Arhitektura računala – skup glavnih uređaja, čvorova i blokova računala, kao i struktura glavnih upravljačkih i informacijskih veza između njih, osiguravajući izvođenje određenih funkcija.

Arhitektura u informatici– koncept međusobnog povezivanja elemenata složene strukture, uključuje komponente logičke, fizičke i programske strukture.

Arhitektura računala obično je određena skupom njegovih svojstava koja su značajna za korisnika.

Većina modernih računala radi na temelju principa koje je 1945. formulirao američki znanstvenik mađarskog podrijetla John von Neumann:

1. Princip binarnog kodiranja. Prema ovom principu, sve informacije koje ulaze u računalo kodiraju se pomoću binarnih simbola (signala).

2. Princip programske kontrole. Računalni program sastoji se od skupa naredbi koje procesor automatski izvršava jednu za drugom u određenom nizu.

3. Načelo homogenosti memorije. Programi i podaci pohranjeni su u istoj memoriji. Stoga računalo ne razlikuje što je pohranjeno u određenoj memorijskoj ćeliji - broj, tekst ili naredba. Na naredbama možete izvoditi iste radnje kao i na podacima.

4. Načelo ciljanja. Strukturno, glavna memorija sastoji se od numeriranih ćelija, od kojih je svaka dostupna procesoru u bilo kojem trenutku.

Prema von Neumannu, računalo se sastoji od sljedećih glavnih blokova (Sl. 1.1.): informacijski ulazno/izlazni uređaj; 2) memorija računala; 3) procesor, uključujući upravljačku jedinicu (CU) i aritmetičko-logičku jedinicu (ALU)

Tijekom rada računala informacije ulaze u memoriju putem ulaznih uređaja. Procesor dohvaća obrađene informacije iz memorije, radi s njima i u nju pohranjuje rezultate obrade. Dobiveni rezultati se priopćuju osobi putem izlaznih uređaja .

Računalna memorija sastoji se od dvije vrste memorije: unutarnje (operativno) i vanjsko (dugoročno) pamćenje. RAM je elektronički uređaj koji pohranjuje informacije dok se napaja električnom energijom. Vanjska memorija je vrsta magnetskih medija (vrpce, diskovi), optički diskovi.

Tijekom proteklih desetljeća proces usavršavanja računala odvijao se u okviru zadane strukture (slika 1.2).

CPU- Središnja procesorska jedinica.

Aritmetičko logička jedinica ( ALU) – za aritmetičke izračune i logično donošenje odluka.

Memorijski uređaj ( memorija) služi za pohranjivanje informacija.

Kontrolni uređaj ( UU) – koordinacija različitih računalnih blokova.

ALU, memorija, upravljačka jedinica, ulazno/izlazni uređaji ne mogu se klasificirati samo kao hardver, jer sadrže i softver. Takve ćemo komponente računalnog sustava nazvati.

Riža. 1.2. Moderna arhitektura računala

Sustav- skup elemenata koji ispunjavaju zajedničke funkcionalne zahtjeve.

Princip otvorene arhitekture- sastoji se od osiguravanja prenosivosti aplikacijskih programa između različitih platformi i osiguravanja međusobne interakcije sustava. Ova sposobnost se postiže upotrebom međunarodnih standarda za sva softverska i hardverska sučelja između komponenti sustava. To omogućuje, prvo, nadogradnju osobnog računala, dopunjavanje novim elementima i zamjenu zastarjelih jedinica, i drugo, omogućuje korisniku da samostalno kreira strukturu svog osobnog računala ovisno o specifičnim ciljevima i ciljevima.

Struktura računala– određeni model koji uspostavlja sastav, redoslijed i principe interakcije njegovih komponenti.

Uvod

Moderna računala postoje u raznim varijantama: velika koja zauzimaju cijele prostorije, mala koja stanu na stol, u aktovku, pa čak i u džep. Danas su najpopularnija vrsta računala osobna računala.

Stvaranje osobnog računala (PC) može se smatrati jednim od najznačajnijih izuma 20. stoljeća. Računalo je značajno promijenilo ulogu i značaj računalne tehnologije u ljudskom životu.

Definicija "osobnog" nastala je jer je osoba mogla samostalno (osobno) komunicirati s računalom bez posredovanja profesionalnog programera.

Osobna računala danas se koriste posvuda. Njihova glavna namjena je obavljanje rutinskih poslova: traženje informacija, izrada standardnih obrazaca dokumentacije, bilježenje rezultata istraživanja, priprema tekstova raznih vrsta od najjednostavnijih dokumenata do tiskarskog prijeloma i sl.

Opću dostupnost i svestranost osobnog računala osiguravaju sljedeće karakteristike:

· „prijateljstvo“ sučelja za interakciju između čovjeka i računala, koje vam omogućuje rad na njemu bez posebne obuke u području računala

· niska cijena

· male dimenzije i nedostatak posebnih zahtjeva za uvjete okoline

otvorenost arhitekture

· veliki broj programskih alata za različita područja primjene

· kompatibilnost na softverskoj i fizičkoj razini novih verzija i modela

· visoka operativna pouzdanost

Osnove arhitekture računala

Komponente koje čine računalo nazivaju se moduli. Među svim modulima postoje glavni moduli, bez kojih računalo ne može raditi, i preostali moduli, koji se koriste za rješavanje različitih problema: unos i izlaz grafičkih informacija, povezivanje s računalnom mrežom itd.

