Архітектура ЕОМ та її основні характеристики - Реферат Поняття та основні види архітектури ЕОМ Архітектура та принципи роботи ЕОМ
СтруктураКомп'ютер - це сукупність його функціональних елементів і зв'язків між ними. Елементами можуть бути різні пристрої - від основних логічних вузлів комп'ютера до найпростіших схем. Структура комп'ютера графічно представляється як структурних схем, з допомогою яких можна дати опис комп'ютера будь-якому рівні детализации.
Архітектуроюкомп'ютера вважається його представлення на деякому загальному рівні, що включає опис можливостей програмування, системи команд, системи адресації, організації пам'яті і т. д. Архітектура визначає принципи дії, інформаційні зв'язки та взаємне з'єднання основних логічних вузлів комп'ютера: процесора, оперативного запам'ятовуючого пристрою (ОЗП, ВП), зовнішніх ЗП та периферійних пристроїв.Спільність архітектури різних комп'ютерів забезпечує їхню сумісність з погляду користувача.
Принципи фон Неймана
В основу архітектури більшості комп'ютерів покладено такі загальні принципи, сформульовані в 1945 р. американським вченим Джоном фон Нейманом у звіті ЕОМ ЕЕУАС:
- принцип програмного керування.З нього випливає, що програма складається з набору команд, які виконуються процесором автоматично один за одним у певній послідовності. Вибір програми з пам'яті здійснюється за допомогою лічильника команд(СчАК). Цей регістр процесора послідовно збільшує адресу чергової команди, що зберігається в ньому. Якщо після виконання команди слід перейти не до наступної, а до іншої, використовуються команди умовного чи безумовного переходів,які заносять до лічильника команд номер комірки пам'яті, що містить наступну команду;
- принцип однорідності пам'ятіпрограми та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті. Тому комп'ютер не розрізняє, що зберігається в цій клітинці пам'яті - число, текст чи команда. Над командами можна виконувати такі самі дії, як і над даними. Наприклад, програма в процесі свого виконання також може перероблятися, що дозволяє задавати в самій програмі правила отримання деяких її частин (так у програмі організується виконання циклів і підпрограм);
- принцип адресності.Структурно основна пам'ять складається з перенумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка. Звідси слід давати імена областям пам'яті те щоб до запам'ятаним у яких значенням можна було згодом звертатися чи змінювати в процесі виконання програм з допомогою присвоєних імен.
Комп'ютери, побудовані цих принципах, ставляться до типу фон-неймановских. Існують і інші класи комп'ютерів, які принципово відрізняються від них, - не-фон-нейманівські.
Наприклад, в асоціативних комп'ютерах може не виконуватися принцип програмного управління, оскільки кожна команда тут містить наступну адресу (тобто вони можуть працювати без лічильника команд, що вказує на команду програми, що виконується).
Через понад 60 років більшість комп'ютерів так і мають «фон-нейманівську архітектуру», причому принципи фон Неймана реалізовані в наступному вигляді:
- оперативна пам'ять (ВП) організована як сукупність машинних слів (МС) фіксованої довжини чи розрядності(мається на увазі кількість двійкових одиниць або біт, що містяться в кожному МС). Наприклад, ранні ПЕОМ мали розрядність 8, потім з'явилися 16-розрядні, а потім - 32- і 64-розрядні машини. Свого часу існували також 45-розрядні (М-20, М-220), 35-розрядні (Мінськ-22, Мінськ-32) та інші машини;
- ВП утворює єдиний адресний простір, адреси МС зростають від молодших до старших;
- в ОП розміщуються як дані, і програми, причому у області даних одне слово, зазвичай, відповідає одному числу, а області програми - одній команді (машинної інструкції - мінімальному і неподільному елементу програми);
- команди виконуються в природної послідовності(за зростанням адрес в ОП), поки не зустрінеться команда управління(умовного/безумовного переходу, або розгалуження - branch), внаслідок якої природна послідовність порушиться;
- ЦП може довільно звертатися до будь-яких адрес в ОП для вибірки та/або запису в МС чисел або команд.
Функціональні блоки (агрегати, пристрої)
У той час як логічні елементи і вузли багато в чому універсальні і можуть використовуватися в різних поєднаннях для вирішення різноманітних завдань, блоки (агрегати) ЕОМ являють собою комплекси елементів (вузлів), орієнтовані на вузьке коло завдань (операцій). Такі агрегати, як АЛУ, процесор, банк пам'яті, зовнішні пристрої (НГМД та ін.), обов'язково включають до свого складу (крім механічного, оптичного, електромагнітного та іншого обладнання) логічні елементи та вузли, що використовуються для зберігання інформації, її обробки та управління цими процесами.
Центральний пристрій(ЦУ) представляє основну компоненту ЕОМ і, у свою чергу, включає ЦП - центральний процесор (central processing unit - CPU) і ВП - оперативну (головну) пам'ять або оперативний пристрій - ОЗУ (синоніми - Main Storage, Core Storage, Random Access Memory - RAM).
Процесор безпосередньо реалізує операції обробки інформації та управління обчислювальним процесом, здійснюючи вибірку машинних команд та даних з оперативної пам'яті, їх виконання та запис результатів у ВП, включення та відключення ВП. Основними блоками процесора є:
- пристрій управління (УУ) з інтерфейсом процесора (системою сполучення та зв'язку процесора з іншими вузлами машини);
- арифметико-логічний устрій (АЛУ);
- процесорна пам'ять (внутрішній кеш)
Оперативна пам'ять призначена для тимчасового зберігання даних та програм у процесі виконання обчислювальних та логічних операцій.
Арифметико-логічний устрій (АЛУ). Arithmetic and Logical Unit (ALU) – частина процесора, що виконує арифметичні та логічні операції над даними.
АЛУ реалізує набір найпростіших операцій. Арифметичною операцією називають процедуру обробки даних, аргументи та результат якої є числами (додавання, віднімання, множення, розподіл). Логічною операцією називають процедуру, яка здійснює побудову складного висловлювання (операції і, або, не). АЛУ складається з регістрів, суматора з відповідними логічними схемами та блоку управління виконуваним процесом. Пристрій працює відповідно до повідомленнями кодами операцій, які повинні бути виконані над змінними, що поміщаються в регістри.
