Архитектура ЭВМ – совокупность основных устройств, узлов и блоков ЭВМ, а также структура основных управляющих и информационных связей между ними, обеспечивающая выполнение заданных функций.

Архитектура в информатике – концепция взаимосвязи элементов сложной структуры, включает компоненты логической, физической и программной структур.

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя.

Большинство современных ЭВМ функционируют на основе принципов, сформулированных в 1945 году американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом:

1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных символов (сигналов).

2. Принцип программного управления. Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

4. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых которая доступна процессору в произвольный момент времени.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков (рис 1.1.) устройства ввода/вывода информации; 2) памяти ЭВМ; 3) процессора, включающего устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ)

В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память. Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.

Память ЭВМ состоит из двух видов памяти: внутренняя (оперативная) и внешняя (долговременная) память. Оперативная память – это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. Внешняя память – это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски.

За прошедшие десятилетия процесс совершенствования ЭВМ шел в рамках приведенной структуры (Рис. 1.2).

ЦПУ – центральное процессорное устройство.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ ) – для арифметических вычислений и принятия логических решений.

Запоминающее устройство (ЗУ ) служит для хранения информации.

Устройство управления (УУ ) – координация различных блоков ЭВМ.

АЛУ, ЗУ, УУ, устройства ввода/вывода нельзя отнести к категории только технического обеспечения, поскольку в них присутствует и программное. Такие составные части компьютера будем называть системами.

Рис. 1.2. Современная архитектура ЭВМ

Система - совокупность элементов, подчиняющихся единым функциональным требованиям.

Принцип открытой архитектуры - состоит в обеспечении возможности переносимости прикладных программ между различными платформами и обеспечения взаимодействия систем друг с другом. Эта возможность достигается за счет использования международных стандартов на все программные и аппаратные интерфейсы между компонентами систем. Это позволяет, во-первых, выполнять модернизацию ПК (upgrade), дополняя его новыми элементами и заменяя устаревшие блоки, во-вторых, дает возможность пользователю составлять самостоятельно структуру своего ПК в зависимости от конкретных целей и задач.

Структура компьютера – некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Введение

Современные ЭВМ бывают самыми разными: большие, занимающие целые залы, маленькие, помещающиеся на столе, в портфеле и даже в кармане. Сегодня самым массовым видом ЭВМ являются персональные компьютеры.

Создание персонального компьютера (ПК) можно отнести к одному из самых значительных изобретений 20 века. ПК существенно изменил роль и значение вычислительной техники в жизни человека.

Определение «персональный» возникло потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ самостоятельно (персонально) без посредничества профессионала- программиста.

Персональные компьютеры используются сейчас повсеместно. Их основное назначение- выполнение рутинной работы: поиск информации, составление типовых форм документации, фиксация результатов исследования, подготовка текстов разного рода от простейших документов до издательской верстки и так далее.

Общедоступность и универсальность персонального компьютера обеспечивается за счет наличия следующих характеристик:

· «дружественность» интерфейса взаимодействия человека с компьютером, что позволяет работать на нем без специальной подготовки в компьютерной области

· малая стоимость

· небольшие габариты и отсутствие специальных требований к условиям окружающей среды

· открытость архитектуры

· большое количество программных средств для различных областей применения

· совместимость на программном и физическом уровне новых версий и моделей

· высокая надежность работы

Основы архитектуры ЭВМ

Составные части, из которых состоит компьютер, называют модулями. Среди всех модулей выделяют основные модули, без которых работа компьютера невозможна, и остальные модули, которые используются для решения различных задач: ввода и вывода графической информации, подключения к компьютерной сети и т.д.

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в заданной последовательности).

2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).

3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана).

Архитектура ЭВМ - это её логическая организация, структура и ресурсы. Архитектура определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ЭВМ:

· процессора;

· оперативного ЗУ (запоминающего устройства);

· внешних ЗУ;

· периферийных устройств.

Функции памяти:

· приём информации от других устройств;

· запоминание информации;

· передача информации по запросу в другие устройства машины.

Память делят на:

· основную:

· ОЗУ (оперативно запоминающее устройство);

· ПЗУ (постоянное запоминающее устройство);

· внешнюю (устройства внешней памяти позволяют длительно хранить информацию).

