 |
Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ
|
|
|
|
Основные принципы устройства ЭВМ были предложены коллективом авторов под руководством Фон Неймана в 1946 году. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином Машина фон Неймана, однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно.
Эти принципы можно сформулировать следующим образом:
- Основными блоками ЭВМ являются устройства обработки информации, устройство управления, запоминающее устройство и устройства ввода и вывода.
- Программы и данные хранятся в одной и той же памяти.
- Устройство управления и устройство обработки информации определяют действия, подлежащие выполнению, путём считывания команд из памяти.
- Внутренний код машины двоичен.
В соответствии с ними в любой ЭВМ должны иметься четыре основных функциональных части. Взаимодействие между ними можно упрощенно изобразить в виде схемы:
 |
На схеме двойные стрелки соответствуют движению данных (информация в ЭВМ называется данными). Человек вводит данные в компьютер через устройства ввода-вывода, эти данные могут храниться в устройствах хранения информации и обрабатываться в устройствах обработки информации. Полученные результаты также могут запоминаться в устройствах хранения информации и выдаваться человеку с помощью устройств ввода-вывода. Управляющие устройства управляют всем этим процессом, что изображено на схеме одинарными стрелками.
Так, в общих чертах, работают все ЭВМ, начиная с простейших калькуляторов и кончая суперкомпьютерами.
В современных компьютерах устройство обработки информации (арифметико-логическое устройство – АЛУ) и устройство управления (УУ) конструктивно объединяются в блок, называемый процессором. Устройства хранения информации разделяют на оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешнее запоминающее устройство (ВЗУ).
|
|
|
Блок-схема компьютера фон-неймановской архитектуры имеет следующий вид:
 |
Исходные данные и команды программы решения задачи вводятся с клавиатуры и записываются в ОЗУ. Команды программы по очереди считываются в процессор и выполняются им. Результаты записываются в ОЗУ. Они могут быть также выведены через устройства вывода (экран монитора, принтер и т. д.). Для переноса информации на другой компьютер и для повторного использования программы без её ввода с клавиатуры программу можно сохранить на ВЗУ. Процессор, ОЗУ и ВЗУ конструктивно входят в состав системного блока компьютера и их принято называть центральными. Устройства ввода и вывода принято называть периферийными устройствами.
Архитектура ЭВМ может быть закрытого типа или открытого. Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Такая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логических элементов которых построена на электронных лампах и транзисторах. Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры сопряжено с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и увеличением стоимости всей системы. Поэтому компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.
Компьютеры закрытой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Схема такой архитектуры приведена ниже. Здесь устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы. Канал ввода и вывода допускает подключение только определенного числа внешних устройств. АЛУ обеспечивает не только числовую обработку информации, но и участвует в процессе ввода и вывода.
|
|
|
 |
Архитектура компьютера закрытого типа
Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода/вывода. Для решения этой проблемы центральный процессор стали освобождать от функций обмена, передавая эти функции специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия, последнее время все чаще используется термин контроллер внешнего устройства. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена, причем без участия центрального процессора.
В начале 1970-х годов фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер новой архитектуры. Она позволяла свободно подключать любые периферийные устройства. Такую архитектуру называют открытой. Главным нововведением являлось то, что для связи между отдельными функциональными уздами ЭВМ использовалась общая шина. Шиной называется основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Чаще всего шина состоит из трех частей:
- шина данных, по которой передается информация;
- шина адреса, определяющая, куда передаются данные;
- шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.
Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство — контроллер, которое согласовывает сигналы устройств с сигналами шины и управляет устройствами по командам центрального процессора. Контроллер подключается к шине специальным устройством — портом ввода/вывода. Каждый порт имеет свой номер, по которому происходит обращение.
|
|
|
Недостатком этой архитектуры является задержка работы "быстрых" устройств "медленными", т. к. к шине подключены устройства с разными объёмами и скоростями обмена информацией. Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались только "быстрые" устройства. Потребовалось еще одно дополнительное устройство — контроллер шины, который анализирует адреса портов и передаёт их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.
 |
Шина
Архитектура компьютера открытого типа (шинная архитектура)
Для получения более высокого быстродействия на существующей элементной базе используются архитектуры, в которых процесс обработки информации распараллеливается. Существуют три основных подхода к построению архитектур таких компьютеров:
· многопроцессорные;
· магистральные;
· матричные.
Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется по схеме с общей шиной. Два или более процессоров и несколько модулей памяти размещаются на общей шине. Каждый процессор для обмена с памятью проверяет, свободна ли шина, и если она свободна, занимает её. Если же шина занята, то процессор ждёт, когда она освободится. Производительность такой системы ограничена пропускной способностью шины.
Магистральный принцип является самым распространенным при построении ЭВМ. Процессор такой системы разделен на ряд устройств, выполняющих арифметические и логические операции, и быструю регистровую память для хранения обрабатываемых данных. Таким образом, создаётся своеобразный конвейер преобразования данных: регистры — обрабатывающие устройства— регистры— и т.д. Конечные результаты вычислений записываются в общее запоминающее устройство.
Наиболее сложную архитектуру имеют матричные вычислительные системы. В них используется несколько процессоров, объединённых в матрицу процессорных элементов. Каждый процессор снабжен локальной памятью и при необходимости может производить обмен со своими соседями или с общим запоминающим устройством. В первом случае программы и данные нескольких задач или независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессоров и выполняются параллельно. Во втором случае процессоры одновременно выполняют одну и ту же команду, но над разными данными. Обмен данными с периферийными устройствами выполняется через периферийный процессор, подключенный к общему запоминающему устройству.
|
|
|
|
|
|