Зовнішні пристрої (ВП).ВП забезпечують ефективну взаємодію комп'ютера з довкіллям - користувачами, об'єктами управління, іншими машинами.
У спеціалізованих керуючих ЕОМ (технологічні процеси, зв'язок, ракети та ін.) зовнішніми пристроями введення є датчики (температури, тиску, відстані та ін.), пристроями виведення - маніпулятори (гідро-, пневмо-, сервоприводи рулів, вентилів та ін.) .
У універсальних ЕОМ (людино-машинна обробка інформації) як ВУ виступають термінали, принтери та ін.
Інтерфейси (канали зв'язку)служать для поєднання центральних вузлів машини з зовнішніми пристроями.
Однотипні ЦП та пристрої зберігання даних можуть використовуватися в різних типах машин. Відомі приклади того, як фірми, що почали свою діяльність з виробництва керуючих машин, удосконалюючи свою продукцію, перейшли до випуску систем, які в залежності від конфігурації ВП можуть виконувати роль як універсальних, так і керуючих машин (машини Hewlett-Packard - HP та Digital Equipment Corporation – DEC).
Абстрактний центральний пристрій
Перерахуємо основні поняття та розглянемо структуру та функції абстрактного центрального пристрою ЕОМ (рис. 2.23), арифметико-логічний пристрій (АЛУ) (arithmetic and logic unit – ALU) якого призначено для обробки цілих чисел та бітових рядків.
Команда, інструкція (instruction) -опис операції, яку необхідно виконати. Кожна команда характеризується форматом, що визначає її структуру. Типова команда містить:
- код операції (КОП), що характеризує тип виконуваної дії;
- адресну частину (A4), яка в загальному випадку включає:
- - номери (адреси) індексного (ІР) та базисного (БР) регістрів;
- - адреси операндів – Al, А2 тощо.
Цикл процесора -період часу, протягом якого здійснюється виконання команди вихідної програми в машинному вигляді; складається з кількох тактів.
Тактроботи процесора – проміжок часу між сусідніми імпульсами (tick of the internai clock) генератора тактових імпульсів,частота яких є тактова частота процесора Такт процесора (такт синхронізації)квант часу, протягом якого здійснюється елементарна операція – вибірка, порівняння, пересилання даних.
Розрядність
Команда до+ 1 Команда до
Адресна частина (адресність) /
Базисні регістри (БР1, БР2, ...)
Індексні регістри (ІР1, ІР2, ...)
Реєстр результату
Регістри числа (РЧ1, РЧ2, ...)
Реєстр адреси команди (РАК, СЧАК)
Реєстри адреси (РА1, РА2, ...)
Реєстр команди (РК)
Суматор
Пристрій керування (УУ)
Рис. 2.23. Структура найпростішого центрального устрою ЕОМ
Виконання короткої команди -арифметика з ФТ (фіксованою комою – ФЗ), логічна операція – займає як мінімум п'ять тактів (див. також рис. 3.1):
- вибірка команди (Fetch);
- розшифрування коду операції/декодування (instruction Decode);
- обчислення адреси та вибірка даних із пам'яті (Address Generate, Load)
- виконання операції (Execute);
- запис результату на згадку (write Back, store).
Процедура, що відповідає кожному такту, реалізується певним логічним ланцюгом (схемою) процесора, зазвичай називається мікрокомандою.
Реєстри -пристрої, призначені для тимчасового зберігання даних обмеженого розміру (реєстровий пристрій - РЗП). Важливою характеристикою регістра є висока швидкість прийому та видачі даних. Регістр складається з розрядів, в які можна швидко записувати, запам'ятовувати і зчитувати слово, команду, двійкове число і т. д. Зазвичай регістр має ту саму розрядність, що й машинне слово.
Регістр, який має здатність переміщати вміст своїх розрядів, називають зсувним.У цих регістрах за один такт слово, що зберігається, порозрядно зсувається на одну позицію.
Регістри загального призначення -РОН, регістри надоперативної пам'яті або регістровий файл - РФ (General Purpose Registers) - загальна назва для регістрів, які тимчасово містять дані, що передаються на згадку або приймаються з неї.
Реєстр команди(РК, Instruction Register - IR) служить розміщення поточної команди, що у ньому протягом поточного циклу процесора.
Регістр (РАК), лічильник (СчАК) адреси команди(program counter – PC) – регістр, що містить адресу поточної команди.
Реєстр адреси (числа) -РА(Ч) - містить адресу одного з операнда виконуваної команди (регістрів може бути кілька).
Реєстр числа (РЧ)містить операнд виконуваної команди, цих регістрів також кілька.
Реєстр результату (РР)призначається зберігання результату виконання команди.
Суматор -регістр, який здійснює операції складання (логічного та арифметичного двійкового) чисел або бітових рядків, поданих у прямому чи зворотному коді.Регістр, що зберігає проміжні дані, часто називають акумулятор.
Існують інші регістри, не зазначені на схемі, наприклад регістр стану - Status Register (SR) або регістр прапорів. Типовим змістом SR є інформація про особливі результати завершення команди (нуль, переповнення, поділ на нуль, перенесення та ін.). УУ використовує інформацію із SR для виконання умовних переходів (наприклад, «у разі переповнення перейти на адресу 4170»). Нижче докладніше будуть розглянуті регістри процесора 18086.
Цикл виконання короткої командиможе виглядати так.
- 1. Відповідно до вмісту СчАК (адреса чергової команди) УУ витягує з ВП чергову команду та поміщає її в РК. Деякі команди УУ обробляє самостійно, без залучення АЛУ (наприклад, за командою «перейти за адресою 2478» величина 2478 відразу заноситься до СчАК, і процесор переходить до виконання наступної команди.
- 2. Здійснюється розшифровка (декодування) команди.
- 3. Адреси Al, А2 тощо поміщаються в регістри адреси.
- 4. Якщо в команді вказані ІР або БР, їх вміст використовується для модифікації РА - фактично вибираються числа або команди, зміщені в ту чи іншу сторону по відношенню до адреси, вказаної в команді.
- 5. За значеннями РА здійснюється читання чисел (рядків) та розміщення їх у РЧ.