Konstrukcija većine računala temelji se na principima koje je 1945. formulirao John von Neumann:

1. Načelo programskog upravljanja (program se sastoji od skupa naredbi koje procesor automatski izvršava jednu za drugom u zadanom nizu).

2. Načelo homogenosti memorije (programi i podaci pohranjuju se u istu memoriju; nad naredbama se mogu izvoditi iste radnje kao i nad podacima).

3. Princip adresiranja (glavna memorija je strukturno sastavljena od numeriranih ćelija).

Računala izgrađena na ovim principima imaju klasičnu arhitekturu (von Neumannova arhitektura).

Arhitektura računala je njegova logična organizacija, struktura i resursi. Arhitektura određuje princip rada, informacijske veze i međusobno povezivanje glavnih logičkih čvorova računala:

· procesor;

· RAM (uređaj za pohranu podataka);

· vanjska memorija;

· periferni uređaji.

Memorijske funkcije:

· primanje informacija s drugih uređaja;

· pamćenje informacija;

· prijenos informacija na zahtjev na druge uređaje stroja.

Memorija se dijeli na:

glavni:

· RAM (memorija s izravnim pristupom);

· ROM (memorija samo za čitanje);

· vanjski (vanjski memorijski uređaji omogućuju dugotrajnu pohranu informacija).

Mediji vanjske memorije:

· tvrdi i savitljivi magnetski diskovi

laserski diskovi (CD)

Prije upotrebe diskovi se formatiraju u staze i sektore.

Funkcije perifernih uređaja uključuju unos i izlaz informacija.

Svaki uređaj ima skup karakteristika koje vam omogućuju odabir konfiguracije uređaja koja je najprikladnija za rješavanje određenog niza zadataka pomoću računala.

Funkcije procesora:

· obrada podataka prema zadanom programu (izvođenje aritmetičkih i logičkih operacija nad njima) - ALU funkcija (aritmetičko-logička jedinica);

· programsko upravljanje radom računalnih uređaja je funkcija upravljačke jedinice (upravljačkog uređaja).

Procesor također uključuje registre (procesorsku memoriju) - niz posebnih ćelija za pohranu.

Registri obavljaju dvije funkcije:

· kratkotrajno pohranjivanje broja ili naredbe;

· izvođenje nekih operacija na njima.

Najvažniji registri:

· programski brojač (koristi se za automatsko dohvaćanje programskih naredbi iz uzastopnih memorijskih ćelija; pohranjuje adresu naredbe koja se izvršava);

· registar naredbi i statusa (koristi se za pohranjivanje koda naredbe).

· Naredba je elementarna operacija koju računalo mora izvesti.

Naredba sadrži:

· šifra operacije koja se izvodi

adrese operanda

· adresa na kojoj je objavljen rezultat

Izvršenje naredbe podijeljeno je u sljedeće faze:

· bira se naredba iz memorijske ćelije čija je adresa pohranjena u programskom brojaču (i povećava se sadržaj programskog brojača)

· naredba se prenosi u upravljački uređaj (u registar naredbi)

· upravljački uređaj dekriptira adresno polje naredbe

· prema signalima iz upravljačkog uređaja vrši se izbor operanda iz memorije u ALU (u registre operanda)

· Upravljačka jedinica dešifrira operativni kod i izdaje signal ALU-u za izvođenje operacije

Rezultat operacije ostaje u procesoru ili se vraća u RAM

PC struktura

Razmotrimo klasičnu arhitekturu osobnog računala:

Osobna računala obično se sastoje od sljedećih glavnih modula

monitor

Sistemska jedinica sadrži sve glavne komponente računala:

· matična ploča;

· elektronički sklopovi (procesor, upravljači uređaja itd.);

· jedinica za napajanje;

· diskovni pogoni (uređaji za pohranu).

Struktura Računalo je skup njegovih funkcionalnih elemenata i veza između njih. Elementi mogu biti najrazličitiji uređaji - od glavnih logičkih čvorova računala do najjednostavnijih sklopova. Struktura računala je grafički prikazana u obliku blok dijagrama, uz pomoć kojih možete opisati računalo na bilo kojoj razini detalja.

Arhitektura Računalo se smatra njegovom reprezentacijom na nekoj općoj razini, uključujući opis mogućnosti korisničkog programiranja, sustava naredbi, sustava adresiranja, organizacije memorije itd. Arhitektura određuje principe rada, informacijske veze i međupovezanost glavnih logičkih čvorova Računalo: procesor, memorija s izravnim pristupom (RAM, OP), vanjska pohrana i periferni uređaji. Zajednička arhitektura različitih računala osigurava njihovu kompatibilnost sa stajališta korisnika.

Von Neumannova načela

Arhitektura većine računala temelji se na sljedećim općim principima, koje je 1945. formulirao američki znanstvenik John von Neumann u izvješću o računalu EEUAS:

• princip programske kontrole. Iz toga slijedi da se program sastoji od skupa naredbi koje procesor automatski izvršava jednu za drugom u određenom nizu. Dohvaćanje programa iz memorije vrši se pomoću brojač programa(SchAK). Ovaj registar procesora sekvencijalno povećava adresu sljedeće instrukcije pohranjene u njemu. Ako se nakon izvršenja naredbe ne treba prijeći na sljedeću, već na neku drugu, koriste se naredbe uvjetni ili bezuvjetni prijelazi, koji u brojač naredbi unose broj memorijske ćelije koja sadrži sljedeću naredbu;
• princip homogenosti memorije - programi i podaci pohranjeni su u istoj memoriji. Stoga računalo ne razlikuje što je pohranjeno u određenoj memorijskoj ćeliji - broj, tekst ili naredba. Na naredbama možete izvoditi iste radnje kao i na podacima. Na primjer, program tijekom izvođenja također može biti podvrgnut obradi, što vam omogućuje postavljanje pravila za dobivanje nekih njegovih dijelova u samom programu (ovako je organizirano izvršavanje ciklusa i potprograma u programu);
• princip ciljanja. Strukturno, glavna memorija sastoji se od prenumeriranih stanica; Bilo koja ćelija dostupna je procesoru u bilo kojem trenutku. To podrazumijeva mogućnost imenovanja memorijskih područja tako da se vrijednostima pohranjenim u njima kasnije može pristupiti ili promijeniti tijekom izvođenja programa koristeći dodijeljena imena.

