"Архитектура вычислительной системы. Функциональные подсистемы. Классификация компьютеров"

Вычислительная техника – это совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных в информацию.

Вычислительная система - это конкретный набор связанных между собою устройств. Центральным устройством большинства вычислительных систем является электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер.

Компьютер - это устройство, состоящее из электронных и электромеханических компонент, которое выполняет операции ввода, хранения и обработки данных по определенной программе с целью получения информации, вывод которой осуществляется в форме, пригодной для восприятия человеком.

Архитектура компьютера. Под архитектурой ЭВМ надо понимать ту совокупность характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними и программное управление.

Общие принципы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

• структура памяти ЭВМ;

• способы доступа к памяти и внешним устройствам;

• возможность изменения конфигурации;

• система команд;

• форматы данных;

• организация интерфейса.

Исходя из этого, можно дать определение, что Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.

Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в работе Дж. фон Неймана, Г.Голдстейга и А. Беркса в 1946 году и известны как " принципы фон Неймана". Эти принципы декларируют следующие положения архитектуры:

• И спользование двоичной системы представления данных. Преимущества двоичной системы для технической реализации дало удобство и простоту выполнения арифметических и логических операций. ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие. Двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

• П ринцип хранимой программы. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений. Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру (см рис.1), которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.

• Принцип последовательного выполнения операций. Структурно память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к сохраненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

• Принцип произвольного доступа к ячейкам оперативной 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.

Рис 3. Устройство управления (УУ). Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы, включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Современная архитектура компьютера. Реальная структура компьютера значительно сложнее, чем рассмотренная выше схема (Рис. 3). В современных компьютерах, в частности микрокомпьютерах (персональных), все чаще происходит отход от традиционной архитектуры фон Неймана, обусловленный стремлением разработчиков и пользователей к повышению качества и производительности компьютеров Рис. 4.

Качество ЭВМ характеризуется многими показателями. Это и набор команд, которые компьютер способный понимать и выполнять, скорость работы (быстродействие) центрального процессора, количество периферийных устройств, присоединяемых к компьютеру одновременно и многое другое. При этом главным показателем, характеризующим компьютер (ЭВМ) является его быстродействие.

Быстродействие – это количество операций, которое процессор способен выполнить за единицу времени. На практике, пользователя больше интересует производительность компьютера - показатель его эффективного быстродействия, то есть способности не просто быстро функционировать, а быстро решать конкретно поставленные задачи.

Как результат, все эти и прочие факторы способствуют принципиальному и конструктивному усовершенствованию элементной базы компьютеров, то есть созданию новых, более быстрых, надежных и удобных в работе процессоров, запоминающих устройств, устройств ввода-вывода и т.д. Тем не менее, следует учитывать, что скорость работы элементов невозможно увеличивать беспредельно (существуют современные технологические ограничения и ограничения, обусловленные физическими законами). Поэтому разработчики компьютерной техники ищут решения этой проблемы усовершенствованием архитектуры ЭВМ.

Так появились компьютеры с многопроцессорной (или мультипроцессорной) архитектурой, в которой несколько процессоров работают одновременно, а это означает, что производительность такого компьютера равняется сумме производительностей процессоров.

В мощных компьютерах, предназначенных для сложных инженерных расчетов и систем автоматизированного проектирования (САПР), часто устанавливают два или четыре процессора. В сверхмощных ЭВМ (такие машины могут, например, моделировать ядерные реакции в режиме реального времени, прогнозировать погоду в глобальном масштабе, моделировать полномасштабные сцены для кинематографа и мультипликации) количество процессоров достигает нескольких десятков.

Рис. 4. Общая структура современного микрокомпьютера

Все основные архитектурные блоки состоят из отдельных меньших устройств, которые выполняют строго определенные функции.

В частности, в центральный процессор входит арифметико-логическое устройство (АЛУ), внутреннее запоминающее устройство в виде регистров процессора и внутренней кэш-памяти, управляющее устройство (УУ).

