Поняття архітектури і структурної організації комп’ютера
Архітектура комп’ютерної системи – це абстрактне представлення або визначення фізичної системи (мікропрограми та комплексу програмних засобів) з точки зору програміста (який користується мовою програмування машинного рівня) або розробника компілятора. Вона визначає принципи організації обчислювальної системи і функції процесора та не розглядає такі проблеми, як керування і передача даних всередині процесора, конструктивні особливості логічних схем і специфіка технології їх виробництва. Поняття архітектура комп’ютера відноситься до тих характеристик системи, які доступні зовні, тобто з боку програми, або, з іншої точки зору, впливають на логіку виконання програми.
В число характеристик архітектури входять набір машинних команд, формат розрядної сітки для представлення даних різних типів, механізм звернень до засобів вводу-виводу і метод адресації пам’яті.
Під терміном структурна організація комп’ютерної системи розуміється сукупність операційних блоків (пристроїв) та їх взаємозв’язків, які забезпечують реалізацію специфікацій, заданих архітектурою комп’ютера.
Характеристики структурної організації включають приховані від програміста деталі апаратної реалізації системи – керуючі сигнали, апаратний інтерфейс між комп’ютером і периферійними засобами, технологію функціонування пам’яті.
Досвід розробки сімейств комп’ютерів показав, що архітектура може бути досить консервативною і зберігатися протягом довгого часу, в той час як структурна організація швидко змінюється вслід за змінами в технології виробництва окремих компонентів системи.
2. Поняття про архітектуру еом. Принцип функціонування еом Структура й принципи функціонування еом
Більш ніж за піввіку розвитку обчислювальних засобів прогрес в апаратній реалізації ЕОМ і їхніх технічних характеристик перевершив всі прогнози, і поки не помітне зниження його темпів. Незважаючи на те, що сучасні ЕОМ зовні не мають нічого загального з першими моделями, основні ідеї, закладені в них і пов'язані з поняттям алгоритму, розробленим Аланом Тюрінгом, а також архітектурною реалізацією, запропонованої Джоном фон Нейманом, поки не перетерпіли корінних змін (за винятком систем паралельної обробки інформації).
Будь-яка ЕОМ неймановської архітектури містить наступні основні пристрої:
арифметико-логічний пристрій (АЛП) (алу);
пристрій керування (ПК) (уу)
запам'ятовувальний пристрій (ЗП) (зу);
пристрою вводу-виводу (ПВВ) (увв);
пульт керування (ПК) (пу).
У сучасних ЕОМ АЛП й пристрій керування об'єднані в загальний пристрій, названий центральним процесором. Узагальнена логічна структура ЕОМ представлена на мал. 1.3.
Рис. 1.3. Узагальнена логічна структура ЕОМ
Процесор, або мікропроцесор, є основним пристроєм ЕОМ. Він призначений для виконання обчислення по програмі, що зберігається в запам'ятовувальному пристрої, і забезпечення загального керування ЕОМ. Швидкодія ЕОМ значною мірою визначається швидкістю роботи процесора. Для її збільшення процесор використає власну пам'ять невеликого обсягу, іменовану місцевою або зверхоперативною, що в деяких випадках виключає необхідність звертання до запам'ятовувального пристрою ЕОМ.
Обчислювальний процес повинен бути попередньо представлений для ЕОМ у вигляді програми - послідовності інструкцій (команд), записаних у порядку виконання. У процесі виконання програми ЕОМ вибирає чергову команду, розшифровує її, визначає, які дії й над якими операндами варто виконати. Цю функцію здійснює пристрій керування. Воно ж поміщає обрані із запам’ятовувального пристрою операнды в арифметико-логічний пристрій, де вони й обробляються. Саме арифметико-логічний пристрій працює під керуванням пристрою керування.
Оброблювані дані й виконувана програма повинні перебувати в запам'ятовувальному пристрої — пам'яті ЕОМ, куди вони вводяться через пристрій уведення. Ємність пам'яті виміряється у величинах, кратних байту. Пам'ять являє собою складну структуру, побудовану по ієрархічному принципі, і містить у собі запам'ятовувальні пристрої різних типів. Функціонально вона ділиться на дві частини: внутрішню й зовнішню.