- 6. Виконання операції та приміщення результату в РР.
- 7. Запис результату за однією з адрес (якщо необхідно).
- 8. Збільшення вмісту СчАК на одиницю (перехід до наступної команди).
Очевидно, що за рахунок збільшення кількості регістрів можливо розпаралелювання, перекриттяоперацій. Наприклад, при зчитуванні команди СчАК можна автоматично збільшити на 1, підготувавши вибір наступної команди. Після розшифрування поточної команди РК звільняється і може бути прочитана наступна команда. При виконанні операції можливе розшифрування наступної команди і т. д. Все це є передумовою побудови так званих конвеєрних структур (pipeline). Однак усе це добре лише за послідовному (природному) порядку виконання команд. Поява переходів (особливо за умовою, не визначеною раніше) порушує цю картину (зокрема збільшення СчАК на 1, згадане вище, виявляється недійсним). Тому сучасні процесори намагаються передбачати переходи у програмі (branch prediction).
Архітектури ЕОМ
Архітектура "зірка".Тут процесор (ЦП) (рис. 2.24, а)з'єднаний безпосередньо з ВУ та керує їх роботою (ранні моделі машин). Цей тип також називається класична архітектура (фон Неймана) - одне арифмети-
Процесор
Основна
Міст PCI-ISA
Рознімання PCI
Контролер
периферії
Universal Serial Bus
System Management Bus
Рис. 2.24. Основні класи архітектур ЕОМ: а- централізована; б -ієрархічна; в -магістральна; г -загальна структура персонального комп'ютера (архітектура Triton 430 TX - Northbridge/
ко-логічне пристрій (АЛУ), через яке проходить потік даних, і один пристрій управління (УУ), через яке проходить потік команд - програма. Це однопроцесорний комп'ютер.
Принстонська та гарвардська архітектури.Архітектура фон Неймана часто асоціюється з принстонською архітектурою, яка характеризується використанням спільної оперативної пам'яті для зберігання програм та даних.
Альтернативна - гарвардська архітектура (назва пов'язана з комп'ютером "Марк-1" (1950 р.), в якому використовувалася окрема пам'ять для команд) характеризується фізичним поділом пам'яті команд (програм) та пам'яті даних. Кожна пам'ять з'єднується з процесором окремою шиною, що дозволяє одночасно з читанням-записом даних під час виконання поточної команди проводити вибірку та декодування наступної команди.
Гарвардська архітектура з'являється в сучасних процесорах, коли в кеш-пам'яті ЦП виділяється пам'ять команд (I-Cache) та пам'ять даних (D-Cache).
Ієрархічна архітектура(Рис. 2.24, б) -ЦУ пов'язано з периферійними процесорами (допоміжними процесорами, каналами, канальними процесорами), керуючими своєю чергою контролерами, яких підключені групи ВУ (системи IBM 360-375, ЄС ЕОМ);
Магістральна структура(загальна шина – unibas, рис. 2.24, в).Процесор (процесори) і блоки пам'яті (ОП) взаємодіють між собою і з ВП (контролерами ВП) через внутрішній канал, загальний для всіх пристроїв (машини DEC, IBM РС-сумісні ПЕОМ). Фізично магістральє багатопровідною лінією з гніздами для підключення електронних схем. Сукупність ліній магістралі поділяється окремі групи - шину адреси, шину даних і шину управління.
До цього типу архітектури належить також архітектура персонального комп'ютера (ПК). Звісно, реальна структура ПК (рис. 2.24, г)відрізняється від теоретичних схем – у ній використовується кілька різновидів шинних інтерфейсів, які з'єднуються між собою мостами – контролерами пам'яті (Northbridge) та периферійних пристроїв (Southbridge).
ПРИНЦИПИ ПОБУДУВАННЯ ТА АРХІТЕКТУРА ЕОМ.
1.1 Принцип дії ЕОМ.
ЕОМ - Сукупність технічних пристроїв, призначених для автоматизованої обробки дискретних повідомлень за необхідним алгоритмом.
Ідея автоматизації процесу обробки даних закладена в принцип дії ЕОМ. На рис. 1.1 наведено структурну схему абстрактної ЕОМ. Вона дозволить показати склад, порядок та принципи взаємодії основних функціональних частин ЕОМ.
Рис 1.1 Структурна схема ЕОМ.
Будь-яка ЕОМ містить такі основні пристрої:
Арифметико-логічне (АЛП);
Детально основні компоненти ПЗ розглядаються в інших курсах і тут не розглядаються. Декілька зауважень щодо ОС.
Операційною системоюбудемо називати комплекс програмно-апаратних засобів та необхідних інформаційних масивів, які організовують обчислювальний процес з реалізації завдань користувачів шляхом оптимального планування використання та управління усіма ресурсами ЕОМ.
Це найбільш загальне та повне визначення ОС. Воно дозволяє уявити ЕОМ з погляду користувача як віртуальну багаторівневу систему (рис. 1.6).
1 – віртуальна система користувача;
2 – зовнішня розширена машина;
3 – внутрішня розширена машина.
а – апаратура;
b – базові функції ОС;
c – основні функції ОС;
d – шар процесів;
e – мова управління завданнями та алгоритмічні мови.
Вперше запропоновано Декстрой у 1968р. у роботі "Структура мультипрограмних систем". Заснована на поданні обчислювальної системи в вигляді вкладених один одного віртуальних машин, мають сумісність ієрархічного типу.
Найменший рівень є фізичною машиною і реалізується апаратними засобами на принципах мікропрограмного чи схемного управління. Кожен наступний рівень забезпечує нові властивості за рахунок ОС та загального програмного забезпечення. На нижньому рівні знаходяться засоби реалізації мікрооперацій. Кошти та функції управління кожного наступного рівня формуються із засобів та функцій нижчих по відношенню до розглянутого рівнів. Кожен рівень характеризується тривалістю реалізованого управління та певною шириною охоплення керованих коштів. Вищі рівні управління реалізуються компонентами ОС, що є програмним продовженням пристрою управління та утворює інтерфейс між користувачем та ЕОМ.
За рівнем розвиненості деякі сучасні ОС настільки здатні автоматизувати функції оператора, що з повним правом можна віднести до штучного інтелекту.