Носители внешней памяти:

· жесткие и гибкие магнитные диски

· лазерные диски (CD)

Прежде, чем использовать, диски форматируют на дорожки и секторы.

К функциям периферийных устройств относятся ввод и вывод информации.

Каждое устройство имеет набор характеристик, которые позволяют подобрать такую конфигурацию устройств, которая наилучшим образом подходит для решения определенного круга задач с помощью компьютера.

Функции процессора:

· обработка данных по заданной программе (выполнение над ними арифметических и логических операций)- функция АЛУ (арифметико-логического устройства);

· программное управление работой устройств ЭВМ - функция УУ (устройства управления).

В состав процессора входят также регистры (процессорная память) - ряд специальных запоминающих ячеек.

Регистры выполняют две функции:

· кратковременное хранение числа или команды;

· выполнение над ними некоторых операций.

Важнейшие регистры:

· счетчик команд (служит для автоматической выборки команд программы из последовательных ячеек памяти, в нем хранится адрес выполняемой команды);

· регистр команд и состояний (служит для хранения кода команды).

· Команда - это элементарная операция, которую должна выполнить ЭВМ.

Команда содержит:

· код выполняемой операции

· адреса операндов

· адрес размещения результата

Выполнение команды разбивается на следующие этапы:

· из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается команда (при этом содержимое счётчика команд увеличивается)

· команда передаётся в устройство управления (в регистр команд)

· устройство управления расшифровывает адресное поле команды

· по сигналам устройства управления операнды выбираются из памяти в АЛУ (в регистры операндов)

· УУ расшифровывает код операции и выдаёт сигнал АЛУ выполнить операцию

· результат операции остаётся в процессоре, либо возвращается в ОЗУ

Структура ПК

Рассмотрим классическую архитектуру персонального компьютера:

Персональные компьютеры обычно состоят из следующих основных модулей

· монитор

В системном блоке находятся все основные узлы компьютера:

· материнская плата;

· электронные схемы (процессор, контроллеры устройств и т.д.);

· блок питания;

· дисководы (накопители).

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Принципы фон Неймана

В основу архитектуры большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом в отчете по ЭВМ ЕЭУАС:

• принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд (СчАК). Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду;
• принцип однородности памяти - программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм);
• принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от них, - не-фон-неймановские.

Например, в ассоциативных компьютерах может не выполняться принцип программного управления, поскольку каждая команда здесь содержит адрес следующей (т. е. они могут работать без счетчика команд , указывающего на выполняемую команду программы).

По прошествии более 60 лет большинство компьютеров так и имеют «фон-неймановскую архитектуру», причем принципы фон Неймана реализованы в следующем виде:

• оперативная память (ОП) организована как совокупность машинных слов (МС) фиксированной длины или разрядности (имеется в виду количество двоичных единиц или бит, содержащихся в каждом МС). Например, ранние ПЭВМ имели разрядность 8, затем появились 16-разряд-ные, а затем - 32- и 64-разрядные машины. В свое время существовали также 45-разрядные (М-20, М-220), 35-раз-рядные (Минск-22, Минск-32) и др. машины;
• ОП образует единое адресное пространство, адреса МС возрастают от младших к старшим;
• в ОП размещаются как данные, так и программы, причем в области данных одно слово, как правило, соответствует одному числу, а в области программы - одной команде (машинной инструкции - минимальному и неделимому элементу программы);
• команды выполняются в естественной последовательности (по возрастанию адресов в ОП), пока не встретится команда управления (условного/безусловного перехода, или ветвления - branch), в результате которой естественная последовательность нарушится;
• ЦП может произвольно обращаться к любым адресам в ОП для выборки и/или записи в МС чисел или команд.

Функциональные блоки (агрегаты, устройства)

В то время как логические элементы и узлы во многом универсальны и могут использоваться в самых различных сочетаниях для решения разнообразных задач, блоки (агрегаты) ЭВМ представляют собой комплексы элементов (узлов), ориентированные на узкий круг задач (операций). Такие агрегаты, как АЛУ, процессор, банк памяти, внешние устройства (НГМД и пр.), обязательно включают в свой состав (кроме механического, оптического, электромагнитного и иного оборудования) логические элементы и узлы, используемые для хранения информации, ее обработки и управления этими процессами.