Računala izgrađena na ovim principima su von Neumannova tipa. Postoje i druge klase računala koja se bitno razlikuju od njih - ne-von Neumannova.

Na primjer, asocijativna računala možda neće slijediti princip programske kontrole, budući da svaka instrukcija ovdje sadrži adresu sljedeće (to jest, mogu raditi bez brojač programa označavajući programsku naredbu koja se izvršava).

Nakon više od 60 godina, većina računala još uvijek ima "von Neumannovu arhitekturu", s von Neumannovim principima implementiranim u sljedećem obliku:

• memorija s izravnim pristupom (RAM) organizirana je kao zbirka strojne riječi (MC) fiksne duljine ili bitne dubine(odnosi se na broj binarnih jedinica ili bitova sadržanih u svakom MS-u). Na primjer, rana računala imala su 8 bita, zatim su se pojavila 16-bitna, a zatim 32-bitna i 64-bitna računala. Nekada su postojali i 45-bitni (M-20, M-220), 35-bitni (Minsk-22, Minsk-32) i drugi strojevi;
• OP tvori jedan adresni prostor, MS adrese se povećavaju od niske do visoke;
• OP sadrži i podatke i programe, au podatkovnom području jedna riječ, u pravilu, odgovara jednom broju, au programskom području - jedna naredba (strojna instrukcija - minimalni i nedjeljivi element programa);
• naredbe se izvršavaju u prirodni slijed(uzlaznim redoslijedom adresa u OP-u) dok se ne sastane upravljački tim(uvjetni/bezuvjetni prijelaz, ili grananje), uslijed čega dolazi do prekida prirodnog niza;
• CPU može proizvoljno pristupiti bilo kojoj adresi u OP-u kako bi dohvatio i/ili napisao brojeve ili upute MS-u.

Funkcionalni blokovi (jedinice, uređaji)

Dok su logički elementi i čvorovi uglavnom univerzalni i mogu se koristiti u širokom rasponu kombinacija za rješavanje raznih problema, računalni blokovi (jedinice) su kompleksi elemenata (čvorovi) usmjereni na uzak raspon zadataka (operacija). Jedinice kao što su ALU, procesor, memorijska banka, vanjski uređaji (flat disk, itd.) nužno uključuju (osim mehaničke, optičke, elektromagnetske i druge opreme) logičke elemente i čvorove koji se koriste za pohranjivanje informacija, obradu i kontrolu tih procesa.

Centralni uređaj(CU) predstavlja glavnu komponentu računala i, pak, uključuje CPU - središnju procesorsku jedinicu (CPU) i OP - random access (glavnu) memoriju ili memoriju s izravnim pristupom - RAM (sinonimi - Main Storage, Core Storage, Random Pristupna memorija – RAM).

Procesor izravno provodi operacije obrade informacija i kontrole računalnog procesa, dohvaćanje strojnih naredbi i podataka iz RAM-a, njihovo izvršavanje i bilježenje rezultata u OP, paljenje i gašenje računala. Glavni blokovi procesora su:

• upravljački uređaj (CU) sa sučeljem procesora (sustav za povezivanje i komunikaciju procesora s drugim komponentama stroja);
• aritmetičko-logička jedinica (ALU);
• memorija procesora (interna predmemorija).

RAM je dizajniran za privremenu pohranu podataka i programa tijekom računalnih i logičkih operacija.

Aritmetičko-logička jedinica (ALU). Aritmetičko-logička jedinica (ALU) – dio procesora koji izvodi aritmetičke i logičke operacije nad podacima.

ALU implementira skup jednostavnih operacija. Aritmetička operacija je postupak obrade podataka čiji su argumenti i rezultati brojevi (zbrajanje, oduzimanje, množenje, dijeljenje). Logička operacija je procedura koja izvodi konstrukciju složenog iskaza (operacije i, ili, ne). ALU se sastoji od registara, zbrajača s odgovarajućim logičkim sklopovima i upravljačke jedinice za proces koji se izvršava. Uređaj radi prema kodovima operacija koje su mu dane, a koje se moraju izvršiti na varijablama smještenim u registre.

Vanjski uređaji (ED). Upravljačke jedinice osiguravaju učinkovitu interakciju računala s okolinom - korisnicima, upravljačkim objektima i drugim strojevima.

U specijaliziranim upravljačkim računalima (tehnološki procesi, komunikacije, rakete itd.) vanjski ulazni uređaji su senzori (temperatura, tlak, udaljenost itd.), izlazni uređaji su manipulatori (hidraulički, pneumatski, servo pogoni za upravljače, ventile itd.). .) .

U glavnim računalima (obrada informacija čovjek-stroj), terminali, pisači i drugi uređaji djeluju kao računala.

Sučelja (komunikacijski kanali) služe za povezivanje središnjih komponenti stroja s njegovim vanjskim uređajima.