Практичне застосування концепції багаторівневої віртуальної системи: спрощення та формалізація опису процесу функціонування ЗС та її основних компонентів.
З середини 60-х істотно змінився підхід до створення обчислювальних машин. Замість незалежної розробки апаратури та деяких засобів математичного забезпечення почала проектуватися система, що складається із сукупності апаратних (hardware)і програмних (software)коштів. У цьому першому плані висунулася концепція їх взаємодії. Так виникло нове поняття - архітектура ЕОМ.
Під архітектурою ЕОМ розуміється сукупність загальних принципів організації апаратно-програмних засобів та їх характеристик, що визначає функціональні можливості ЕОМ при вирішенні відповідних класів завдань.
Архітектура ЕОМ охоплює широке коло проблем, пов'язаних із побудовою комплексу апаратних та програмних засобів та враховують безліч факторів. Серед цих факторів найважливішими є вартість, сфера застосування, функціональні можливості, зручність експлуатації, а одним з головних компонентів архітектури є апаратні засоби. Основні компоненти архітектури ЕОМ можна як схеми, показаної на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Основні компоненти архітектури ЕОМ
Архітектуру обчислювального засобу слід відрізняти від структури. Структура обчислювального засобу визначає його конкретний склад на певному рівні деталізації (пристрої, блоки вузли тощо) і описує зв'язки всередині засобу у всій їхній повноті. Архітектура визначає правила взаємодії складових частин обчислювального засобу, опис яких виконується тією мірою, якою це необхідно для формування правил їх взаємодії. Вона регламентує в повному обсязі зв'язку, а найважливіші, які мають бути відомі більш грамотного використання цього кошти.
Так, користувачеві ЕОМ байдуже, на яких елементах виконані електронні схеми, схемно чи програмно реалізуються команди тощо. буд. приймалися рішення, як пов'язані між собою характеристики окремих пристроїв, що входять до складу ЕОМ, і який вплив вони мають на загальні характеристики машини. Іншими словами, архітектура ЕОМ дійсно відображає коло проблем, що належать до спільного проектування та побудови обчислювальних машин та їхнього програмного забезпечення.
Тільки через 100 років на базі електронних приладів ця ідея була розвинена американським математиком Джоном фон Нейманом. У основу побудови переважної більшості ЕОМ покладено такі загальні принципи, сформульовані їм 1945 року.
Перш за все, комп'ютер повинен мати такі пристрої:
Арифметично-логічне пристрій,виконують арифметичні та логічні операції;
Пристрій керування , яке організує процес виконання програм;
Запам'ятовуючий пристрій , або пам'ятьдля зберігання програм та даних;
Зовнішні пристрої для введення-виведення інформації.
В основі роботи комп'ютера лежать такі принципи:
Принцип двійкового кодування . Відповідно до цього принципу, вся інформація, що надходить до ЕОМ, кодується за допомогою двійкових сигналів.
Принцип програмного управління . З нього випливає, що програма складається з набору команд, які виконуються процесором автоматично один за одним у певній послідовності.
Принцип однорідності пам'яті . Програми та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті. Тому ЕОМ не розрізняє, що зберігається у цій осередку пам'яті - число, текст чи команда. Над командами можна виконувати такі самі дії, як і над даними.
Принцип адресності . Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка.
Машини, побудовані цих принципах, називаються Фон-Неймановскими.
Види архітектури ЕОМ (відкрита, закрита, Гарвардська).
Архітектура обчислювальної машини - концептуальна структура обчислювальної машини, що визначає проведення обробки інформації та включає методи перетворення інформації в дані та принципи взаємодії технічних засобів та програмного забезпечення
Архітектури закритого типу
Комп'ютер, виконаний з цієї архітектури, немає можливості підключення додаткових пристроїв, не передбачених розробником.
Укрупнену схему такої комп'ютерної архітектури наведено на рис. 1. Оперативна пам'ять зберігає команди та дані виконуваних програм. Канал допускає підключення певної кількості зовнішніх пристроїв. Пристрій управління забезпечує виконання команд програми та керує всіма вузлами системи.
Рис. 1. Архітектура комп'ютера закритого типу
Комп'ютери такої архітектури ефективні під час вирішення суто обчислювальних завдань. Вони погано пристосовані для реалізації комп'ютерних технологій, що вимагають підключення додаткових зовнішніх пристроїв та високої швидкості обміну інформацією.
Обчислювальні системи з відкритою архітектурою
Така архітектура дозволяє вільно підключати будь-які периферійні пристрої, що забезпечує вільне підключення до комп'ютера будь-якої кількості датчиків та виконавчих механізмів. Підключення пристроїв до шини здійснювалося відповідно до стандарту шини. Архітектура комп'ютера відкритого типу, заснована на використанні шини, наведена на рис. 2.
Рис. 2. Архітектура комп'ютера відкритого типу
Загальне керування всією системою здійснює центральний процесор. Він керує загальною шиною, виділяючи час іншим пристроям обмінюватись інформацією. Запам'ятовує пристрій зберігає програми та дані, що виконуються, і узгоджено рівнями своїх сигналів з рівнями сигналів самої шини. Зовнішні пристрої, рівні сигналів яких від рівнів сигналів шини, підключаються до неї через спеціальний пристрій – контролер. Контролер узгоджує сигнали пристрою з сигналами шини та здійснює управління пристроєм по командам, що надходять від центрального процесора. Процесор має спеціальні лінії управління, сигнал на яких визначає, чи процесор звертається до комірки пам'яті або до порту введення-виведення контролера зовнішнього пристрою.
Незважаючи на переваги, що надаються архітектурою із загальною шиною, вона має і серйозний недолік, який виявлявся дедалі більше при підвищенні продуктивності зовнішніх пристроїв та зростанні потоків обміну інформацією між ними. До загальної шини підключено пристрої з різними обсягами та швидкістю обміну, у зв'язку з чим «повільні» пристрої затримували роботу «швидких». Подальше підвищення продуктивності комп'ютера було знайдено у введенні додаткової локальної шини, до якої підключалися швидкі пристрої. Архітектура комп'ютера із загальною та локальною шинами наведена на рис. 3.
