Требуемая архитектура компьютера. Классическая архитектура ПК

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

– 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:

Использование двоичной системы счисления в ПК , в которой устройствам гораздо проще выполнять арифметико-логические операции, чем в десятичной.
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.
Данные и программы хранятся в памяти ПК . Команды и данные кодируются одинаково в двоичной системе.
Ячейки памяти ПК имеют последовательно пронумерованные адреса. Возможность обращения к любой ячейке памяти по ее адресу позволила использовать переменные в программировании.
Возможность условного перехода при выполнении программы. Команды в ПК выполняются последовательно, но при необходимости можно реализовать переход к любой части кода.

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.

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.

Замечание 1

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.

структура вычислительных систем.

Персональный компьютер является устройством автоматизации информационных процессов и используется для накопления, обработки и передачи информации.

Рассмотрим устройство наиболее распространенного типа компьютера - настольного персонального (мы рассматриваем компьютеры фирмы IBM (International Bussines Machines Corporation) и IBM-совместимые компьютеры, которые в мировом масштабе использует большинство людей в своей практической деятельности; именно для этих компьютеров используется операционная система Windows фирмы Microsoft).

Технические средства или аппаратура компьютера в английском языке обозначаются словом «Hardware», которое буквально переводится как «твердые изделия» или «железо».

2.1. Архитектура персонального компьютера

Описание компьютера на некотором общем уровне называется его архитектурой. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативной памяти, внешних запоминающих и периферийных устройств. Различают однопроцессорную и многопроцессорную архитектуры компьютера.

В 1941 г. Джон фон Нейман изложил принципы работы и обосновал принципиальную схему компьютера с классической однопроцессорной архитектурой, в соответствии с которой компьютер должен иметь следующие устройства:

арифметическо-логической устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

устройство управления (УУ), организующее процесс выполнения программы;

запоминающее устройство (оперативная память (ОП)) для хранения программ и данных;

внешнее устройство (ВУ) для ввода и вывода информации.

Принципиальная схема компьютера с классической архитектурой приведена на рис.2.1.

Рис. 2.1 Принципиальная схема компьютера с классической архитектурой:

управляющие связи

информационные связи

К однопроцессорной архитектуре относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной (рис.2.2). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью, или системной шиной.

Основа компьютера - процессор, в нем расположены АЛУ и УУ. АЛУ осуществляет непосредственную обработку данных, а УУ координирует взаимодействие различных частей компьютера. В запоминающем устройстве (памяти ) в закодированном виде хранится информация (та, которая вводится в компьютер, и та, которая возникает в процессе работы). Компьютер имеет внешнее запоминающее устройство (внешнюю память).

В процессе работы процессор и память взаимодействуют между собой, но процессор, кроме того, организует работу остальных устройств компьютера: клавиатуры, дисплея, дисководов и т.д. Эти устройства осуществляют связь компьютера с внешним миром, поэтому называются внешними.

Процессор, выполняя определенную программу, координирует работу внешних устройств, посылая им и принимая от них информацию. Информация при этом передается в виде электрических импульсов двух видов - низкого и высокого напряжения. Тем самым информация в компьютере кодируется двумя символами: 0 и 1.

Процессор связан с внешними устройствами через магистраль (системную шину ). По сути, это пучок проводов. К шине параллельно подсоединены все внешние устройства, как к телефонному кабелю. Обращение процессора к внешнему устройству похоже на вызов абонента по телефону. Все устройствапронумерованы. Когда нужно обратиться к внешнему устройству, в шину посылается его номер.

Каждое внешнее устройство снабжено специальным приемником сигналов - контроллером. Контроллер играет роль телефонного аппарата - он принимает сигнал от процессора и дешифрует его.

Процессор подает команду, но ему безразлично, как она будет выполняться, поскольку за это отвечает контроллер соответствующего внешнего устройства. Поэтому при наличии соответствующих контроллеров одни внешние устройства можно заменять на другие.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип построения.

Персональный компьютер напоминает обыкновенный конструктор. Схемы, управляющие всеми устройствами (монитором, дисками, принтером, модемом и т.д.), реализованы на отдельных платах, которые вставляются в слоты - стандартные разъемы системной платы. Весь компьютер питается от единого блока питания. Этот принцип, названный принципом открытой архитектуры, наряду с другими достоинствами обеспечил большой спрос на персональные компьютеры.