Isti tip središnje procesorske jedinice i uređaji za pohranu podataka mogu se koristiti u različitim vrstama strojeva. Postoje primjeri kako su tvrtke koje su započele svoju djelatnost proizvodnjom upravljačkih strojeva, poboljšavajući svoje proizvode, prešle na proizvodnju sustava koji, ovisno o konfiguraciji upravljačke jedinice, mogu igrati ulogu i univerzalnih i upravljačkih strojeva ( Hewlett-Packard strojevi - HP i Digital Equipment Corporation - DEC).

Apstraktni središnji uređaj

Nabrojimo osnovne pojmove i razmotrimo strukturu i funkcije apstraktnog središnjeg računalnog uređaja (slika 2.23), čija je aritmetička i logička jedinica (ALU) dizajnirana za obradu cijelih brojeva i nizova bitova.

Naredba, uputa (uputa) - opis operacije koju treba izvesti. Svaku naredbu karakterizira format koji određuje njezinu strukturu. Tipična naredba sadrži:

• šifra operacije (OPC), koja karakterizira vrstu izvršene akcije;
• adresni dio (A4), koji općenito uključuje:
• - brojeve (adrese) indeksnog (IR) i temeljnog (BR) upisnika;
• - adrese operanda - Al, A2, itd.

CPU ciklus - vremensko razdoblje tijekom kojeg se naredba izvornog programa izvršava u strojnom obliku; sastoji se od nekoliko otkucaji

Takt rad procesora - vremenski interval između susjednih impulsa (otkucaj internog sata) generator takta,čija je frekvencija radni takt procesora. Takt procesora (ciklus takta) - vremenski odsječak tijekom kojeg se provodi elementarna operacija - uzorkovanje, usporedba, prijenos podataka.

Bitna dubina

Tim Do+ 1 tim Do

Adresni dio (adresabilnost) /

Osnovni registri (BR1, BR2, ...)

Indeksni registri (IR1, IR2, ...)

Registar rezultata

Registri brojeva (RF1, RF2, ...)

Registar adresa naredbi (RAK, SchAK)

Adresni registri (PA1, PA2, ...)

Registar naredbi (RK)

Guja

Kontrolni uređaj (CU)

Riža. 2.23. Građa najjednostavnijeg središnjeg računalnog uređaja

Izvođenje kratka naredba - aritmetika s FT (fiksna točka - FZ), logička operacija - traje najmanje pet ciklusa takta (vidi također sl. 3.1):

• naredba dohvati (Fetch);
• operacijski kod dekodiranje/dekodiranje (uputa Decode);
• izračun adrese i dohvaćanje podataka iz memorije (generiranje adrese, učitavanje)
• izvršenje operacije (Execute);
• zapis rezultata u memoriju (write Back, store).

Postupak koji odgovara svakom ciklusu takta implementiran je posebnim logičkim sklopom (sklopom) procesora, koji se obično naziva mikroinstrukcija.

Registri - uređaji namijenjeni za privremenu pohranu podataka ograničene veličine (register storage device - RSU). Važna karakteristika registra je velika brzina prijema i ispisa podataka. Registar se sastoji od bitova u koje se može brzo upisati, pohraniti i pročitati riječ, instrukcija, binarni broj itd. Tipično, registar ima istu širinu bita kao strojna riječ.

Registar koji ima mogućnost pomicanja sadržaja svojih bitova naziva se smicanje. U ovim registrima, u jednom taktu, pohranjena riječ se pomače bit-wise za jednu poziciju.

Registri opće namjene - RON, registri glavne memorije ili registarska datoteka - RF (General Purpose Registers) - općeniti naziv za registre koji privremeno sadrže podatke prenesene u memoriju ili primljene iz memorije.

Registar naredbi(RK, Instruction Register - IR) služi za smještaj trenutne instrukcije koja se nalazi u njemu tijekom trenutnog ciklusa procesora.

Adresa naredbe registar (RAK), brojač (SchAK).(programski brojač - PC) - registar koji sadrži adresu trenutne naredbe.

Adresar (broj) - RA(CH) - sadrži adresu jednog od operanda naredbe koja se izvršava (može postojati više registara).

Registar brojeva (RF) sadrži operand naredbe koja se izvršava; također postoji nekoliko ovih registara.

Registar rezultata (RR) namijenjen je za pohranjivanje rezultata izvršenja naredbe.

zbrajalo - registar koji izvodi operacije zbrajanja (logičke i aritmetičke binarne) brojeva ili nizova bitova predstavljenih u naprijed ili nazad kod. Registar koji pohranjuje međupodatke često se naziva baterija.

Na primjer, postoje i drugi registri koji nisu označeni na dijagramu registar stanja - Statusni registar (SR) ili registar zastava. Tipični sadržaj SR-a su informacije o rezultatima izvršenja posebnih naredbi (nula, preljev, dijeljenje s nulom, prijenos itd.). Kontrola koristi informacije iz SR-a za izvođenje uvjetnih skokova (na primjer, "u slučaju prekoračenja, idite na adresu 4170"). U nastavku ćemo detaljnije razgovarati 18086 registara procesora.

Izvršna petlja kratka naredba može izgledati ovako.