Рис. 3. Архітектура комп'ютера із загальною та локальною шиною
Контролер шини аналізує адреси портів, що передаються процесором, і передає їх контролеру, підключеного до загальної або локальної шини.
Конструктивно контролер кожного пристрою розміщується на загальній платі з центральним процесором і пристроєм, що запам'ятовує або, якщо пристрій не є стандартно входить до складу комп'ютера, на спеціальній платі, що вставляється в спеціальні роз'єми на загальній платі - слоти розширення. Подальший розвиток мікроелектроніки дозволило розміщувати кілька функціональних вузлів комп'ютера та контролери стандартних пристроїв в одній мікросхемі НВІС. Це скоротило кількість мікросхем на загальній платі і дало можливість ввести дві додаткові локальні шини для підключення пристрою та пристрою відображення, які мають найбільший обсяг обміну з центральним процесором і між собою.
Центральний контролер грає роль комутатора, що розподіляє потоки інформації між процесором, пам'яттю, пристроєм відображення та іншими вузлами комп'ютера.
Функціональний контролер – це НВІС, що містить контролери для підключення стандартних зовнішніх пристроїв, таких як клавіатура, миша, принтер, модем тощо. Часто до цього контролера входить такий пристрій, як аудіокарта, що дозволяє отримати на зовнішніх динаміках високоякісний звук при прослуховуванні музичних і мовних файлів.
Гарвардська архітектура
Гарвардська архітектура була розроблена Говардом Ейкеном наприкінці 1930-х років у Гарвардському університеті з метою збільшити швидкість виконання обчислювальних операцій та оптимізувати роботу пам'яті.
Типові операції (складання та множення) вимагають від будь-якого обчислювального пристрою кількох дій: вибірку двох операндів, вибір інструкції та її виконання, і, нарешті, збереження результату. Відповідна схема реалізації доступу до пам'яті має один очевидний недолік – високу вартість. При поділі каналів передачі адреси та даних на кристалі процесора, останній повинен мати вдвічі більше висновків. Спосіб вирішення цієї проблеми стала ідея використовувати загальну шину даних і шину адреси для всіх зовнішніх даних, а всередині процесора використовувати шину даних, шину команд і дві шини адреси. Таку концепцію почали називати модифікованою Гарвардською архітектурою.
Часто потрібно вибрати три складові - два операнда та інструкцію (в алгоритмах цифрової обробки сигналів це найбільш поширене завдання в БПФ і КІХ, БІХ фільтрах). І тому існує кеш-пам'ять. У ній може зберігатися інструкція - обидві шини залишаються вільними, і з'являється можливість передати два операнди одночасно. Використання кеш-пам'яті разом із розділеними шинами отримало назву Super Harvard Architecture (SHARC) - розширена Гарвардська архітектура.
Прикладом можуть бути процесори «Analog Devices»: ADSP-21xx - модифікована Гарвардська Архітектура, ADSP-21xxx(SHARC) - розширена Гарвардська Архітектура.
Структура комп'ютера – це сукупність його функціональних елементів та зв'язків між ними. Структура комп'ютера графічно представляється як структурних схем, з допомогою яких можна дати опис комп'ютера будь-якому рівні детализации.
Архітектурою комп'ютера вважається його представлення на деякому загальному рівні, що включає опис можливостей програмування, системи команд, системи адресації, організації пам'яті і т. д. Архітектура визначає принципи дії, інформаційні зв'язки і взаємне з'єднання основних логічних вузлів комп'ютера: ОЗУ, ВП), зовнішніх ЗП та периферійних пристроїв.
Найважливіше місце у структуризації систем займають засоби сполучення, які називаються інтерфейсами. Інтерфейс є сукупністю комутаторів, ліній, сигналів, електронних схем і алгоритмів (протоколів), призначену для здійснення обміну інформацією між пристроями.
Структури та архітектури ЕОМ Принципи фон Неймана
В основу архітектури більшості комп'ютерів покладено такі загальні принципи, сформульовані в 1945 р. американським ученим Дж. фон Нейманом у звіті ЕОМ EDVAC
принцип програмного управління; принцип однорідності пам'яті; принцип адресності. Через понад 60 років більшість комп'ютерів так і мають «фон-нейманівську архітектуру», причому зазвичай принципи фон Неймана реалізовані в наступній формі:
- оперативна пам'ять (ОП чи ОЗУ - оперативне запам'ятовуючий пристрій) організована як сукупність машинних слів (МС) фіксованої довжини чи розрядності (мається на увазі кількість двійкових одиниць чи біт, які у кожному МС). Наприклад, ранні ПЕОМ мали розрядність 8, потім з'явилися 16-розрядні, а потім - 32- та 64-розрядні машини. Свого часу існували навіть 45-розрядні (М-20, М-220), 35-розрядні (Мінськ-22, Мінськ-32) та інші машини;
- ВП утворює єдиний адресний простір, адреси МС зростають від молодших до старших;
- в ОП розміщуються як дані, і програми, причому у області даних одне слово, зазвичай, відповідає одному числу, а області програми - одній команді (машинної інструкції - мінімальному і неподільному елементу програми);
- команди виконуються в природної послідовності(за зростанням адрес в ОП), поки не зустрінеться команда управління(умовного/безумовного переходу, або розгалуження - branch), внаслідок якої природна послідовність порушиться;
- ЦП може довільно звертатися до будь-яких адрес в ОП для вибірки та/або запису в МС чисел або команд.
Функціональні блоки (агрегати, пристрої)
Короткий список основних пристроїв, що входять до складу обчислювальних машин, наведено на рис. 2.1.
Центральний пристрій (ЦП)представляє основну компоненту ЕОМ і своєю чергою включає ЦП - центральний процесор (central processing unit - CPU) і ОП (Main Storage, Core Storage, Random Access Memory - RAM).
Процесор безпосередньо реалізує операції обробки інформації та управління обчислювальним процесом, здійснюючи вибірку машинних команд та даних з оперативної па-
2.1. Структури та архітектури ЕОМ
Рис. 2.1. Перелік пристроїв ЕОМ
* Дані пристрої тут не розглядаються. Читач може звернутися, наприклад, до .