Рис. 3. Расположение основных устройств, входящих в состав ПК.

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:

Использование двоичной системы счисления в ПК, в которой устройствам гораздо проще выполнять арифметико-логические операции, чем в десятичной.
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.
Данные и программы хранятся в памяти ПК. Команды и данные кодируются одинаково в двоичной системе.
Ячейки памяти ПК имеют последовательно пронумерованные адреса. Возможность обращения к любой ячейке памяти по ее адресу позволила использовать переменные в программировании.
Возможность условного перехода при выполнении программы. Команды в ПК выполняются последовательно, но при необходимости можно реализовать переход к любой части кода.

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.

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.

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.

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.

Замечание 1

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.

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

Рисунок 2. Трехшинная структура ПК

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.

Архитектура с параллельными процессорами

Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором

Author24.ru

Архитектура компьютерной системы: классификация и определение

Современные компьютерные решения могут быть классифицированы, исходя из их отнесения к той или иной архитектуре. Но что она может представлять собой? Каковы основные подходы к пониманию данного термина?

Архитектура компьютерных систем как совокупность аппаратных компонентов

В чем заключается сущность понятия «архитектура компьютерной системы»? Под соответствующим термином прежде всего можно понимать совокупность электронных компонентов, из которых состоит ПК, взаимодействующих в рамках определенного алгоритма с использованием различных типов интерфейсов.

Основные компоненты, которые входят в состав компьютерной системы:

устройство ввода;
главный вычислительный чипсет;
устройства для запоминания данных;
компоненты, предназначенные для вывода информации.

В свою очередь, каждый из отмеченных компонентов может включать в себя большое количество отдельных устройств. Например, главный вычислительный чипсет может включать в себя процессор, набор микросхем на материнской плате, модуль обработки графических данных. При этом тот же процессор может состоять из иных компонентов: например, ядра, кэш-памяти, регистров.

Исходя, собственно, из структуры конкретных аппаратных компонентов ПК, определяется то, какая архитектура компьютерной системы выстроена. Рассмотрим основные критерии, в соответствии с которыми те или иные вычислительные решения могут классифицироваться.

Классификация компьютерных систем

В соответствии с распространенным в среде экспертов подходом, компьютерные системы по своей архитектуре могут относиться:

к большим ЭВМ;
к мини-ЭВМ;
к персональным компьютерам.

Следует отметить, что данная классификация вычислительных решений, в соответствии с которой может определяться архитектура компьютерной системы, многими экспертами признается устаревшей. В частности, те же персональные компьютеры сегодня могут подразделяться на большое количество разновидностей, очень несхожих по назначению и характеристикам.

Таким образом, по мере того как развиваются компьютерные системы, архитектура компьютера может быть классифицирована с использованием меняющихся критериев. Тем не менее обозначенная схема считается традиционной. Полезно будет рассмотреть ее подробнее. В соответствии с ней, первый тип ЭВМ - те, что относятся к архитектуре больших машин.

Большие ЭВМ

Большие ЭВМ,или мейнфреймы, чаще всего используются в промышленности - как центры обработки данных по различным производственным процессам. В них могут быть инсталлированы мощные, исключительно высокопроизводительные чипы.

Рассматриваемая архитектура компьютерной системы может осуществлять до нескольких десятков миллиардов вычислений в секунду. Стоят большие ЭВМ несопоставимо дороже остальных систем. Как правило, их обслуживание требует участия довольно большого количества людей, имеющих необходимую квалификацию. Во многих случаях их работа осуществляется в рамках подразделений, организованных в качестве вычислительного центра предприятия.

Мини-ЭВМ

Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей на их основе может быть представлена решениями, классифицированными как мини-ЭВМ. В целом их назначение может быть аналогичным, что и в случае с мейнфреймами: весьма распространено применение соответствующего типа компьютеров в промышленности. Но, как правило, их использование свойственно для относительно небольших предприятий, средних бизнесов, научных организаций.