• 1. U skladu sa sadržajem SchAK-a (adresa sljedeće naredbe), CU izvlači sljedeću naredbu iz OP-a i smješta je u RC. Upravljačka jedinica neke naredbe obrađuje samostalno, bez sudjelovanja ALU-a (npr. nakon naredbe „idi na adresu 2478“ vrijednost 2478 se odmah unosi u ALU, a procesor nastavlja s izvršavanjem sljedeće naredbe).
• 2. Naredba je dešifrirana (dekodirana).
• 3. Adrese Al, A2 itd. se upisuju u adresne registre.
• 4. Ako naredba specificira IR ili BR, onda se njihov sadržaj koristi za modificiranje RA - zapravo, biraju se brojevi ili naredbe koje su pomaknute u jednom ili drugom smjeru u odnosu na adresu navedenu u naredbi.
• 5. Na temelju RA vrijednosti, brojevi (stringovi) se čitaju i smještaju u RF.
• 6. Izvođenje operacije i stavljanje rezultata u PP.
• 7. Zabilježiti rezultat na jednoj od adresa (ako je potrebno).
• 8. Povećajte sadržaj SchAK-a za jedan (prijeđite na sljedeću naredbu).

Očito, povećanjem broja registara to je moguće paralelizacija, preklapanje operacije. Na primjer, kada se čita naredba, SchAK se može automatski povećati za 1, pripremajući se za dohvaćanje sljedeće naredbe. Nakon dešifriranja trenutne naredbe, RC se otpušta i u njega se može pročitati sljedeća naredba. Kada se operacija izvrši, sljedeća naredba se može dešifrirati, itd. Sve ovo je preduvjet za izgradnju tzv. cjevovodnih struktura. (cjevovod). No, sve je to dobro samo ako se naredbe izvršavaju sekvencijalnim (prirodnim) redoslijedom. Pojava prijelaza (osobito pod uvjetom koji prethodno nije definiran) narušava ovu sliku (konkretno, gore spomenuto povećanje SchAK-a za 1 pokazalo se nevažećim). Stoga moderni procesori pokušavaju predvidjeti prijelaze u programu (predviđanje grana).

Računalne arhitekture

Zvjezdana arhitektura. Ovdje je procesor (CU) (Sl. 2.24, A) spojen izravno na računalo i upravlja njihovim radom (rani modeli strojeva). Ovaj tip se naziva i klasična arhitektura (von Neumann) – jedna aritmetika

CPU

Glavni

PCI-ISA most

PCI utori

Kontrolor

periferija

Univerzalna serijska sabirnica

Sabirnica upravljanja sustavom

Riža. 2.24. Glavne klase računalnih arhitektura: A- centralizirano; b - hijerarhijski; V - glavna linija; G - opća struktura osobnog računala (arhitektura Triton 430 TX - Northbridge/

ko-lošku jedinicu (ALU) kroz koju prolazi tok podataka, te jedan upravljački uređaj (CU) kroz koji prolazi tok naredbi - program. Ovo je jednoprocesorsko računalo.

Arhitektura Princetona i Harvarda. Von Neumannova arhitektura često se povezuje s Princeton arhitekturom, koju karakterizira korištenje zajedničke glavne memorije za pohranu programa i podataka.

Alternativa - harvardska arhitektura (naziv asocira na računalo Mark 1 (1950.) koje je koristilo odvojenu memoriju za instrukcije) karakterizira fizička odvojenost memorije instrukcija (programa) i memorije podataka. Svaka memorija povezana je s procesorom zasebnom sabirnicom, što omogućuje istovremeno čitanje i pisanje podataka dok se izvršava trenutna naredba za dohvaćanje i dekodiranje sljedeće naredbe.

Harvardska arhitektura pojavljuje se u modernim procesorima kada predmemorija CPU-a dodjeljuje memoriju za upute (I-Cache) i podatkovnu memoriju (D-Cache).

Hijerarhijska arhitektura(Sl. 2.24, b) - Upravljački centar povezan je s periferijskim procesorima (pomoćni procesori, kanali, kanalni procesori), koji pak upravljaju kontrolerima na koje se spajaju grupe računala (sustavi IBM 360-375, ES računala);

Struktura okosnice(uobičajeni autobus - unibas, sl. 2.24, V). Procesor (procesori) i memorijske jedinice (RAM) djeluju međusobno i s računalom (kontroleri računala) preko internog kanala zajedničkog za sve uređaje (DEC strojevi, IBM PC-kompatibilna osobna računala). Tjelesno autocesta je višežilni vod s utičnicama za spajanje elektroničkih sklopova. Skup magistralnih vodova podijeljen je u zasebne skupine - adresnu sabirnicu, podatkovnu sabirnicu i kontrolnu sabirnicu.

Ova vrsta arhitekture također uključuje arhitekturu osobnih računala (PC). Naravno, stvarna struktura PC-a (Sl. 2.24, G) razlikuje od teoretskih shema – koristi nekoliko tipova sabirničkih sučelja koja su međusobno povezana mostovima – memorijskim kontrolerima (Northbridge) i perifernim uređajima (Southbridge).

Od sredine 60-ih pristup stvaranju računala značajno se promijenio. Umjesto samostalnog razvoja hardvera i dijela softvera, počeo se dizajnirati sustav koji se sastoji od skupa hardver I softver fondovi. Istodobno je u prvi plan došao koncept njihove interakcije. Tako je nastao temeljno novi koncept - arhitektura računala.

Pod, ispod arhitektura računala shvaća se kao skup općih načela za organizaciju hardvera i softvera i njihovih karakteristika, koji određuju funkcionalnost računala pri rješavanju odgovarajućih klasa problema.