Устройство ввода, как правило, тоже не является одной конструктивной единицей. Поскольку виды входной информации разнообразны, источников ввода данных может быть несколько. То же касается и устройств вывода.

Процессор – это центральный вычислительный блок в ЭВМ любого типа. Он осуществляет вычисления по хранящейся в оперативной памяти программе и обеспечивает общее управление компьютером.

Процессор, как минимум, содержит:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения арифметических и логических операций;

• Устройство управления (УУ), предназначенное для выполнения общего управления вычислительным процессом по программе и координации всех устройств ЭВМ. УУ в определенной последовательности выбирает из оперативной памяти команду за командой. Затем каждая команда декодируется, по потребности элементы данных из указанных в команде ячеек оперативной памяти передаются в АЛУ. АЛУ настраивается на выполнение действия, указанного текущей командой (в этом действии могут принимать участие также устройства ввода-вывода); дается команда на выполнение этого действия. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не возникнет одна из следующих ситуаций: исчерпаны входные данные, от одного из устройств поступила команда на прекращение работы, выключено питание компьютера.

Запоминающее устройство (ЗУ) - это архитектурный блок ЭВМ, предназначенный для временного (оперативная память) и продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных результатов на устройствах внешнего запоминающего устройства (ВЗУ).

Оперативная память (ОЗУ) – служит для приема, хранения и выдачи информации. В ней содержатся программы и данные, доступные для использования микропроцессором, а также промежуточные и окончательные результаты вычислений. Процесс выполнения программы сводится к преобразованию исходного состояния памяти в заключительное (конечное). ОЗУ является энергозависимым устройством, что означает потерю информации при отключении электропитания. Скорость работы компьютера существенным образом зависит от быстродействия оперативной памяти. Поэтому постоянно ведутся поиски элементов для оперативной памяти, затрачивающих меньше времени на операции чтения-записи. Проблема решается построением многоуровневой памяти.

Оперативная память состоит из двух-трех частей: основная часть большей емкости строится на относительно медленных (более дешевых) элементах, а дополнительная (так называемая кэш-память) состоит из быстродействующих элементов. Данные, к которым чаще всего обращается процессор, находятся в кэш-памяти, а больший объем оперативной информации хранится в основной памяти.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Энергонезависимое устройство, предназначенное для долговременного хранения служебной и первичной информации. Представлено в виде микросхем, расположенных на материнской (системной) плате.

Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ). Энергонезависимые устройства, обеспечивающие надежное хранение и выдачу информации. В них хранятся часто используемые программы и данные (см. устройства хранения). Однако скорость обмена данными между постоянной памятью и центральным процессором, в подавляющем большинстве случаев, значительно меньше, чем у оперативной памяти.

Устройства ввода (УВВ) и вывода (УВ), относятся к категории периферийных устройств. Раньше работой устройств ввода-вывода руководил центральный процессор, что занимало немало времени. Архитектура современных ЭВМ предусматривает наличие каналов прямого доступа к оперативной памяти для обмена данными с устройствами ввода-вывода без участия центрального процессора, а также передачу большинства функций управления периферийными устройствами специализированным процессорам, разгружающим центральный процессор и повышающим его производительность.

Система прерываний. Прерыванием называется ситуация, требующая каких-либо действий микропроцессора при возникновении определенного события. Под системой прерываний понимают программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий выполнение и обработку прерываний.

Процессор должен оперативно реагировать на различные события, происходящие в компьютере в результате действий оператора или без его ведома. В качестве примеров такого рода можно привести нажатие клавиш на клавиатуре, попытка деления на ноль (в ходе выполнения программы), сбой питания (иные сбои в работе оборудования), запланированные обращения к ядру операционной системы и другое. Необходимую реакцию на прерывания обеспечивает система прерывания.