Современные мини-ЭВМ: возможности

Во многих случаях применение данных компьютеров осуществляется как раз в целях эффективного управления внутрикорпоративными сетями. Таким образом, рассматриваемые решения могут использоваться, в частности, как высокопроизводительные серверы. Они также оснащены очень мощными процессорами, такими как, например, Xeon Phi от Intel. Данный чип может работать со скоростью более 1 терафлопса. Соответствующий процессор рассчитан на производство по техпроцессу 22 нм и имеет пропускную способность памяти в значении 240 ГБ/с5.

Персональные компьютеры

Следующий тип компьютерной архитектуры - ПК. Вероятно, он является самым распространенным. ПК не столь мощны и высокопроизводительны как мейнфреймы и микро-ЭВМ, но во многих случаях способны решать задачи и в сфере промышленности, и в области науки, не говоря о типичных пользовательских задачах, таких как запуск приложений и игр.

Еще одна примечательная особенность, характеризующая персональные компьютеры, заключается в том, что их ресурсы могут быть объединены. Вычислительные мощности достаточно большого количества ПК, таким образом, могут быть сопоставимы с производительностью компьютерных архитектур вышестоящего класса, но, конечно, достигнуть их уровней номинально с помощью ПК весьма проблематично.

Тем не менее архитектура компьютерных систем, сетей на основе персональных компьютеров характеризуется универсальностью, с точки зрения реализации в различных отраслях, доступностью и масштабируемостью.

Персональные компьютеры: классификация

Как мы отметили выше, ПК могут быть классифицированы на большое количество разновидностей. В числе таковых: десктопы, ноутбуки, планшеты, КПК, смартфоны - объединяющие в себе ПК и телефоны.

Как правило, самыми мощными и производительными архитектурами обладают десктопы; наименее мощные - смартфоны и планшеты в связи с небольшими размерами и необходимостью существенно уменьшать ресурсы аппаратных компонентов. Но многие из соответствующих девайсов, особенно топовых моделей, по скорости работы, в принципе, сопоставимы с ведущими моделями ноутбуков и бюджетными десктопами.

Отмеченная классификация ПК свидетельствует об их универсальности: в тех или иных разновидностях они могут решать типичные пользовательские задачи, производственные, научные, лабораторные. ПО, архитектура компьютерных систем соответствующего типа во многих случаях адаптированы к использованию рядовым гражданином, не имеющим специальной подготовки, которая может потребоваться человеку, работающему с мейнфреймом или же мини-ЭВМ.

Как установить отнесение вычислительного решения к ПК?

Главный критерий отнесения вычислительного решения к ПК - факт его персональной ориентированности. То есть соответствующего типа компьютер рассчитан, главным образом, на задействование одним пользователем. Однако многие инфраструктурные ресурсы, к которым он обращается, носят неоспоримо социальный характер: это можно проследить на примере пользования интернетом. При том что вычислительное решение персональное, практическая эффективность в его задействовании может фиксироваться только лишь в случае получения человеком доступа к источникам данных, сформированным другими людьми.

Классификация ПО для компьютерных архитектур: мейнфреймы и мини-ЭВМ

Наряду с классификацией компьютеров, рассмотренной нами выше, существуют также критерии отнесения к тем или иным категориям программ, которые инсталлируются на соответствующие типы вычислительной техники. Что касается мейнфреймов и близких им по назначению, а в некоторых случаях и по производительности мини-ЭВМ, то на них, как правило, реализована возможность задействования нескольких операционных систем, адаптированных для решения конкретных производственных задач. В частности данные ОС могут быть приспособлены к запуску различных средств автоматизации, виртуализации, внедрения промышленных стандартов, интеграции с различными видами ПО прикладного назначения.

Классификация ПО: персональные компьютеры

Программы для обычных ПК могут быть представлены в разновидностях, оптимизированных для решения, в свою очередь, пользовательских задач, а также тех производственных, что не требуют того уровня производительности, который характеризует мейнфреймы и мини-ЭВМ. Есть, таким образом, программы для ПК промышленные, научные, лабораторные. ПО, архитектура компьютерных систем соответствующего типа зависит от конкретной отрасли, в которой они применяются, от предполагаемого уровня квалификации пользователя: очевидно, что профессиональные решения для промышленного дизайна могут быть не рассчитаны на человека, имеющего лишь базовые знания в области применения компьютерных программ.