Računalna arhitektura pokriva širok raspon problema povezanih s izgradnjom kompleksa hardvera i softvera i uzimajući u obzir mnoge čimbenike. Među tim čimbenicima najvažniji su: cijena, opseg primjene, funkcionalnost, jednostavnost korištenja, a jedna od glavnih komponenti arhitekture je hardver. Glavne komponente arhitekture računala mogu se prikazati u obliku dijagrama prikazanog na sl. 1.2.

Riža. 1.2. Glavne komponente arhitekture računala

Arhitekturu računalnog postrojenja treba razlikovati od njegove strukture. Struktura računalnog alata određuje njegov specifični sastav na određenoj razini detalja (uređaji, blokovi, čvorovi itd.) i opisuje veze unutar alata u cijelosti. Arhitektura određuje pravila interakcije komponenti računalnog alata, čiji se opis provodi u mjeri potrebnoj za formiranje pravila njihove interakcije. Ne regulira sve veze, ali najvažnije koje moraju biti poznate za kompetentnije korištenje ovog alata.

Dakle, korisniku računala nije bitno na kojim su elementima izrađeni elektronički sklopovi, jesu li naredbe implementirane u sklopove ili softver itd. Bitno je kako su pojedine strukturne značajke računala povezane s mogućnostima koje se korisniku pružaju, što implementirane su alternative pri stvaranju stroja i prema kojim kriterijima su se donosile odluke o tome kako su karakteristike pojedinih uređaja koji čine računalo međusobno povezane, te kakav utjecaj imaju na ukupne karakteristike stroja. Drugim riječima, arhitektura računala stvarno odražava niz problema povezanih s općim dizajnom i konstrukcijom računala i njihovog softvera.

Tek 100 godina kasnije, na temelju novonastalih elektroničkih uređaja, ovu je ideju razvio američki matematičar John von Neumann. Konstrukcija velike većine računala temelji se na sljedećim općim principima koje je formulirao 1945.

Prije svega, računalo mora imati sljedeće uređaje:

Aritmetičko-logičko uređaj, izvođenje aritmetičkih i logičkih operacija;

Kontrolni uređaj , koji organizira proces izvođenja programa;

Memorijski uređaj , ili memorija za pohranjivanje programa i podataka;

Vanjski uređaji za unos/izlaz informacija.

Rad računala temelji se na sljedećim principima:

Princip binarnog kodiranja . Prema ovom principu, sve informacije koje ulaze u računalo kodiraju se pomoću binarnih signala.

Princip kontrole programa . Iz toga slijedi da se program sastoji od skupa naredbi koje procesor automatski izvršava jednu za drugom u određenom nizu.

Načelo homogenosti memorije . Programi i podaci pohranjeni su u istoj memoriji. Stoga računalo ne razlikuje što je pohranjeno u određenoj memorijskoj ćeliji - broj, tekst ili naredba. Na naredbama možete izvoditi iste radnje kao i na podacima.

Princip ciljanja . Strukturno, glavna memorija sastoji se od numeriranih ćelija; Bilo koja ćelija dostupna je procesoru u bilo kojem trenutku.

Strojevi izgrađeni na ovim principima nazivaju se Von Neumann strojevi.

Vrste arhitekture računala (otvorena, zatvorena, Harvard).

Računalna arhitektura je konceptualna struktura računala koja određuje obradu informacija i uključuje metode za pretvaranje informacija u podatke i principe za interakciju hardvera i softvera

Zatvorene arhitekture

Računalo izrađeno prema ovoj arhitekturi nema mogućnost spajanja dodatnih uređaja koje nije dao programer.

Uvećani dijagram takve arhitekture računala prikazan je na sl. 1. RAM pohranjuje naredbe i podatke izvršnih programa. Kanal omogućuje spajanje određenog broja vanjskih uređaja. Upravljački uređaj osigurava izvršavanje programskih naredbi i upravlja svim čvorovima sustava.

Riža. 1. Zatvorena arhitektura računala

Računala ove arhitekture učinkovita su u rješavanju čisto računalnih problema. Nisu prikladni za implementaciju računalnih tehnologija koje zahtijevaju povezivanje dodatnih vanjskih uređaja i brzu razmjenu informacija s njima.

Računalni sustavi otvorene arhitekture

Ovakva arhitektura omogućuje slobodno povezivanje bilo kojih perifernih uređaja, što osigurava slobodno povezivanje bilo kojeg broja senzora i aktuatora s računalom. Uređaji su spojeni na sabirnicu u skladu sa standardom sabirnice. Arhitektura računala otvorenog tipa, koja se temelji na korištenju zajedničke sabirnice, prikazana je na sl. 2.

Riža. 2. Otvorena arhitektura računala

Cjelokupnu kontrolu cijelog sustava provodi središnji procesor. Upravlja zajedničkom sabirnicom, dodjeljujući vrijeme drugim uređajima za razmjenu informacija. Uređaj za pohranu pohranjuje izvršne programe i podatke i usklađuje svoje razine signala s razinama signala same sabirnice. Vanjski uređaji čija se razina signala razlikuje od razine signala sabirnice na nju se spajaju preko posebnog uređaja – kontrolera. Kontroler povezuje signale uređaja sa signalima sabirnice i upravlja uređajem na temelju naredbi primljenih od središnjeg procesora. Procesor ima posebne kontrolne linije, signal na kojima određuje pristupa li procesor memorijskoj ćeliji ili I/O priključku na kontroleru vanjskog uređaja.

