУ стирается. Объем установленной в компьютере оперативной памяти определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недостаточном объеме оперативной памяти многие программы либо не работают, либо работают медленно.

Внешняя память ПК относится к внешним устройствам и используется для долговременного хранения информации. Устанавливаемое и все прикладное программное обеспечение компьютера хранится во внешней памяти. К внешней памяти компьютера относятся разнообразные запоминающие устройства, но основными являются накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД). Назначение этих дисков – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках, флеш-карты и др.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) генерирует последовательность электрических импульсов. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы компьютера. Частота ГТИ – одна из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Источник питания (ИП) компьютера представляет собой блок, содержащий системы энергопитания узлов ПК.

К внешним устройствам персонального компьютера кроме внешней памяти относятся разнообразные устройства ввода/вывода информации, и основными здесь являются видеомонитор, клавиатура, мышь.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты 220 Вольт
Adblock
detector