Обработка прерываний сводится к приостановке исполнения текущей последовательности команд, вместо которой начинает интерпретироваться другая последовательность, соответствующая данному типу прерывания и называемая обработчиком прерывания. После ее реализации, исполнение программы может быть продолжено, если это возможно или целесообразно, что зависит от типа прерывания.

Система портов ввода-вывода обеспечивает непосредственное подключение адаптера периферийного устройства к системной шине, то есть, по сути, является точкой такого подключения периферийного устройства к компьютерной системе. Каждый порт ввода-вывода имеет свой адрес, при этом периферийному устройству может быть присвоено несколько портов ввода-вывода. Совокупность портов ввода-вывода образуют систему портов ввода-вывода. Упрощенно порт ввода-вывода можно считать регистром, в который записывается информация для передачи ее в периферийное устройство или с которого считывается информация, полученная из периферийного устройства.

С точки зрения пользователя, порт – это интерфейс (разъем) для подключения устройства (клавиатуры, мышки, дисплея, принтера, наушников и т.д.) к компьютеру. Обычно порты ввода-вывода располагаются на задней панели корпуса системного модуля, часть из них может выноситься и на переднюю панель.

Адаптер, контроллер. Понятие «адаптер периферийного устройства» можно считать синонимом термина «контроллер», однако последний чаще употребляется для устройства реализующих более сложные функции по управлению периферийными устройствами (Рис. 5).

Развитые контроллеры периферийных устройств включают в свой состав специализированные микропроцессоры и память. Это же относится и к периферийным устройствам со сложными алгоритмами работы, требующими наличия совершенных блоков управления. С точки зрения пользователя, (адаптер или контроллер) представляет собой плату с набором микросхем и портов ввода-вывода, в его задачу входит управление подключенным к нему устройством. Это может быть дисплей, принтер, аудио устройства и др.

Рис. 5. Видео контроллер. Управляет выводом изображения на дисплей

Адаптер интерфейса – это средство сопряжения центральной части ЭВМ с периферийными устройствами, в которых все физические и логические параметры отвечают заранее определенным параметрам (определенному протоколу) и широко используются в других устройствах.

Рис. 6. Адаптер интерфейса

Современная архитектура компьютерной системы. Сохранив принципы построения архитектуры ЭВМ по Нейману, современная архитектура обогатилась дополнительными принципами и сегодня архитектура ЭВМ определяют следующие принципы:

• Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).

• Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

• Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

• Принцип разделения функций. Процессор управляет всеми операциями на высшем уровне, в то время как конкретную интерпретацию его общих команд для отдельных устройств реализуют специальные управляющие устройства – контроллеры. Процессор может обрабатывать информацию только в том случае, если она уже подверглась первичной обработке. Эту функцию берут на себя контроллеры устройства ввода. Они приводят входные данные к единому стандарту. Затем данные пересылаются в оперативную память, где они раскладываются по ячейкам и снабжаются ссылками (адресами), необходимыми для их использования. Вывод информации происходит также при посредничестве управляющих устройств вывода, которые вновь производят переформатированные данные в нужный стандарт. В принципе, все устройства компьютера имеют свои контроллеры (накопители, монитор, принтер, плоттер, стример и др.) Исходя из этого, можно сформулировать один из важных принципов работы ЭВМ.

Функциональные подсистемы. В процессе своей работы ЭВМ осуществляет:

• Ввод информации извне;

• Временное хранение;

• Преобразование;

• Вывод в виде, доступном для восприятия ее человеком.

Процесс получения данных компьютером называется кратко «ввод», а выдача ее пользователю – «вывод». Эти процессы настолько важны, что для их реализации предложено большое количество разнообразных устройств. Кроме того, нельзя забывать, что «ввод» и «вывод» - это две стороны одного процесса обмена информации, причем без одной из них не бывает другой. Поэтому, когда говорят не о преобразовании данных, а об их передаче компьютеру для вычислений и получения итоговых результатов применяют термин «ввод-вывод».