Программы для ПК в тех или иных разновидностях имеют во многих случаях интуитивно понятный интерфейс, различную справочную документацию. В свою очередь, мощности мейнфреймов и мини-ЭВМ могут быть в полной мере использованы при условии не только следования инструкциям, но также и при регулярном внесении пользователем изменений в структуру запускаемых программ: для этого и могут понадобиться дополнительные знания, например, связанные с использованием языков программирования.

Уровни программной архитектуры ПК

Понятие «архитектура компьютерных систем» учебник информатики, в зависимости от взглядов его автора, может трактовать по-разному. Еще одна распространенная интерпретация соответствующего термина предполагает его соотнесение с уровнями программного обеспечения. При этом не имеет принципиального значения то, в какой конкретно вычислительной системе соответствующие уровни ПО реализованы.

В соответствии с данным подходом, под архитектурой компьютера следует понимать набор различных типов данных, операций, характеристик программного обеспечения, задействуемого в целях поддержания функционирования аппаратных компонентов компьютера, а также создания условий, при которых пользователь получает возможность применить данные ресурсы на практике.

Архитектуры программных уровней

Эксперты выделяют следующие основные архитектуры компьютерных систем в контексте рассматриваемого подхода к пониманию соответствующего термина:

цифровая логическая архитектура вычислительного решения - фактически, аппаратное обеспечение ПК в виде различных модулей, ячеек, регистров - например, находящихся в структуре процессора;
микроархитектура на уровне интерпретации различных микропрограмм;
архитектура трансляции специальных команд - на уровне ассемблера;
архитектура интерпретации соответствующих команд и их реализации в программный код, понятный операционной системе;
архитектура компиляции, позволяющая вносить изменения в программные коды тех или иных видов ПО;
архитектура языков высокого уровня, позволяющих приспособить программные коды к решению конкретных пользовательских задач.

Значение классификации программной архитектуры

Конечно, эта классификация в контексте рассмотрения данного термина как соответствующего уровням программного обеспечения, может быть очень условной. Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем, в зависимости от их технологичности и назначения, может потребовать иных подходов разработчиков в классификации уровней ПО, а также, собственно, к пониманию сущности термина, о котором идет речь.

Несмотря на то что данные представления теоретические, их адекватное понимание имеет большое значение, поскольку способствует разработке более эффективных концептуальных подходов к выстраиванию тех или иных типов вычислительной инфраструктуры, позволяет разработчикам оптимизировать свои решения к запросам пользователей, решающих конкретные задачи.

Резюме

Итак, мы определили сущность термина «архитектура компьютерной системы», то, каким образом он может рассматриваться в зависимости от того или иного контекста. В соответствии с одним из традиционных определений, под соответствующей архитектурой может пониматься аппаратная структура ПК, предопределяющая уровень его производительности, специализацию, требования к квалификации пользователей. Данный подход предполагает классификацию современных компьютерных архитектур на 3 основные категории - мейнфреймы, мини-ЭВМ, а также ПК (которые, в свою очередь, также могут быть представлены различными разновидностями вычислительных решений).

Как правило, каждый тип указанных архитектур рассчитан на решение определенных задач. Мейнфреймы и мини-ЭВМ чаще всего находят применение в промышленности. С помощью ПК также можно решать широкий круг производственных задач, осуществлять инженерные разработки - для этого также приспособлена соответствующая архитектура компьютерных систем. Лабораторные работы, научные эксперименты с такой техникой становятся понятнее и эффективнее.

Еще одна трактовка термина, о котором идет речь, предполагает его соотнесение с конкретными уровнями программного обеспечения. В этом смысле архитектура компьютерных систем - рабочая программа, обеспечивающая функционирование ПК, а также создающая условия для использования его вычислительных мощностей на практике в целях решения тех или иных пользовательских задач.

fb.ru

Что собой представляет архитектура ПК

Архитектура современного ПК представляет собой логическую организацию, структуру и ресурсы, то есть механизмы вычислительной системы. Последние могут выделяться на определенный временной интервал для процесса обработки информации.