Центральное устройство (ЦУ) представляет основную компоненту ЭВМ и, в свою очередь, включает ЦП - центральный процессор (central processing unit - CPU) и ОП - оперативную (главную) память или оперативное запоминающее устройство - ОЗУ (синонимы - Main Storage, Core Storage, Random Access Memory - RAM).

Процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управления вычислительным процессом, осуществляя выборку машинных команд и данных из оперативной памяти, их выполнение и запись результатов в ОП, включение и отключение ВУ. Основными блоками процессора являются:

• устройство управления (УУ) с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);
• арифметико-логическое устройство (АЛУ);
• процессорная память (внутренний кэш).

Оперативная память предназначена для временного хранения данных и программ в процессе выполнения вычислительных и логических операций.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Arithmetic and Logical Unit (ALU) - часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции над данными.

АЛУ реализует набор простых операций. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции и, или, не). АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и блока управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему кодами операций, которые должны быть выполнены над переменными, помещаемыми в регистры.

Внешние устройства (ВУ). ВУ обеспечивают эффективное взаимодействие компьютера с окружающей средой - пользователями, объектами управления, другими машинами.

В специализированных управляющих ЭВМ (технологические процессы, связь, ракеты и пр.) внешними устройствами ввода являются датчики (температуры, давления, расстояния и пр.), устройствами вывода - манипуляторы (гидро-, пневмо-, сервоприводы рулей, вентилей и др.).

В универсальных ЭВМ (человеко-машинная обработка информации) в качестве ВУ выступают терминалы, принтеры и др. устройства.

Интерфейсы (каналы связи) служат для сопряжения центральных узлов машины с ее внешними устройствами.

Однотипные ЦУ и устройства хранения данных могут использоваться в различных типах машин. Известны примеры того, как фирмы, начавшие свою деятельность с производства управляющих машин, совершенствуя свою продукцию, перешли к выпуску систем, которые в зависимости от конфигурации ВУ могут исполнять роль как универсальных, так и управляющих машин (машины Hewlett-Packard - HP и Digital Equipment Corporation - DEC).

Абстрактное центральное устройство

Перечислим основные понятия и рассмотрим структуру и функции абстрактного центрального устройства ЭВМ (рис. 2.23), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (arithmetic and logic unit - ALU) которого предназначено для обработки целых чисел и битовых строк.

Команда, инструкция (instruction) - описание операции, которую нужно выполнить. Каждая команда характеризуется форматом, который определяет ее структуру. Типичная команда содержит:

• код операции (КОП), характеризующий тип выполняемого действия;
• адресную часть (A4), которая в общем случае включает:
• - номера (адреса) индексного (ИР) и базисного (БР) регистров;
• - адреса операндов - Al, А2 и т. д.

Цикл процессора - период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде; состоит из нескольких тактов.

Такт работы процессора - промежуток времени между соседними импульсами (tick of the internai clock) генератора тактовых импульсов, частота которых есть тактовая частота процессора. Такт процессора (такт синхронизации) - квант времени, в течение которого осуществляется элементарная операция - выборка, сравнение, пересылка данных.

Разрядность

Команда к + 1 Команда к

Адресная часть (адресность) /

Базисные регистры (БР1, БР2, ...)

Индексные регистры (ИР1, ИР2, ...)

Регистр результата

Регистры числа (РЧ1, РЧ2, ...)

Регистр адреса команды (РАК, СчАК)

Регистры адреса (РА1, РА2, ...)

Регистр команды (РК)

Сумматор

Устройство управления (УУ)

Рис. 2.23. Структура простейшего центрального устройства ЭВМ

Выполнение короткой команды - арифметика с ФТ (фиксированной запятой - ФЗ), логическая операция - занимает как минимум пять тактов (см. также рис. 3.1):

• выборка команды (Fetch);
• расшифровка кода операции/декодирование (instruction Decode);
• вычисление адреса и выборка данных из памяти (Address Generate, Load)
• выполнение операции (Execute);
• запись результата в память (write Back, store).