Unatoč prednostima koje pruža uobičajena arhitektura sabirnice, ona također ima ozbiljan nedostatak, koji je postajao sve očitiji kako su se povećavale performanse vanjskih uređaja i protok razmjene informacija među njima. Uređaji s različitim volumenima i tečajevima povezani su na zajedničku sabirnicu, pa su "spori" uređaji odgodili rad "brzih". Daljnje povećanje performansi računala pronađeno je uvođenjem dodatne lokalne sabirnice na koju su bili spojeni “brzi” uređaji. Arhitektura računala s općim i lokalnim sabirnicama prikazana je na sl. 3.

Riža. 3. Arhitektura računala sa zajedničkom i lokalnom sabirnicom

Kontroler sabirnice analizira adrese portova koje prenosi procesor i prosljeđuje ih kontroleru spojenom na javnu ili lokalnu sabirnicu.

Strukturno, kontroler svakog uređaja smješten je na zajedničkoj ploči sa središnjim procesorom i uređajem za pohranu podataka ili, ako uređaj nije standardno uključen u računalo, na posebnoj ploči umetnutoj u posebne konektore na zajedničkoj ploči - utore za proširenje. Daljnji razvoj mikroelektronike omogućio je da se u jedan VLSI čip smjesti više funkcionalnih komponenti računala i kontrolera standardnih uređaja. Time je smanjen broj čipova na zajedničkoj ploči i omogućeno uvođenje dvije dodatne lokalne sabirnice za povezivanje uređaja za pohranu podataka i uređaja za prikaz koji imaju najveći obujam razmjene sa središnjim procesorom i međusobno.

Središnji kontroler ima ulogu prekidača koji distribuira protok informacija između procesora, memorije, uređaja za prikaz i drugih računalnih čvorova.

Funkcionalni kontroler je VLSI koji sadrži kontrolere za spajanje standardnih vanjskih uređaja kao što su tipkovnica, miš, pisač, modem itd. Ovaj kontroler često uključuje uređaj kao što je audio kartica, koja vam omogućuje dobivanje visokokvalitetnog zvuka na vanjskim zvučnicima kada slušate glazbu i govorne datoteke.

Harvardska arhitektura

Harvardsku arhitekturu razvio je Howard Aiken kasnih 1930-ih na Sveučilištu Harvard s ciljem povećanja brzine računalnih operacija i optimizacije performansi memorije.

Tipične operacije (zbrajanje i množenje) zahtijevaju od bilo kojeg računalnog uređaja da izvrši nekoliko radnji: dohvati dva operanda, odabere instrukciju i izvrši je te na kraju pohrani rezultat. Odgovarajuća shema za implementaciju pristupa memoriji ima jedan očiti nedostatak - visoku cijenu. Prilikom odvajanja kanala za adresu i prijenos podataka na procesorskom čipu, potonji mora imati dvostruko više pinova. Način rješavanja ovog problema bila je ideja korištenja zajedničke podatkovne sabirnice i adresne sabirnice za sve vanjske podatke, te korištenje podatkovne sabirnice, naredbene sabirnice i dvije adresne sabirnice unutar procesora. Ovaj koncept je nazvan modificirana harvardska arhitektura.

Često je potrebno odabrati tri komponente - dva operanda i instrukciju (u algoritmima digitalne obrade signala to je najčešći zadatak u FFT i FIR, IIR filterima). Tome služi predmemorija. U njemu se može pohraniti instrukcija - obje sabirnice ostaju slobodne, a postaje moguće slati dva operanda istovremeno. Korištenje predmemorije zajedno s podijeljenim sabirnicama naziva se "Super Harvardska arhitektura" ("SHARC") - proširena harvardska arhitektura.

Primjer su procesori Analog Devices: ADSP-21xx - modificirana Harvardska arhitektura, ADSP-21xxx(SHARC) - proširena Harvardska arhitektura.

Kada se razmatraju računalni uređaji, uobičajeno je razlikovati njihovu arhitekturu i strukturu. Arhitektura računalo je njegov opis na nekoj općoj razini, uključujući opis mogućnosti korisničkog programiranja, sustava naredbi, sustava adresiranja, organizacije memorije itd. Arhitektura određuje principe rada, informacijske veze i međusobno povezivanje glavnih logičkih čvorova računala: procesora, RAM-a, vanjske memorije i perifernih uređaja. Zajednička arhitektura različitih računala osigurava njihovu kompatibilnost sa stajališta korisnika. Struktura Računalo je skup njegovih funkcionalnih elemenata i veza između njih. Elementi mogu biti najrazličitiji uređaji - od glavnih logičkih čvorova računala do najjednostavnijih sklopova. Struktura računala je grafički prikazana u obliku blok dijagrama, uz pomoć kojih možete opisati računalo na bilo kojoj razini detalja. Najčešća arhitektonska rješenja su:

1. Klasična arhitektura (von Neumannova arhitektura) - jedna aritmetičko-logička jedinica (ALU), kroz koju prolazi tok podataka, i jedan upravljački uređaj (CU), kroz koji prolazi tok naredbi. Ovo je jednoprocesorsko računalo. U ovu vrstu arhitekture spada i arhitektura osobnog računala sa zajedničkom sabirnicom. Svi funkcionalni blokovi ovdje su međusobno povezani zajedničkom sabirnicom, koja se naziva i sistemska sabirnica. Skup magistralnih žica podijeljen je u zasebne skupine: adresna sabirnica, podatkovna sabirnica i kontrolna sabirnica. Periferni uređaji povezani su s hardverom računala preko posebnih kontrolera - upravljačkog uređaja koji povezuje perifernu opremu ili komunikacijske kanale sa središnjim procesorom, oslobađajući procesor od izravne kontrole rada ove opreme.