Внутрішня, або основна пам'ять — це запам'ятовувальний пристрій, прямо пов'язаний із процесором і призначений для зберігання виконуваних програм і даних, що безпосередньо беруть участь в обчисленнях. Звертання до внутрішньої пам'яті ЕОМ здійснюється з високою швидкодією, але вона має обмежений обсяг, обумовлений системою адресації машини.
Внутрішня пам'ять, у свою чергу, ділиться на оперативну (ОЗУ) і постійну (ПЗУ) пам'ять. Оперативна пам'ять, по обсязі складова" більшу частину внутрішньої пам'яті, служить для прийому, зберігання й видачі інформації. При вимиканні живлення ЕОМ уміст оперативної пам'яті в більшості випадків губиться. Постійна пам'ять забезпечує зберігання й видачу інформації. На відміну від вмісту оперативної пам'яті, вміст постійної заповнюється при виготовленні ЕОМ і не може бути змінений у звичайних умовах експлуатації. У постійній пам'яті зберігаються часто використовувані (універсальні) програми, і дані, приміром, деякі програми операційної системи, програми тестування устаткування ЕОМ і ін. При вимиканні живлення вміст постійної пам'яті зберігається.
Зовнішня пам'ять (ЗЗП) призначена для розміщення більших обсягів інформації й обміну нею з оперативною пам'яттю. Для побудови зовнішньої пам'яті використають енергонезалежні носії інформації (диски й стрічки), які до того ж є переносними. Ємність цієї пам'яті практично не має обмежень, а для звертання до неї потрібно більше часу, ніж до внутрішньої.
Зовнішні запам'ятовувальні пристрої конструктивно відділені від центральних пристроїв ЕОМ (процесора й внутрішньої пам'яті), мають власне керування й виконують запити процесора без його безпосереднього втручання. У якості ЗЗП використовують накопичувачі на магнітних і оптичних дисках, а також накопичувачі на магнітних стрічках.
ЗЗП по принципах функціонування розділяються на пристрої прямого доступу (накопичувачі на магнітних і оптичних дисках) і пристрої послідовного доступу (накопичувачі на магнітних стрічках). Пристрої прямого доступу мають більшу швидкодію, тому вони є основними зовнішніми запам'ятовувальними пристроями, постійно використовуваними в процесі функціонування ЕОМ. Пристрої послідовного доступу використовуються в основному для резервування інформації.
Пристрої вводу-виводу служать відповідно для введення інформації в ЕОМ і виводу з неї, а також для забезпечення спілкування користувача з машиною. Процеси вводу-виводу протікають із використанням внутрішньої пам'яті ЕОМ. Іноді пристрою вводу-виводу називають периферійними або зовнішніми пристроями ЕОМ. До них ставляться, зокрема, дисплеї (монітори), клавіатура, маніпулятори типу «миша», алфавітно-цифрові друкувальні пристрої (принтери), графобудівники, сканери й ін. Для керування зовнішніми пристроями (у тому числі й ЗЗП) і узгодження їх із системним інтерфейсом служать групові пристрої керування зовнішніми пристроями, адаптери або контролери.
Системний інтерфейс — це конструктивна частина ЕОМ, призначена для взаємодії її пристроїв і обміну інформацією між ними.
У більших, середніх і супер-эвм як системний інтерфейс використаються складні пристрої, що мають убудовані процесори вводу-виводу, іменовані каналами. Такі пристрої забезпечують високу швидкість обміну даними між компонентами ЕОМ.
Відмінною рисою малих ЕОМ є використання в якості системного інтерфейсу системних шин. Розрізняють ЕОМ із багатошинною структурою й із загальною шиною. У перші для обміну інформацією між пристроями використаються окремі групи шин, у другому випадку всі пристрої ЕОМ поєднуються за допомогою однієї групи шин, у яку входять підмножини шин для передачі даних, адреси й керуючих сигналів. При такій організації системи шин обмін інформацією між процесором, пам'яттю й периферійними пристроями виконується за єдиним правилом, що спрощує взаємодію будов машини.
Пульт керування служить для виконання оператором ЕОМ або системним програмістом системних операцій у ході керування обчислювальним процесом. Крім того, при технічному обслуговуванні ЕОМ за пультом керування працює інженерно-технічний персонал. Пульт керування конструктивно часто виконується разом із центральним процесором.