Правила построения персонального компьютера

Основой современной вычислительной машины являются принципы архитектуры ПК, сформулированные Джоном Нейманом:

1. Программное управление. Состоит из группы команд, которые выполняет процессор автоматически (одну за другой в определенной последовательности).

2. Однородность памяти. Программы и другие данные хранятся в одном разделе памяти. Одни и те же действия выполняются и над данными, и над командами.

3. Адресность. Основная память состоит из пронумерованных секторов (ячеек).

Построение персонального компьютера

Классическая архитектура ПК строится на вышеперечисленных принципах. Она определяет условия работы, информационные связи, взаимное соединение главных логических узлов персонального компьютера. К ним относятся внешняя и основная память, центральный процессор и периферийные устройства.

Персональный компьютер конструктивно выполнен в виде основного системного блока. К нему через специализированные разъемы присоединяются периферийные устройства. Архитектура ПК содержит следующие основные узлы: системную плату, блок питания, накопители на жестком магнитном и оптическом дисках, интерфейсы для дополнительных и внешних устройств. В свою очередь, на материнской (системной) плате располагаются микропроцессор, тактовый генератор импульсов, математический сопроцессор и микросхемы памяти. А также таймер, контроллеры периферийных устройств, видео- и звуковая карта.

Архитектура ПК основана на модульно-магистральном принципе. Данное правило позволяет пользователю самостоятельно комплектовать требуемую конфигурацию персонального компьютера, а также (при необходимости) производить ее модернизацию. Удобство модульной организации системы заключается в магистральном принципе обмена данными. Контроллеры всех устройств взаимодействуют с оперативной памятью и микропроцессором через главную магистраль передачи информации, которую называют "системной шиной". Она выполнена в виде печатного моста на материнской плате. Системная шина – это главный интерфейс вычислительной машины, и вся архитектура ПК построена вокруг нее. Именно этот элемент обеспечивает связь и сопряжение всех устройств друг с другом. Системная шина производит три направления передачи данных:

Между основной памятью и микропроцессором;

Между портами ввода и вывода внешних устройств и процессором;

Между портами и основной памятью.

Внешние устройства персонального компьютера обеспечивают связь последнего с окружающей средой: объектами управления, пользователями и другими вычислительными машинами.

Основные функциональные характеристики ПК:

1. Быстродействие, производительность, тактовая частота.

2. Разрядность кодовых шин интерфейсов и микропроцессора.

3. Типы локальных и системных контроллеров.

4. Размер оперативной памяти.

5. Емкость жесткого диска.

6. Наличие, размер и виды кэш-памяти.

7. Тип видеоадаптера.

8. Вид мультимедийных аудиосредств.

9. Программное обеспечение.

10. Аппаратная совместимость с другими персональными компьютерами.

11. Возможность работы машины в вычислительной сети, а также в многозадачном режиме.

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.

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.

Архитектура – состав устройств, включаемых в ПК, и организация их взаимодействия. Основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой называется общей шиной. Иначе говоря, общая шина это интерфейс объединения модулей в вычислительную систему. А фактически Общая шина или системная магистраль (ОШ, СМ) – пучок проводов, к которому подключются все блоки ПК .(интерфейс- стандарты связи и взаимодействия устройств между собой ).

Минимальная (базовая) конфигурация ПКвключает в себя : 1)системный блок; 2)видеомонитор (дисплей); 3)клавиатуру; 4) и как правило, ручной манипулятор (чаще всего мышь). При расширенной конфигурации к ПК могут подключаться и другие внешние устройства: принтер, модем, сканер, звуковые колонки и т.д.

ПК строятся на основе принципа открытой архитектуры : не единая, жесткая конструкция, а возможность гибкого подключения разных устройств и замены этих устройств на новые модификации (upgrade ). Например, можно устанавливать дополнительные блоки оперативной памяти и жесткие диски. В частности, можно использовать блоки разных производителей (с едиными стандартами связи и взаимодействия – интерфейсом ).

Основной частью ПК является системный блок (Рисунок 3). В системном блоке размещаются основные элементы: 1)системная (материнская) плата (СП); 2)жесткий диск (винчестер); 3)порты – разъемы для подключения внешних устройств; 4)дисководы; 5)блок питания с вентилятором (преобразует переменный ток в постоянный).