Zajednički autobus

2. Višeprocesorska arhitektura. Prisutnost nekoliko procesora u računalu znači da se mnogi tokovi podataka i mnogi tokovi naredbi mogu organizirati paralelno ( Nekoliko fragmenata jednog zadatka može se obrađivati ​​paralelno). Struktura takvog stroja ima zajednički RAM i nekoliko procesora. Ova se arhitektura koristi za rješavanje problema s velikom količinom računanja.

3. Višestrojni računalni sustav. Ovdje nekoliko procesora uključenih u računalni sustav nema zajednički RAM, već svaki ima svoj ( lokalni). Pojedinačno računalo u sustavu s više strojeva ima klasičnu arhitekturu i takav se sustav prilično široko koristi. Međutim, učinak korištenja takvog računalnog sustava može se postići samo rješavanjem problema koji imaju posebnu strukturu: mora se podijeliti na onoliko labavo povezanih podzadataka koliko računala ima u sustavu.

Moderni automobili često sadrže elemente raznih vrsta arhitektonskih rješenja. Postoje i arhitektonska rješenja koja se radikalno razlikuju od razmatranih.

VM klasifikacija

Raznolikost svojstava i karakteristika dovodi do različitih vrsta klasifikacija računala. Dijele se: po stupnjevima razvoja, po principu rada, po namjeni, po performansama i funkcionalnosti, po uvjetima rada, po broju procesora itd. Ne postoje jasne granice između klasa računala. Kako se strukture i tehnologije proizvodnje poboljšavaju, pojavljuju se nove klase računala ( a granice postojećih razreda značajno se mijenjaju).

1. Prema principu rada Računala se dijele u tri velike klase: analogna (AVM), digitalna (DVM) i hibridna (GVM). AVM su kontinuirani računalni strojevi koji rade s informacijama prikazanim u kontinuiranom ( analog) obliku, tj. u obliku kontinuiranog niza vrijednosti bilo koje fizičke veličine ( mehanički udar, kretanje, električni napon itd.). Digitalna računala su diskretna računala koja rade s informacijama prikazanim u diskretnom, odnosno digitalnom obliku. GVM su računala kombiniranog djelovanja koja rade s informacijama prikazanim u digitalnom i analognom obliku ( kombiniraju prednosti AVM i TsVM). Koriste se u upravljanju složenim tehničkim sustavima.

2. Po namjeni računala se dijele u tri skupine: univerzalna ( Opća namjena), problemski orijentiran i specijaliziran.

Univerzalna računala dizajnirana su za rješavanje različitih problema: ekonomskih, matematičkih, informacijskih i drugih, a karakterizira ih složenost algoritama i velika količina obrađenih podataka.

Karakteristične karakteristike univerzalnih strojeva su:

· visoke performanse;

· raznolikost oblika obrađenih podataka: binarni, decimalni, simbolički, s velikim rasponom njihovih promjena i visokom točnošću njihova prikaza;

· širok raspon operacija koje se izvode, kako aritmetičkih, logičkih, tako i posebnih;

· veliki kapacitet RAM-a;

· razvijena organizacija informacijskog ulazno-izlaznog sustava.

Problemski orijentirana računala koriste se za rješavanje užeg spektra problema povezanih, u pravilu, s upravljanjem tehnološkim objektima; registriranje, prikupljanje i obrada relativno malih količina podataka; izvođenje proračuna korištenjem relativno jednostavnih algoritama. Imaju ograničene hardverske i softverske resurse u usporedbi s univerzalnim strojevima. Problemski orijentirana računala uključuju, posebice, sve vrste upravljačkih računalnih sustava (ACSTP, CAD).

Specijalizirana računala koriste se za rješavanje uskog spektra problema ili implementaciju strogo definirane skupine funkcija. Takva uska orijentacija omogućuje im jasnu specijalizaciju strukture, značajno smanjenje njihove složenosti i troškova uz zadržavanje visoke produktivnosti i pouzdanosti njihovog rada. U specijalizirane strojeve ubrajaju se, na primjer, programabilni mikroprocesori posebne namjene koji obavljaju logičke upravljačke funkcije pojedinih jednostavnih tehničkih uređaja, jedinica i procesa.

3. Po veličini i funkcionalnosti računala se mogu podijeliti na ultra velika ( superračunalo) – višeprocesorski i (ili) višestrojni kompleksi koji se koriste za rješavanje složenih i velikih znanstvenih problema - u upravljanju, inteligenciji, kao centralizirana spremišta informacija itd. veliki ( glavna računala) - dizajniran za rješavanje široke klase znanstvenih i tehničkih problema. mali ( konstruktivno izrađen u jednom stalku). Ultra mali ( mikroračunalo).

Imajte na umu da se ponekad klasifikacija provodi prema drugim kriterijima: na primjer, bazi elemenata, dizajnu itd.

Svojstva računala bilo koje vrste procjenjuje se korištenjem njihovih tehničkih i ekonomskih karakteristika, od kojih su glavne: operativni resursi ( karakteriziran brojem provedenih operacija, oblicima prikaza podataka, kao i metodama adresiranja), kapacitet memorije ( određen ukupnim brojem memorijskih ćelija za pohranu informacija), izvođenje( određuje se brojem kratkih operacija kao što je zbrajanje izvedenih u 1 sekundi), pouzdanost ( prosječno vrijeme rada između dva kvara), cijena( to su ukupni troškovi nabave hardvera i osnovnog računalnog softvera te operativni troškovi).