м'яти, їх виконання та запис результатів у ВП, включення та відключення ВП. Розглянемо як приклад процесор Intel Pentium (рис. 2.2). Він складається з наступних блоків:
Ядро (Core). Основний виконавчий пристрій, який включає арифметико-логічний пристрій (АЛУ, або Arithmetic and Logical Unit - ALU) регістри, конвеєри. АЛУ - частина процесора, що виконує арифметичні та логічні операції над даними, працює відповідно до сполучених йому кодів операцій, які повинні бути виконані над змінними, що поміщаються в регістри. Підвищення продуктивності досягалося завдяки двом конвеєрам, які дозволяють виконати одночасно кілька інструкцій. Це два паралельні 5-ступінчасті конвеєри обробки цілих чисел, які дозволяють читати, інтерпретувати, виконувати дві команди одночасно. Цілочисленні команди можуть виконуватись за один такт синхронізації. Ці конвеєри неоднакові: U-конвеєр виконує будь-яку команду системи команд сімейства 86; V-конвеєр виконує лише «прості» команди, тобто команди, які повністю вбудовані в схеми МП і не вимагають мікропрограмного управління (microcode) при виконанні (це команди, до-
Рис. 2.2.
пускають спарювання з іншими командами: регістр-регістр, пам'ять-регістр, регістр-пам'ять, переходи, виклики, арифметико-логічні операції);
- провісник переходів (Branch Predictor) - блок, який «намагається вгадати» напрямок розгалуження програми і заздалегідь завантажити інформацію в блоки передвиборки та декодування команд;
- буфер адреси переходів (Branch Target Buffer – ВТ В). Забезпечує динамічний прогноз переходів. Він покращує виконання команд шляхом запам'ятовування переходів, що відбулися (256 останніх переходів) і з випередженням виконує найбільш ймовірний перехід при вибірці команди розгалуження. При статичних методах передбачення завжди виконується чи ні певні види переходів. При динамічних методах досліджується поведінка команд переходу попередній період;
- блок плаваючої точки (Floating Point Unit). Виконує обробку чисел із плаваючою точкою;
- кеш-пам'ять 1-го рівня (Level 1 cache). Процесор має два банки пам'яті по 8 Кбайт, один - для команд, другий - для даних, які мають більшу швидкодію, ніж більш ємна зовнішня кеш-пам'ять (L2 cache).
- інтерфейс шини (Bus Interface) Передає ЦП потік команд і даних, і навіть передає дані з ЦП.
Зовнішні (периферійні) пристрої (У).ВУ забезпечують взаємодію з довкіллям - користувачами, об'єктами управління, іншими машинами.
Інтерфейсислужать для поєднання центральних вузлів машини з зовнішніми пристроями.
Однотипні ЦП та пристрої зберігання даних можуть використовуватися в різних типах машин. Відомі приклади того, як фірми, що почали свою діяльність з виробництва керуючих машин, удосконалюючи свою продукцію, перейшли до випуску систем, які в залежності від конфігурації ВУ можуть виконувати як роль універсальних, так і керуючих машин (машини Hewlett-Packard - HP та Digital Equipment Corporation – DEC).
Архітектури ЕОМ
Архітектура "зірка".Тут процесор (ЦУ) – рис. 2.3, а -з'єднаний безпосередньо з ВУ та керує їх роботою (ранні моделі машин). Цей тип також називається класична архітектура (фон Неймана) - один арифметико-логічний пристрій (АЛУ), через який проходить потік даних, і один пристрій управління (УУ), через який проходить потік команд - програма. Це однопроцесорний комп'ютер.
Принстонська та гарвардська архітектури.Архітектуру фон Неймана часто ототожнюють із принстонською архітектурою, яка характеризується використанням загальної оперативної пам'яті для зберігання програм та даних. Гарвардська ж архітектура характеризується фізичним поділом пам'яті команд (програм) та пам'яті даних. Елементи гарвардської архітектури часто використовуються в сучасних процесорах, коли в кеш-пам'яті ЦП виділяється пам'ять команд (I-cache) та пам'ять даних (D-cache).
Ієрархічна архітектура(Рис. 2.3, б) -ЦУ пов'язано з периферійними процесорами (допоміжними процесорами, каналами, канальними процесорами), керуючими своєю чергою контролерами, яких підключені групи ВУ (системи IBM 360-375, ЄС ЕОМ);
Магістральна структура(загальна шина – unibas, рис. 2.3, в) -процесор (процесори) та блоки пам'яті (ОП) взаємодіють між собою і з ВП (контролерами ВП) через внутрішній канал, загальний для всіх пристроїв (машини DEC, IBM РС-сумісні ПЕОМ).
Технічно шина є набір провідників (ліній), що з'єднує різні компоненти комп'ютера для підведення до них живлення та обміну даними. У мінімальній комплектації шина має три типи ліній:
управління; адреси; даних.
До цього типу архітектури належить також архітектура персонального комп'ютера (ПК). Звісно, реальна структура ПК (рис. 2.3, г)відрізняється від теоретичних схем – тут використовується кілька різновидів шинних інтерфейсів, які з'єднуються між собою мостами – контролерами пам'яті (Northbridge, «Північний міст») та периферійних пристроїв (Southbridge, «Південний міст»).
Рис. 2.3. Основні класи архітектур ЕОМ: а- централізована; б- ієрархічна; в- магістральна; г -загальна структура персонального комп'ютера – архітектура Northbridge/Southbridge
Тут наведено приклад набору мікросхем (chipset) Triton 430 ТХ:
- Northbridge – мікросхема 82439ТХ System Controller, МТХС. Інтегрує контроль кеш-пам'яті, ВП та шини PCI;
- Southbridge - 82371АВ PCI ISA IDE Xcelerator, PIIX4 - багатофункціональний пристрій, що реалізує зв'язок PCI-ISA, функції концентратора (hub) USB та функції керування споживанням електроенергії (Enhanced Power Management). Тут реалізована Dynamic Power Management Architecture (DPMA) – архітектура динамічного управління енергоспоживанням. Підтримується також протокол прямого звернення до пам'яті (Ultra DMA), який забезпечує швидкість передачі 33 Мбайт/с з НЖМД.
