Базовые представления об архитектуре ЭВМ

Внимательно прочтите лекционный материал и составьте конспект по следующему плану:

1.      Принципы построения ЭВМ, сформулированные Джоном фон Нейманом

2.      Проведите сравнительную характеристику принстонской и гарвардской архитектур (привести рисунки, указать достоинства и недостатки, сферу рационального применения)

3.      Охарактеризуйте    простейшие типы архитектур

4.      Опишите магистрально-модульный принцип организации ЭВМ

Тема: Базовые представления об архитектуре ЭВМ.

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 устройств компьютера: 

•      процессора, 

•      основной памяти (ОП), 

•      внешних запоминающих устройств (ВЗУ) 

•      и периферийных устройств (ПУ).  

Принципы (архитектура) фон Неймана.

В основу построения большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1.                  Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2.                  Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

Выборка команд программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот узел процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов (ветвления), которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд программы из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

3.                  Принцип однородности памяти. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей. Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции —перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

4.                  Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5.                  Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора).

Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Здесь, например, может не выполняться принцип программного управления, т. е. они могут работать без счетчика (регистра адреса) команд, указывающего на выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими. 

Как работает машина фон Неймана

Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) - ЗУ, арифметикологического устройства - АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода.

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.

Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.

Альтернативой для фон-Неймановской архитектуры является т.н. Гарвардская архитектура ЭВМ (была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти). Она имеет два непересекающихся адресных пространства: для программы и для данных, причём программу нельзя разместить в свободной области памяти данных и наоборот. Гарвардская архитектура применяется главным образом в управляющих ЭВМ.

Архитектура фон Неймана имеет ряд важных достоинств.

•              Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных и реализации стека в зависимости от решаемых задач. Таким образом, обеспечивается возможность более эффективного использования имеющегося объема оперативной памяти в каждом конкретном случае применения.

•              Использование общей шины для передачи команд и данных значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность.

Поэтому Принстонская архитектура в течение долгого времени доминировала в вычислительной технике.

Однако ей присущи и существенные недостатки. Основным из них является необходимость последовательной выборки команд и обрабатываемых данных по общей системной шине. При этом общая шина становится «узким местом» (bottleneck – «бутылочное горло»), которое ограничивает производительность цифровой системы.

Недостатки Гарвардской архитектуры связаны с необходимостью проведения большего числа шин, а также с фиксированным объемом памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требованиями решаемой задачи. Поэтому приходится использовать память большего объема, коэффициент использования которой при решении разнообразных задач оказывается более низким, чем в системах с Принстонской архитектурой. 

Однако развитие микроэлектронной технологии позволило в значительной степени преодолеть указанные недостатки, поэтому Гарвардская архитектура широко применяется во внутренней структуре современных высокопроизводительных  микропроцессоров, где используется отдельная кэш-память для хранения команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессорных систем реализуются принципы Принстонской архитектуры.

Если абстрагироваться от подробностей, то основные классические типы архитектур можно определить как следующие: «звезда», иерархическая, магистральная 

Архитектура «звезда». Здесь ЦУ (рис. а) соединено непосредственно с ВУ и управляет их работой (ранние модели машин).

Классическая архитектура (фон Неймана) - одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер.

Вычислительная машина включает пять базовых компонент и состоит из следующих типов устройств:

центральный процессор (ЦП), включающий АЛУ и УУ;

запоминающие устройства — память, в том числе оперативная (ОП) и внешние ЗУ; устройства ввода и устройства вывода информации — внешние (периферийные) устройства (ВУ).

Иерархическая архитектура  — ЦУ соединено с периферийными процессорами (вспомогательными процессорами, каналами и пр.), управляющими в свою очередь контроллерами, к которым подключены группы ВУ (системы IBM 360—375);

При иерархической архитектуре (3-е поколение) ЦУ соединено с каналами ввода/вывода (КВВ) (периферийными процессорами), которые управляют контроллерами, к которым подключены различные внешние устройства. Такую архитектуру имеют ЭВМ системы IBM 360/370 и ЕС ЭВМ.

Структурная схема ЭВМ 3-го поколения (иерархическая архитектура)

Магистральная структура (общая шина - unibas) — процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимодействуют между собой и с ВУ (контроллерами ВУ) через внутренний канал, общий для всех устройств (машины DEC, ПЭВМ IBM PC-совместимые).

К этому типу архитектуры относится также архитектура персонального компьютера:

функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Структурная схема ПК (магистральная архитектура)

Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ.

Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе.

Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина - это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.

Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули, - шине данных, шине адресов и шине управления.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает - это функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.

Разрядность шины данных задается разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.

Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: 

•     запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств,  

•     чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ - код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т. е. эта шина является однонаправленной.

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса. Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют контроллеры.