На системной (материнской) плате устанавливаются: 1)микропроцессор (МП); 2)основная (внутренняя) память (=ОЗУ+ПЗУ+Полупостоянная(CMOS)); 3)таймер (с аккумулятором) ведущий отсчет времени (и при выключенном ПК); 4)генератор тактовых импульсов(ГТИ); 5)контроллер прерываний; 6)пучки проводов (шины, информационные магистрали), обеспечивающие связь между этими блоками.

МП (центральный процессор ПК) – основа ПК – обеспечивает собственно обработку информации (данных, чисел). Состоит из управляющего устройства (что и в каком порядке делать) и арифметико-логического устройства , выполняющего сами операции.

1)Все операции выполняются над машинными словами двоичными числами (из 0 и 1) расположенными в специальных ячейках процессора – регистрах .

2)Из ОЗУ берется машинная команда. В трехадресной команде (бывают одно и двухадресные):

3)Операнд – число из ячейки ОЗУ (или, иногда, указанное в самой МК).

4)Операции – элементарные: сложение, умножение и т.п. двоичных чисел. Все возможности ЭВМ сводятся к ним.

5)В результате выполнения команды определяется по какому адресу ОЗУ брать следующую команду (подряд или БуП или УП).

Каждая операция выполняются за несколько шагов (тактов ), которые производятся сразу над несколькими числами. Шаги должны быть синхронизированны .

Рисунок 3 – Структура системного блока персонального компьютера

Для синхронизации операций используется генератор тактовых импульсов (ГТИ) – специальная микросхема на СП, которая выдает строго определенное число импульсов в секунду – тактовая частота процессора . Любая операция (например, арифметическая) выполняется за 1 или несколько (3–4) тактов. У ГТИ – та же роль, что у маятника в механических часах. Быстродействие МП, кроме тактовой частоты, зависит от разрядности процессора – числа бит в регистрах, которые обрабатываются параллельно за 1 шаг (такт). Самые большие затраты времени МП получаются при обмене данными с ОЗУ, поэтому процессор снабжают «промежуточной», сверхоперативной – кэш-памятью (действующим хранилищем копий блоков основной памяти, с которыми процессор работает в данный момент). Это позволяет быстро обращаться к содержимому отдельных ячеек. Кэш-память первого уровня (самая маленькая и быстрая) в одном кристалле с МП, второго на отдельном кристалле в одном узле с МП, третьего – быстродействующие микросхемы на СП вблизи МП.

Для ускорения работы к МП подключаются сопроцессоры – вспомогательные специализированные процессоры, которые могут выполнять только операции определенного типа, но очень быстро: математический, графический, ввода-вывода . Например, математический сопроцессор реализует в виде специальных электронных схем вычисление стандартных функций (логарифм, корень), каждую из которых иначе пришлось бы считать большим количеством элементарных сложений, умножений и т.п.

Быстродействие процесора – число операций в секунду (флопсы) измеряется на стандартных тестовых задачах. Величина условная, зависит от состава теста – у одних быстрее сложение, у других обмен с ОЗУ и т.п. (аналогия с прожиточным минимумом и инфляцией). У современных ПК составляет десятки – сотни Мегафлопс (миллионов оп/сек). На суперкомпьютерах достигнуты рекордные значения 50 Терафлопс – 50 триллионов оп/сек, планируется 10 Петафлопс – 10*1000 триллионов оп/сек.

Таким образом, быстродействие МП зависит от его характеристик :

1)Тактовая частота – сейчас до нескольких миллиардов тактов в сек (ГГц);

2)Разрядность процессора – обычно 32 или 64 бита;

3)Объемы кэш-памяти – сейчас 1 уровень десятки Кб, 2 – до 2 Мб, 3 – несколько Мб. Считается, что кэш-память 256 КБ увеличивает производительность ПК на 20%.