Процедура, соответствующая каждому такту, реализуется определенной логической цепью (схемой) процессора, обычно именуемой микрокомандой.

Регистры - устройства, предназначенные для временного хранения данных ограниченного размера (регистровое запоминающее устройство - РЗУ). Важной характеристикой регистра является высокая скорость приема и выдачи данных. Регистр состоит из разрядов, в которые можно быстро записывать, запоминать и считывать слово, команду, двоичное число и т. д. Обычно регистр имеет ту же разрядность, что и машинное слово.

Регистр, обладающий способностью перемещать содержимое своих разрядов, называют сдвиговым. В этих регистрах за один такт хранимое слово поразрядно сдвигается на одну позицию.

Регистры общего назначения - РОН, регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл - РФ (General Purpose Registers) - общее название для регистров, которые временно содержат данные, передаваемые в память или принимаемые из нее.

Регистр команды (РК, Instruction Register - IR) служит для размещения текущей команды, которая находится в нем в течение текущего цикла процессора.

Регистр (РАК), счетчик (СчАК) адреса команды (program counter - PC) - регистр, содержащий адрес текущей команды.

Регистр адреса (числа) - РА(Ч) - содержит адрес одного из операндов выполняемой команды (регистров может быть несколько).

Регистр числа (РЧ) содержит операнд выполняемой команды, этих регистров также несколько.

Регистр результата (РР) предназначается для хранения результата выполнения команды.

Сумматор - регистр, осуществляющий операции сложения (логического и арифметического двоичного) чисел или битовых строк, представленных в прямом или обратном коде. Регистр, хранящий промежуточные данные, часто именуют аккумулятором.

Существуют и другие регистры, не отмеченные на схеме, например регистр состояния - Status Register (SR) или регистр флагов. Типичным содержанием SR является информация об особых результатах завершения команды (ноль, переполнение, деление на ноль, перенос и пр.). УУ использует информацию из SR для исполнения условных переходов (например, «в случае переполнения перейти по адресу 4170»). Ниже более подробно будут рассмотрены регистры процессора 18086.

Цикл выполнения короткой команды может выглядеть следующим образом.

• 1. В соответствии с содержимым СчАК (адрес очередной команды) УУ извлекает из ОП очередную команду и помещает ее в РК. Некоторые команды УУ обрабатывает самостоятельно, без привлечения АЛУ (например, по команде «перейти по адресу 2478» величина 2478 сразу заносится в СчАК, и процессор переходит к выполнению следующей команды.
• 2. Осуществляется расшифровка (декодирование) команды.
• 3. Адреса Al, А2 и пр. помещаются в регистры адреса.
• 4. Если в команде указаны ИР или БР, то их содержимое используется для модификации РА - фактически выбираются числа или команды, смещенные в ту или иную сторону по отношению к адресу, указанному в команде.
• 5. По значениям РА осуществляется чтение чисел (строк) и помещение их в РЧ.
• 6. Выполнение операции и помещение результата в РР.
• 7. Запись результата по одному из адресов (если необходимо).
• 8. Увеличение содержимого СчАК на единицу (переход к следующей команде).

Очевидно, что за счет увеличения числа регистров возможно распараллеливание, перекрытие операций. Например, при считывании команды СчАК можно автоматически увеличить на 1, подготовив выборку следующей команды. После расшифровки текущей команды РК освобождается и в него может быть прочитана следующая команда. При выполнении операции возможна расшифровка следующей команды и т. д. Все это является предпосылкой построения так называемых конвейерных структур {pipeline ). Однако все это хорошо только при последовательном (естественном) порядке выполнения команд. Появление переходов (особенно по условию, не определенному ранее) нарушает эту картину (в частности, увеличение СчАК на 1, упомянутое выше, оказывается недействительным). Поэтому современные процессоры пытаются предсказывать переходы в программе (branch prediction).

Архитектуры ЭВМ

Архитектура «звезда». Здесь процессор (ЦУ) (рис. 2.24, а) соединен непосредственно с ВУ и управляет их работой (ранние модели машин). Этот тип также именуется классическая архитектура (фон Неймана) - одно арифмети-

Процессор

Основная

Мост PCI-ISA

Разъемы PCI

Контроллер

периферии

Universal Serial Bus

System Management Bus

Рис. 2.24. Основные классы архитектур ЭВМ: а - централизованная; б - иерархическая; в - магистральная; г - общая структура персонального компьютера (архитектура Triton 430 TX - Northbridge/

ко-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд - программа. Это однопроцессорный компьютер.