Сучасні системи включають два типи шин:
- системна шина,що з'єднує процесор з ВП та кеш-пам'яттю 2-го рівня;
- безліч шин введення-виведення,що з'єднують процесор з різними периферійними пристроями.
Системна шина при архітектурі DIB (Dual independent bus, подвійна незалежна шина) фізично поділена на дві (рис. 2.3, г):
- первинна шина (FSB, frontside bus), що зв'язує процесор з ОП та ОП з периферійними пристроями;
- вторинна шина (BSB, backside bus) для зв'язку з кеш-пам'яттю.
Використання подвійної незалежної шини підвищує продуктивність завдяки можливості для процесора паралельно звертатися до різних рівнів пам'яті. Зазвичай терміни "FSB" та "системна шина" використовують як синоніми.
Слід пам'ятати, що термінологія, використовувана нині для опису інтерфейсів, перестав бути цілком однозначною і ясною. Системна шина часто згадується як "головна шина", "хост-шина", "шина процесора", або "локальна шина". Для шин введення-виведення використовуються терміни «шина розширення», «зовнішня шина» і знову ж таки - «локальна шина».
Відкрита архітектура IBM-PC та її розвиток
Вперше реалізована в машинах IBM PC, IBM PC/XT та PC/AT концепція відкритої архітектури передбачає, що периферійні пристрої зв'язуються з ЦП (процесор
та ВП) за допомогою змінних карт розширення (або адаптерів), що містять електроніку, що погоджує ЦП та периферію - рис. 2.4. Розвиток або заміна одних зовнішніх пристроїв на інші в таких умовах супроводжується простою заміною картки.
Рис. 2.4. Відкрита архітектура IBM PC:
1 - Системна плата (процесор, пам'ять, chipset); 2 - внутрішній інтерфейс (ISA, MCA, SCSI, LPC, AGP, HyperTransport, PCI, PCI-X та ін.); 3 - Плата розширення (адаптер, інтерфейсна карта, контролер зовнішнього пристрою); 4 - інтерфейс зовнішнього пристрою (RS-232, Centronics, USB, Firewire, інфрачервоний, eSATA, Bluetooth та ін.); 5 - периферійний пристрій (клавіатура, монітор, принтер, сканер та ін.)
Системні плати та їх різновиди.Системну плату також називають головною (mainboard) або материнською (motherboard), іноді – об'єднавчою платою. Це - основна монтажна схема всередині ПК, де розташовуються процесор, пам'ять, слоти розширення і яка безпосередньо чи опосередковано приєднується кожної частини ПК.
На рисунках нижче ілюструються компоненти двох типових плат:
- Baby АТ (ВАТ), де використовується роз'єм Socket 7 для приєднання процесора, приблизно 1995 (рис. 2.5, 2.7, а);
- АТХ з роз'ємом Slot 1 для приєднання процесора Pentium І, типовий для системних плат, ринку з кінця 1998 р. (рис. 2.6, 2.7, б).
Відкрита архітектура перших ПК передбачала мінімум пристроїв, контролери яких інтегровані в системну плату (наприклад, порт для клавіатури). Інші, включаючи адаптер дисплея, принтера, модему, НГМД або контролер жорсткого диска, були додатковими компонентами, що підключаються через роз'єми розширення.
Наприкінці 1990-х років. позначилася тенденція до приміщення адаптерів периферійних пристроїв безпосередньо на систем-
Рис. 2.7. Роз'єми та інтерфейси, розміщені на задній панелі корпусів: а- плата Baby АТ (схематичне зображення), б- АТХ (те саме); в -загальний вигляд деяких типів зовнішніх інтерфейсів: 1 - роз'єм для приєднання шнура електроживлення монітора (на ATX-корпусах може бути відсутнім); 2 - роз'єм для підключення комп'ютера до мережі змінного струму; 3 - роз'єм для приєднання клавіатури PS/2 (міні-DIN, 6 штирьків); 4 - роз'єм для підключення клавіатури DIN-5; 5 - роз'єм для підключення миші PS/2; 6 - USB-порти; 7 – послідовний порт (COM2); 8 - послідовний порт (СОМ1); 9 - паралельний порт (LPT); 10 - відеовихід (VGA/SVGA); 11 - роз'єм для підключення локальної мережі (відповідно до моделі комп'ютера); 12 - MIDI/Game порт (відповідно до моделі комп'ютера); 13 - гнізда для підключення зовнішніх аудіосистем (відповідно до моделі комп'ютера)
ну плату і через якийсь час було інтегровано значну кількість пристроїв, проте багато з них - графіка, мережевий інтерфейс, пристрої SCSI та звукові - все ж таки продовжували залишатися знімними. Цей процес йшов повільно, наприклад порти вводу-виводу та контролери диска ще 1995 р. часто розміщувалися на платах розширення. Виробники постійно експериментували з різними рівнями інтеграції, вбудовуючи деякі або всі ці компоненти в системну плату. Однак є очевидна перешкода – важче модернізувати складання, оскільки інтегровані компоненти не можуть бути вилучені. Для високоінтегрованих системних плат часто потрібний нестандартний корпус, при цьому для заміни окремого дефектного компонента може знадобитися вибракування системної плати.
Отже, ті частини системи, специфікація яких змінюється найшвидше - оперативна пам'ять, центральний процесор та графіка - доцільніше розміщувати у гніздах для полегшення заміни. Так само зазвичай видаляються з основної специфікації (щоб зменшити витрати) компоненти, які використовуються не всіма користувачами, наприклад мережеві інтерфейси або SCSI.
На побутовому рівні термін «архітектура» у більшості людей міцно асоціюється з різними будинками та іншими інженерними спорудами. Так, можна говорити про архітектуру готичного собору, Ейфелевої вежі чи оперного театру. В інших областях цей термін застосовується досить рідко, проте для комп'ютерів поняття «архітектура ЕОМ» (електронно-обчислювальна машина) вже міцно встоялося і широко використовується, починаючи з 70-х років минулого століття. Для того щоб розібратися в тому, як відбувається виконання програм, сценаріїв на комп'ютері, необхідно в першу чергу знати, як влаштована робота кожної з його складових. Основи вчення про архітектуру обчислювальних машин, що розглядаються на уроці, були закладені Джоном фон Нейманом. Докладніше про логічні вузли, а також про магістрально-модульний принцип архітектури сучасних персональних комп'ютерів можна буде дізнатися на цьому уроці.
