5.3. Сущность архитектуры компьютера

Термин «архитектура ЭВМ» был введен в начале 60-х гг. одной из групп специалистов в области ЭВМ фирмы IBM (совместимый настольный персональный компьютер).

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные.

Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Архитектура компьютера включает в себя описания пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств.

Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно-математическое обеспечение. Структура ЭВМ – совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

Совокупность этих принципов породила фон-неймановскую архитектуру ЭВМ. Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рис. 7.

Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода).

Арифметико-логическое устройство выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти.

Управляющее устройство обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера.

Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме.

Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве.

Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода.

В построенной по схеме фон Неймана ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение.

Архитектура ЭВМ значительно влияет на производительность и эффективность использования вычислительных машин.

5.4. Классификация архитектур компьютера

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

Классическая архитектура. Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметико-логическое устройство, через которое проходит поток данных, и одно устройство управления, через которое проходит поток команд – программа, т.е. однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью, или системной шиной (рис. 8).

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к системной магистрали через специальные контроллеры.

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

Существуют другие варианты построения однопроцессорных компьютеров, например, применяемые известной компанией Apple Macintosh.

С точки зрения шинной организации можно выделить два типа архитектур ЭВМ: машины с одношинной организацией (UNIBUS), имеющие общую (одну) магистраль для подключения всех устройств ЭВМ, и машины с многошинной организацией (MULTIBUS) и несколькими магистралями, например, между ЦП и ОП одна магистраль, а между ПУ и ЦП – другая. Родоначальником промышленного внедрения общей шины является фирма DEC (Digital Eguipment Corporation). Применяется она, как правило, в недорогих машинах, имеющих невысокую производительность. Такая архитектура очень проста и удобна с точки зрения программирования, так как все устройства ЭВМ напрямую связаны между собой (каждый связан с каждым).

CISC-архитектура. Машины семейства IBM PC относятся к так называемой CISC-архитектуре компьютеров (компьютер с полным набором команд). В системах команд процессоров, построенных по этой архитектуре, для каждого возможного действия предусмотрена отдельная команда.

Например, система команд процессора Intel Pentium состоит более чем из 1000 различных команд. Чем шире система команд, тем больше требуется бит памяти для кодирования каждой отдельной команды.

Если, например, система команд состоит всего из четырех действий, то для их кодирования требуется 2 бит памяти; для восьми возможных действий требуется 3 бит памяти; для 16 – 4 бит и т.д. Таким образом, расширение системы команд влечет за собой увеличение числа байт, выделяемых под одну машинную команду, а следовательно, и объема памяти, требуемой для записи всей программы в целом.

RISC-архитектура. В середине 1980-х гг. появились первые процессоры с сокращенной системой команд, построенные по так называемой RISC-архитектуре (компьютер с усеченной системой команд).

К архитектуре RISC относятся достаточно широко известные машины компании Apple Macintosh. Важное отличие этих машин состоит в том, что многие возможности обеспечиваются не путем приобретения, установки и настройки дополнительного оборудования, а встроенным и не требующим никакой настройки оборудованием.

В качестве высокопроизводительных серверов достаточно часто используются машины семейств Sun Microsystems, Hewlett Packard и Compaq, которые также относятся к RISC-архитектуре. В качестве представителей других архитектур можно упомянуть еще и семейства переносных компьютеров классов Notebook (портативные).

Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи (рис. 9).

Центральный процессор в общем случае содержит:

– арифметико-логическое устройство;

– шины данных и шины адресов;

– регистры;

– счетчики команд;

– кэш – очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

– математический сопроцессор чисел с плавающей точкой. Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров.

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора.

Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или плоский керамический корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Память компьютера построена на триггерах, объединенных в группы по 8 бит, которые называются байтами. Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова – 2, 4 или 8 байт. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово) (табл. 7).

Таблица 7

Организация внутренней памяти

Байт 0	Байт 1		Байт 2	Байт 3	Байт 4	Байт 5	Байт 6	Байт 7
ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО			ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО
СЛОВО					СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО

Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип построения, который позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера из готовых узлов и блоков (модулей), изготовляемых различными производителями и производить при необходимости ее модернизацию.

Такой подход еще называют принципом «открытой архитектуры». На основной электронной плате компьютера (системной, или материнской, плате) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации (вычисления). Схемы, управляющие всеми остальными устройствами компьютера (монитором, дисками, принтером и т.д.), реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате – слоты. К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в общий металлический или пластмассовый корпус – системный блок.

Главным стимулом развития архитектуры ЭВМ является повышение производительности. Один из способов повышения производительности вычислительной техники – специализация (как отдельных элементов ЭВМ, так и создание специализированных вычислительных систем).