27

Понятие архитектуры компьютера

Использование Больших Интегральных Схем (БИС) при построении персональной технике базируется на принципах 3М: модульность; магистральность; микропрограммируемость. Применение БИС позволяет расширить возможности вычислительной техники, упростить процессы проектирования путём использования стандартных наборов модуле, обеспечивающих каждый в отдельности или в составе комплекса решение функциональных задач, либо задач конструктивной целостности. Различают конструктивные и функциональные модули.

Модуль – законченное техническое изделие, предназначенное для выполнения конкретных задач в области обработки информации и (или) управления некоторым объектом. Модульная организация компьютера повышает надёжность и ремонтопригодность, также позволяет легко видоизменять общий состав и конструкцию отдельных модулей в составе систем. С другой стороны, модульное проектирование узлов компьютера требует меньше затрат, как на само проектирование, так и на изготовление модулей с учётом серийности (производства большого количества однотипных модулей) снижается стоимость отдельных экземпляров.

В процессе разработки и изготовления новых модулей есть две тенденции: разработка многофункциональных и специализированных модулей.

Микропроцессоры и микропроцессорные модули разрабатываются как универсальные, позволяющее многоцелевое использование в различных предметных областях. Универсальность модулей снижает стоимость при обеспечении многофункциональности.

Специализация модулей предполагает разработку модулей адекватной структуры и состава модуля, выполняемым алгоритмом, поэтому стоимость спецмодулей высока, требует индивидуального проектирования и разработку, характеризуются высокой эффективностью использования всех возможностей данного модуля в конкретных проблемно-ориентированных условиях применения.

Универсальные модули как правило имеют неэффективное использование, при котором ресурсы модуля используются значительно ниже их потенциальных значений.

В связи с этим спецмодули применяются в проблемно-ориентированных вычислительных устройствах, в которых их эффективность применения достаточно высока, а универсальные модули, планируются использовать по широкому спектру практических задач с низким значением эффективности использования однако с невысокой стоимостью.

Примером подобных систем могут быть последние компьютеры на базе Р4, в которых процессор загружается на несколько % при решении массовых задач.

Широкие и неиспользуемые возможности универсальных модулей стимулируют поиск новых задач. Такими задачами можно назвать разработку систем искусственного интеллекта, где машина может принимать адекватные решения конкретных проблем с самообучением.

Спецмодули применяются для связи с конкретными объектами управления, связи с ними, ввода информации. В дальнейшем модульный принцип заключается в рациональном сочетании специализированных и универсальных модулей.

Принцип магистральности.

Модульная организация ВычТехники требует организации взаимодействия модулей путём обмена информации в виде набора сигналов, принципиально организация обмена информации может быть выделена в виде выполнения связи типа «каждый с каждым», либо в организации системы связей.

Первый вариант связи носит хаотический характер, поэтому может быть рекомендован в спец. случаях, т.к. связь такого типа обеспечивает передачу информации в любой момент времени между любыми модулями, платой за это является создание сложной системы проводников и интерфейсов, что является в ряде случаёв невозможным, т.к. не позволяет использовать полезную площадь кристалла кремния с требуемой степенью интеграции элементов, также приводит к весьма значительным увеличениям габаритов устройств и сложности проектирования.

Второй подход находит реализацию применения системы магистралей, включающих шину данных, шину адреса, шину сигналов управления, каждая шина состоит из требуемых совокупностей проводников и интерфейсных схем, обеспечивающих подключение модулей к системе шин.

Подключение выполняется с использованием буферных каскадов, имеющих 3 устойчивых состояния: 1. логич «0»; 2. логич «1»; 3. высокого входного сопротивления (отключение от шины).

Магистральность значительно повышает регулярность структуры микропроцессорной системы и при условии достаточно высокого быстродействия системы магистралей не оказывает влияние на фактор снижения производительности системы при временном разделении ресурсов магистрали для организации передачи данных между модулей.

Под компьютерной архитектурой понимают абстрактное представление модулей компьютера в их взаимосвязи, языки управления, процесса обработки данных, организация этих процессов, а также форматы данных и наборы команд, доступные пользователю для применения. По сути архитектура определяет возможности , предоставляемые пользователю для обработки данных, эти возможности, что реализуются аппаратурно имеют свою собственную архитектуру.

Под организацией компьютера понимается - как эти возможности реализуютсяв данном компьютере.

В качестве основного архитектурного фактора выступает общая структура, определяющая состав модулей и их взаимосвязь. В число основных модулей относятся: микропроцессор, состоящий из АЛУ, аккумулятора регистров общего назначения, устройства управления, регистра команд, регистра программного счётчика команд.

Память устройства ввода, устройства вывода информации. Общая структура:

В составе компьютера имеется также пульт управления, обеспечивающий пуск компьютера, остановку, начальную инициализацию, пошаговое выполнение команд программы в процессе отладки, также просмотр содержимого оперативной памяти, тогда общий алгоритм функционирования компьютера может быть представлен:

Общая схема функционирования компьютера отражает содержание и последовательность операции по выполнению обрабатываемой программы. Если компьютер обрабатывает несколько команд, то они как правило обрабатываются последовательно либо последовательно с прерыванием выполнения текущей программы, при этом с переходом к обработке следующей программы производится сохранение состояния обрабатываемой программы в область оперативной памяти (сохраняется содержимое регистров микропроцессоров при повторном возврате к выполнению прерванной программы происходит восстановление содержание регистров, если использовался механизм прерываний, то для сохранения содержимого регистров выполняемой программы используется стековая память).

Одним из важнейшим фактором определения архитектуры компьютера является организация доступа к периферийным устройствам. В соответствии с этим фактором архитектура компьютеров делится на архитектуру компьютеров с несколькими шинами, с одной шиной. (см. Схема2)

Система шин в данной архитектуре позволяет реализовывать параллельный обмен информации для различных групп устройств. Это способствует увеличению производительности системы и возможности изменению конфигураций. Такая архитектура приближается по своим возможностям к вычислительным системам со связью «каждый с каждым». Система шин, протоколы обмена, объёмы передаваемой информации настроены на максимальную производительность, тем не менее в каждой группе устройств, в каждый момент времени, только два могут участвовать в процессе обмена информацией, остальные, нуждающиеся в обмене ожидают завершения предыдущего обмена имея при этом определённый приоритет по отношению к другим устройствам группы. Уровень приоритета определяется техническими характеристиками устройства и важностью реализации обмена в обрабатываемой программе.