Принстонская и гарвардская архитектуры. Архитектура фон Неймана часто ассоциируется с принстонской архитектурой, которая характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ и данных.

Альтернативная - гарвардская архитектура (название связано с компьютером «Марк-1» (1950 г.), в котором использовалась отдельная память для команд) характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды.

Гарвардская архитектура появляется в современных процессорах, когда в кэш-памяти ЦП выделяется память команд (I-Cache) и память данных (D-Cache).

Иерархическая архитектура (рис. 2.24, б) - ЦУ соединено с периферийными процессорами (вспомогательными процессорами, каналами, канальными процессорами), управляющими в свою очередь контроллерами, к которым подключены группы ВУ (системы IBM 360-375, ЕС ЭВМ);

Магистральная структура (общая шина - unibas, рис. 2.24, в). Процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимодействуют между собой и с ВУ (контроллерами ВУ) через внутренний канал, общий для всех устройств (машины DEC, IBM РС-со-вместимые ПЭВМ). Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность линий магистрали разделяется на отдельные группы - шину адреса, шину данных и шину управления.

К этому типу архитектуры относится также архитектура персонального компьютера (ПК). Конечно, реальная структура ПК (рис. 2.24, г) отличается от теоретических схем - в ней используется несколько разновидностей шинных интерфейсов, которые соединяются между собой мостами - контроллерами памяти (Northbridge) и периферийных устройств (Southbridge).

С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие - архитектура ЭВМ.

Подархитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Только через 100 лет на базе появившихся электронных приборов эта идея была развита американским математиком Джоном фон Нейманом. В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные им в 1945 году.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;

Устройство управления , которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее устройство , илипамять для хранения программ и данных;

Внешние устройства для ввода-вывода информации.

В основе работы компьютера лежат следующие принципы:

Принцип двоичного кодирования . Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

Принцип программного управления . Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Машины, построенные на этих принципах, называются Фон-Неймановскими.

Виды архитектуры ЭВМ (открытая, закрытая, Гарвардская).

Архитектура вычислительной машины - концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения

Архитектуры закрытого типа

Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Вычислительные системы с открытой архитектурой

Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой.

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера.

Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток - высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Часто требуется выбрать три составляющие - два операнда и инструкцию(в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее встречаемая задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция - обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») - расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут послужить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx - модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) - расширенная Гарвардская Архитектура.

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их ар­хитектуру и структуру. Архитектурой компьютера называется его описание на некотором об­щем уровне, включающее описание пользовательских воз­можностей программиро­вания, системы команд, системы адресации, органи­зации памяти и т.д. 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 различные устройства - от основных логических узлов компью­тера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Наиболее распространены следующие архитек­турные решения.

1. 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. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры отно­сится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функцио­нальные блоки здесь свя­заны между собой общей шиной, называе­мой также системной магистралью. Совокуп­ность проводов магистрали раз­деляется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управле­ния. Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера че­рез специальные контроллеры - устрой­ство управ­ления, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредствен­ного управле­ния функционирова­нием данного оборудования.

Общая шина

2. Многопроцессорная архитектура . Наличие в компьютере несколь­ких про­цессо­ров означает, что параллельно может быть организовано много потоков дан­ных и много потоков команд (параллельно могут обрабаты­ваться не­сколько фраг­ментов одной задачи ). Структура такой машины имеет общую опе­ративную па­мять и несколько процессоров. Такая архи­тек­тура применяется для ре­шения задач с огромным объемом вычислений.

3. Многомашинная вычислительная система . Здесь несколько про­цессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оператив­ной памяти, а имеют каждый свою (локальную ). Отдельный компьютер в много­машинной системе имеет классическую архитектуру и такая система приме­няется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вы­числи­тельной системы может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

В современных машинах часто присутствуют элементы различных ти­пов архи­тектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые ради­кально отличаются от рассмотренных.

