Л.4Общие принципы организации архитектуры компьютера. Тема Общие принципы организации архитектуры компьютера
 Скачать 94.16 Kb.
|
3.1 Принципы построения компьютера. Архитектура фон Неймана 3.2 Принцип работы машины фон Неймана 3.3 Архитектура и структура ПК 3.4 Строение компьютера Основные понятия: адаптер, архитектура компьютера, архитектура с параллельными процессорами., интерфейс, классическая архитектура, контролер, машина фон Неймана, многомашинная вычислительная система, многопроцессорная архитектура, персональный компьютер, порт, структура компьютера 3.1 Принципы построения компьютера. Архитектура фон Неймана В основу строения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы, которые были сформулированы в 1945 году. Джон фон Нейман, Герман Голдстайн и Артур Беркс в своей общей статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В следствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальные и сегодня. В сущности, Нейман обобщил научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировал на их основе принципиально новое: Использование двоичной системы исчисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой исчисления заключается в том, что устройства можно делать довольно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе исчисления также выполняются довольно просто. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, которая составляется из набора команд. Команды выполняются последовательно одна за одной. Созданием машины с программой, которая хранится в памяти, дало начало тому, что мы сегодня называем программированием. Выборка программы по памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает адрес очередной команды, которая хранится в нем, на длину команды. А поскольку команды программы расположены в памяти одна за одной, то тем самым организовывается выборка цепочки команд из последовательно расположенных элементов памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер элемента памяти, содержащего следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”. Таким образом, процессор выполняет программу автоматически, без вмешательства человека. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе исчисления, то есть их образ записи одинаковый. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, которые и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, которая позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организовывается выполнения циклов и подпрограмм). Больше того, команды одной программы могут быть получены как результаты выполнения другой программы. На этом принципе основанные методы трансляции ‒ перевода текста программы по языки программирования высокого уровня на язык конкретной машины Принцип адресности: элементы памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любому элементу памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку коды. Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, которые принципиально отличаются от последних. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, то есть они могут работать без “счетчика команд”, который указывает текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-нибудь переменной, что хранится в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими. Главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, в калькуляторе). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно ж, остается неизменной, и очень простой. Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было программы, которая хранилась в памяти) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) нужно было потратить далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться года, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск. 3.2 Принцип работы машины фон Неймана Машина фон Неймана - устройство, которое состоит из запоминающего устройства (памяти) ‒ ЗУ, арифметико-логического устройства ‒ АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода (рис. 3.2). Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние элементы памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. В любой программе последняя команда должна быть командой завершения работы.  Рисунок 3.2 – Схема машины фон Неймана Арифме́тико-логи́ческое устро́йство (АЛУ; англ. arithmetic logic unit, ALU) — блок процессора, который под управлением устройства управления служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, называемыми в этом случае операндами. Управля́ющий автома́т, устро́йство управле́ния проце́ссором (УУ) (англ. control unit, CU) — блок, устройство, компонент аппаратного обеспечения компьютеров. Представляет собой конечный дискретный автомат. Структурно устройство управления состоит из: дешифратора команд (операций), регистра команд, узла формирования (вычисления) текущего исполнительного адреса, счётчика команд. Регистр команд (англ. instruction register — IR) — часть блока управления центрального процессора, содержащая инструкцию, которая выполняется в настоящий момент, или декодированную.[1] Регистр команд — это регистр управляющего устройства компьютера. Он предназначен для хранения кода команды на период времени, который необходим для ее выполнения. Только доля разрядов командного регистра используется для хранения кода операции: в остальных разрядах хранятся коды адресов операндов. Устро́йства вво́да — периферийное оборудование, предназначенное для ввода (занесения) данных или сигналов в компьютер или в другое электронное устройство во время его работы. Устро́йства вы́вода — периферийные устройства, преобразующие результаты обработки цифровых машинных кодов в форму, удобную для восприятия человеком или пригодную для воздействия на исполнительные органы объекта управления. Запомина́ющее устро́йство (ЗУ) — устройство, предназначенное для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям. Устройство, реализующее компьютерную память[1]. Команда состоит из указаний, какую операцию нужно выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов элементов памяти, где хранятся данные, над которыми нужно выполнить указанную операцию, а также адреса ячеек, куда нужно записать результат (если его нужно сохранить в ЗУ). Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными. Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное отличие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранят в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройстве вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку. УУ руководит всеми частями компьютера. От устройства, которое управляет, на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии. Устройство, которое управляет, содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ прочитывает из памяти содержимое элемента памяти, адрес которой находится в счетчике команд, 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. В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, таким образом, указывает на следующую команду программы. Когда нужно выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отдаленную от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда нужно передать управление. 3.3 Архитектура и структура ПК При рассмотрении компьютерных устройств, принято различать их архитектуру и структуру. Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, который включает описание предназначенных для пользователя возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и так далее. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые разные устройства – от основных логических узлов компьютера до простых схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Наиболее распространенными есть такие архитектурные решения (рис. 3.3):  Рисунок 3.3 – Существующие типы архитектур компьютеров Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, которая называется системной магистралью. Физически магистраль есть многопроводной линией с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры – устройства управления периферийными устройствами. Контролер– устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования. Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, которая имеет общую оперативную память и несколько процессоров, представленная на рис.1.3. Многомашинная вычислительная система - несколько процессоров, которые входят в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется довольно широко. Однако эффект от употребления такой вычислительной системы может быть получен лишь при решении задач, которые имеют очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе. Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно. Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это значит, что множество данных может обрабатываться одной программой – то есть по одним потоком команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить лишь на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на разных однотипных наборах данных. 3.4 Строение компьютера Рассмотрим устройство компьютера на примере наиболее распространенной компьютерной системы – персонального компьютера. Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры по обыкновению проецируются на основе принципа открытой архитектуры. Принцип открытой архитектуры состоит в следующем: регламентируются и стандартизируются лишь описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собрать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями; компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширяющих гнезд, в которые пользователь может вставлять всяческие устройства, которые удовлетворяют заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины согласно своим личным преимуществам. Упрощенная блок-схема, которая отображает основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, представлена на рисунке 3.4. Для того, чтобы соединить друг с другом разные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter – между, и face – лицо). Интерфейс – это средство согласования двух приборов, в которых все физические и логические параметры соглашаются между собой. Если интерфейс есть общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным. Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связанный с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не непосредственно, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты приблизительно по такой схеме (рис. 3.5):  Рисунок 3.5 – Схема подключения прибора к шины Контролерами и адаптерами являются наборы электронных цепей, которыми обеспечиваются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контролеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора. Портами устройств есть какие-то электронные схемы, которые содержат один или несколько регистров ввода-вывода, и что позволяют подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора. Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы). Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами – побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно. К последовательному порту обычно подсоединяют те устройства, которые медленно действуют или довольно отдаленные устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют "более быстрые" устройства – принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяют джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые являются просто разъемами. Основные электронные компоненты, которые определяют архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (Motherboard). А контролеры и адаптеры дополнительных устройств, или сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (Dаughterboard – дочерняя плата) и подключаются к шины с помощью разъемов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot – щель, паз).  Рисунок 3.4 – Общая структура персонального компьютера |