Принципи, що лежать в основі архітектури ЕОМ, були сформульовані в 1945 Джоном фон Нейманом, який розвинув ідеї Чарльза Беббіджа, що представляв роботу комп'ютера як роботу сукупності пристроїв: обробки, управління, пам'яті, введення-виведення.
Принципи Неймана фону.
1. Принцип однорідності пам'яті. Над командами можна виконувати такі самі дії, як і над даними.
2. Принцип адресації пам'яті. Основна пам'ять структурно складається з пронумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка. Звідси слід можливість давати імена областям пам'яті, так щоб до значень, що зберігаються в них, можна було б згодом звертатися або змінювати їх у процесі виконання програми з використанням присвоєних імен.
3. Принцип послідовного програмного управління. Передбачає, що програма складається з набору команд, які виконуються процесором автоматично один за одним у певній послідовності.
4. Принцип жорсткості архітектури. Незмінність у процесі роботи топології, архітектури, списку команд.
Комп'ютери, побудовані за принципами фон Неймана, мають класичну архітектуру, але, крім неї, існують інші типи архітектури. Наприклад, Гарвардська. Її відмітними ознаками є:
- сховище інструкцій та сховище даних є різними фізичними пристроями;
- канал інструкцій та канал даних також фізично розділені.
В історії розвитку обчислювальної техніки якісний стрибок відбувався приблизно кожні 10 років. Такий стрибок пов'язує з появою нового покоління ЕОМ. Ідея поділяти машини з'явилася через те, що за час короткої історії свого розвитку комп'ютерна техніка зробила велику еволюцію як у сенсі елементної бази (лампи, транзистори, мікросхеми та ін.), так і в сенсі зміни її структури, появи нових можливостей, розширення областей застосування та характеру використання. Докладніше все етапи розвитку ЕОМ показано на Мал. 2. Щоб зрозуміти, як і чому одне покоління змінювалося іншим, необхідно знати сенс таких понять, як пам'ять, швидкодія, ступінь інтеграції тощо.
Рис. 2. Покоління ЕОМ ()
Серед комп'ютерів не класичної, не фон Нейманівської архітектури, можна виділити так звані нейрокомп'ютери. Вони моделюється робота клітин мозку, нейронів, і навіть деяких відділів нервової системи, здатних до обміну сигналами.
Кожен логічний вузол комп'ютера виконує свої функції. Функції процесора(Мал. 3):
- обробка даних (виконання з них арифметичних і логічних операцій);
- керування іншими пристроями комп'ютера.
Рис. 3. Центральний процесор комп'ютера ()
Програма складається із окремих команд. Команда включає код операції, адреси операндів (величин, які беруть участь в операції) і адресу результату.
Виконання команди поділяється на такі етапи:
· вибірку команди;
- формування адреси наступної команди;
- декодування команди;
- обчислення адрес операндів;
- вибірку операндів;
- виконання операції;
- формування ознаки результату;
- запис результату.
Не всі з етапів присутні під час виконання будь-якої команди (залежить від типу команди), проте етапи вибірки, декодування, формування адреси наступної команди та виконання операції мають місце завжди. У певних ситуаціях можливі ще два етапи:
- непряма адресація;
- реакція на переривання.
Оперативна пам'ять(Мал. 4) влаштована наступним чином:
- прийом інформації з інших пристроїв;
- запам'ятовування інформації;
- передача інформації на запит до інших пристроїв комп'ютера.
Рис. 4. ОЗУ (Оперативний пристрій) комп'ютера ()
В основі архітектури сучасних ЕОМ лежить магістрально-модульний принцип(Мал. 5). Модульний принцип дозволяє комплектувати потрібну конфігурацію та проводити необхідну модернізацію. Він спирається на принцип шини обміну інформацією між модулями. Системна шина або магістраль комп'ютера включає кілька шин різного призначення. Магістраль включає три багаторозрядні шини:
- шину даних;
- шину адреси;
- шину керування.
Рис. 5. Магістрально-модульний принцип побудови ПК
Шина даних використовується передачі різних даних між пристроями комп'ютера; шина адреси застосовується для адресації даних, що пересилаються, тобто для визначення їх розташування в пам'яті або в пристроях вводу/виводу; шина управління включає керуючі сигнали, які служать для тимчасового узгодження роботи різних пристроїв комп'ютера, для визначення напрямку передачі даних, для визначення форматів переданих даних і т. д.
Такий принцип справедливий для різних комп'ютерів, які можна умовно поділити на три групи:
- стаціонарні;
- компактні (ноутбуки, нетбуки тощо);
- кишенькові (смартфони та ін.).
У системному блоці стаціонарного комп'ютера чи корпусі компактного знаходяться основні логічні вузли - це материнська плата з процесором, блок живлення, накопичувачі зовнішньої пам'яті тощо.
Список літератури
1. Босова Л.Л. Інформатика та ІКТ: Підручник для 8 класу. - М: БІНОМ. Лабораторія знань, 2012
2. Босова Л.Л. Інформатика: Робочий зошит для 8 класу. - М: БІНОМ. Лабораторія знань, 2010
3. Астаф'єва Н.Є., Ракітіна Є.А., Інформатика у схемах. - М: БІНОМ. Лабораторія знань, 2010
4. Танненбаум Еге. Архітектура комп'ютера. - 5-те вид. – СПб.: Пітер, 2007. – 844 с.
1. Інтернет портал «Всі поради» ()
2. Інтернет портал "Електронна енциклопедія "Комп'ютер"" ()
3. Інтернет портал «apparatnoe.narod.ru» ()
Домашнє завдання
1. Глава 2, §2.1, 2.2. Босова Л.Л. Інформатика та ІКТ: Підручник для 8 класу. - М: БІНОМ. Лабораторія знань, 2012
2. Як розшифровується абревіатура ЕОМ?
3. Що означає термін «Архітектура комп'ютера»?
4. Ким було сформульовано основні засади, що у основі архітектури ЕОМ?
5. На чому ґрунтується архітектура сучасних ЕОМ?
6. Назвіть основні функції центрального процесора та оперативної пам'яті ПК.