Основные фирмы, которые производят центральные процессоры для ПК это Intel, AMD, IBM

ПК параллельно выполняет несколько задач (программ, процессов). В любой момент может поступить сигнал от внешних устройств (принтер – кончилась бумага, клавиатура – прекратить расчет, переключиться в другое окно). Нужно выполнить прерывание – остановить одни задачи (запомнив состояние и промежуточные результаты), запустить новые программы (выдать сообщение о бумаге на экран). Всё это координируется специальным управляющим устройством на СП – контроллером прерываний (КП).

Различные устройства подключаются к СП через специальные разъемы (гнезда или слоты) . В них вставляются конкретные платы, называемые контроллером или адаптером , обеспечивающие управление этими устройствами (монитором, принтером, мышью, дисководами и т.д.). Контроллер клавиатуры обычно устанавливается непосредственно на СП. (Control – управление, а не только контроль.) Для управления каждым внешним устройством кроме контроллера нужна своя программа – драйвер , которая хранится либо в памяти ПК, либо в специальной памяти контроллера. Для обеспечения связи между устройствами на СП, а также их связи с подключенными через слоты и контроллеры другими устройствами могут использоваться: многосвязный интерфейс – каждая связь двух устройств отдельная линия или односвязный интерфейс – все устройства подключаются к единой линии.

СМ включает 4 основные линии (шины) :

1)Шина данных для передачи операндов.

2)Шина адреса для передачи кодов ячеек памяти и портов.

3)Шина управления для передачи управляющих сигналов всем блокам.

4)Шина питания для передачи всем устройствам напряжения от блока питания.

Некоторые устройства осуществляют интенсивный обмен данными между собой (МП – Основная память, МП – Видеотерминал). Поэтому кроме СМ (ОШ) используют локальные шины , напрямую связывающие отдельные устройства. Например, USB шина - интерфейсная шина системного уровня. Позволяет подключать до 256 внешних устройств к одному каналу. Обеспечивает «горячее» подключение и отключение устройств к работающему компьютеру. Скорость передачи до 800 Мб/сек.

Применяют разные типы (конструкции, стандарты) шин, которые делят на:

1)Шины расширения – универсальные, можно подключать разные устройства.

2)Локальные шины , предназначенные для соединения конкретных типов устройств.

Реально все сложнее – первоначально локальные конструкции шин развивались и появлялась возможность подключения к ним других устройств.

Характеристики шин : 1)Рабочая частота – количество тактов передачи в секунду; 2)Скорость передачи данных (Мбайт/сек); 3)Разрядность шины данных –сколько бит может передаваться одновременно; 4)Разрядность адресной шины , от которой зависит адресное пространство – с какой емкостью ОЗУ можно работать: а) 24 разряда –> 2 24 байт = 16 Мбайт; б) 32 разряда –> 2 32 байт = 4 Гбайт.

Наиболее распространенные типы (стандарты) шин:

ISA (IndustryStandardArchitecture), использовалась в ранних ПК сейчас устарела. Рабочая частота 8 МГц, скорость передачи 5,5 Мб/сек, шина данных 16 разрядов, адресная – 24.

EISA (ExtendedISA) – усовершенствованный вариант. Рабочая частота 10–20 МГц, скорость передачи до 32 Мб/сек, шины данных и адресная по 32 разряда.

VLB (VESALocalBus– локальная шина стандартаVESA–VideoElectronicsStandardsAssociation– Ассоциация стандартов видеооборудования) – локальная шина для связи МП и ОП, к которой потом стали подключать монитор. Рабочая частота до 50 МГц, скорость передачи до 50 Мб/сек, есть варианты с 32 и с 64 разрядами обеих шин.

PCI (PeripherialComponentIterconnect) – создана как локальная, но возможности расширены и теперь можно подключать разные устройства, в т.ч. шиныEISA. Рабочая частота до 66 МГц. Варианты: 33МГц – 264 Мб/сек – 32 разряда; 66МГц – 528 Мб/сек – 64 разряда.

AGP (Advanced Graphic Port) – локальная для подключения монитора (видеоадаптера). Рабочие частоты 33 и 66 МГц, скорость передачи до 1066 Мб/сек.

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль). Используется для подключения внешних устройств к СМ. Позволяет подключать до 256 внешних устройств к одному каналу. Обеспечивает «горячее» подключение и отключение устройств к работающему компьютеру. Скорость передачи до 800 Мб/сек.