Классификация ВМ

Многообразие свойств и характеристик порождает различные виды класси­фика­ции вычислительных машин. Их делят: по этапам развития, по принципу дей­ствия, по назначению, по производительности и функциональ­ным возможностям, по усло­виям эксплуатации, по количеству процессоров и т.д. Четких границ между клас­сами компьютеров не существует.По мере со­вершенствования структур и техно­логии производства, появляются новые классы компьютеров (и границы суще­ст­вую­щих классов существенно изменя­ются ).

1. По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналого­вые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). АВМ – вычислительные машины непрерывного действия, работают с ин­формацией, представленной в непрерывной (аналоговой ) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физиче­ской величины(механиче­ского воздействия, перемещения, электрического напряжения и др. ). ЦВМ – вычислитель­ные ма­шины дис­кретного действия, работают с информа­цией, представленной в дискрет­ной, а точнее, в цифровой форме. ГВМ – вычисли­тельные машины ком­бинирован­ного действия, работают с информацией, представ­ленной и в цифро­вой, и в анало­говой форме (совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ ). Их ис­пользу­ют в управлении сложными техни­ческими ком­плексами.

2. По назначению вычислительные машины делятся на три группы: универсальные (об­щего на­зна­чения ), проблемно-ориентированные и специа­лизированные.

Универ­сальные вычислительные машины предназначены для решения самых разных задач: эконо­ми­ческих, математических, информационных и других, от­ли­чающихся сложно­стью ал­горитмов и большим объемом обраба­тываемых данных.

Характерными чертами универсальных машин являются:

· высокая производительность;

· разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, сим­воль­ных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их пред­став­ления;

· обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логи­че­ских, так и специальных;

· большая емкость оперативной памяти;

· развитая организация системы ввода-вывода информации.

Проблемно-ориентированные вычислительные машины служат для ре­шения более узкого круга за­дач, связанных, как правило, с управлением тех­нологическими объ­ектами; реги­стра­цией, накоплением и обработкой относи­тельно небольших объемов данных; выпол­нением расчетов по относительно несложным алго­ритмам. Они обладают ограни­ченными по сравнению с уни­версальными машинами аппаратными и программ­ными ре­сурсами. К про­блемно-ориентированным вычислительным машинам можно отнести, в част­но­сти, всевоз­можные уп­равляющие вычисли­тельные системы (АСУТП, САПР).

Специализированные вычислительные машины используются для ре­шения узкого круга задач или реа­лизации строго определенной группы функций. Такая их узкая ориентация по­зволяет четко специализировать струк­туру, существенно снизить их слож­ность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным машинам можно отнести, например, программируе­мые микро­про­цессоры специального назначения, выполняющие логические функции управления от­дельными не­сложными техническими устройствами, агре­гатами и процессами.

3. По размерам и функциональным возможностям вычислитель­ные машины можно разделить на сверх­большие (суперЭВМ ) – многопроцес­сор­ные и (или) многомашинные ком­плексы, которые используются для ре­шения сложных и больших научных задач - в управле­нии, разведке, в каче­стве цен­трализованных хранилищ информации и т.д. Большие (мэйн­фреймы ) - пред­назначены для решения широкого класса на­учно-техниче­ских задач. Малые (конструктивно выполненные в одной стойке ). Сверхма­лые (микро­ЭВМ ).

Заме­тим, что иногда классификация осуществляется и по иным призна­кам: например, эле­ментной базе, конструктивному исполнению и др.

Свойства ЭВМ лю­бого типа оцени­вается с помощью их технико-эко­номиче­ских характеристик, основ­ными из ко­торых являются: опера­ционные ресурсы(ха­ракте­ризуются количеством реализуемых опе­раций, формами представ­ления дан­ных, а также спо­собами адресации ), емкость памяти (оп­ределяется общим количе­ством ячеек памяти для хра­не­ния инфор­мации ), быстро­дей­ствие(опреде­ляется числом коротких операций типа сложе­ния, выполняе­мых за 1 сек ), надеж­ность(сред­нее время работы между двумя от­казами ), стоимость(это суммар­ные за­траты на при­обретение аппа­рат­ных и базовых про­граммных средств ЭВМ, а также за­траты на эксплуатацию ).