Лекція № 2 Тема: “Класифікація архітектур комп’ютера”.

План:

1. Визначення архітектури комп’ютера.

2. Архітектурні принципи Джона фон Неймана. Інші архітектури комп’ютера.

3. Класифікація комп’ютерів.

Література:

1. Мельник А. Архітектура комп’ютера 2008 – Луцьк, Луцька обласна друкарня. 2008. – 506 с.: іл.

2. Якименко Ю.І. Мікропроцесорна техніка: Підручник 2-е видання – К.: Кондор, 2004 – 440с.

3. Тхір І., Калушка В., Юзьків А. Посібник користувача ПК. Видання третє. – Тернопіль: Підручники і посібники. 2008. – 1024с.; іл.

4. Юров В. Assembler. – СПб.: Питер, 2001

5. Нортон П. Персональный компьютер: аппаратно-программный комплекс. – СПб.: BHV, 2000

6. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия 2-е изд. – СПб.: Питер, 2001 – 928с.: ил.

7. Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2002. – М.: ОЛМА-ПРЕС, 2002. – 920с.: ил.

8. Мюллер Д. Модернизация и ремонт ПК 13-е изд. СПб., Питер, 2001

9. Таненбаум Э. Архитектура компьютера – СПб., Питер, 2002

1. Визначення архітектури комп’ютера.

Термін “архітектура” в першу чергу асоціюється із поняттям конструкції, будівлі чи інших об’єктів. Але крім загального вигляду, будови, розмірів, розміщень окремих елементів у системі архітектура ще й характеризує зв’язки які з’єднують складові частини, процеси які можуть відбуватись у системі.

Тут, мабуть, виникає потреба пояснити поняття системи. Системою може бути будь-який з об’єктів який потрібно охарактеризувати, зробити опис у залежності від того які властивості чи інформацію нам треба визначити про об’єкт. Система складається із складових частин які називають елементами та зв’язками через які здійснюється взаємодія між елементами. Наприклад, найпростіша комп’ютерна система для користувача ПК може складатись з таких елементів: системного блока, клавіатури, монітора які зв’язані між собою електричними зв’язками за допомогою провідників.

Існує багато різних комп’ютерних систем кожна з яких має своє функціональне призначення, тобто створені для виконання конкретного завдання. І кожен з типів КС має свої відмінності від іншого. Саме ці відмінності найлегше побачити порівнюючи архітектури, тобто модель пристроя чи системи. Отже, можемо визначити поняття архітектури у КС як модельну реалізацію апаратних і програмних засобів КС.

Архітектура ПК - це структурна схема внутрішньої організаціїі взаємодії основних функціональних модулів комп’ютера (центральний процесор, чіпсети, пристрої системної пам’яті, контролери периферійних пристроїв і самі периферійні пристрої.

2. Архітектурні принципи Джона фон Неймана. Інші архітектури комп’ютера.

Комп'ютер - це електронний пристрій, який виконує операції введення інформації, зберігання і обробки, її за певною програмою, висновок отриманих результатів у формі, придатній для сприйняття людиною.

Архітектури у КС характеризують за такими трьома ознаками: за об’єктом розгляду, за принципом побудови, за набором команд. У свою чергу архітектури за об’єктом розгляду поділяють на архітектури процесорів, комп’ютерів, системних плат, комп’ютерних мереж.

Основними архітектурами для процесорів є RISC- та CISC-архітектури.

RISC – архітектура з обмеженим набором команд. Характеризується високою швидкодією за рахунок того, що для виконання однієї команди виділяється короткий проміжок часу. Процесори з RISC-архітектурою є дорогими та мало поширеними, використовуються у системах реального часу де не допускається часова затримка.

СISC – архітектура з повним набором команд. Характеризується нижчою швидкодією за рахунок того, що для виконання однієї команди виділяється довший проміжок часу, простотою та невисокою ціною. Процесори з RISC-архітектурою через свою низьку ціну набули широкого поширення і використовуються у більшості КС.

Архітектура комп’ютера Джона фон Неймана

Про виконанні різноманітних дій та за виконання різних операцій відповідають різні блоки комп’ютера:

- пристрій введення ;

- центральний процесор;

- пристрій, що запам'ятовує;

- пристрій виведення.

Всі ці блоки складаються з окремих дрібніших пристроїв. Зокрема в центральний процесор можуть входити арифметико-логічний пристрій (АЛП), внутрішній запам'ятовуючий пристрій у вигляді регістрів процесора та внутрішньої кеш-пам'яті, керуючий пристрій (КП). Пристрій введення, як правило, теж не є однією конструктивною одиницею. Оскільки види інформації, що вводиться, різноманітні, джерел може бути декілька. Це стосується і пристрою виведення.

Схематично загальна структура комп'ютера зображена на рис.1.

Рис. 1. Загальна структура комп'ютера

Запам’ятоауючий пристрій, - це блок комп’ютера, призначений для тимчасового (оперативна пам'ять) і тривалого (постійна пам'ять) зберігання програм, вхідних і результуючих даних, а також проміжних результатів. Інформація в оперативній пам'яті зберігається тимчасово лише при включеному живленні, але оперативна пам'ять має більшу швидкодію. В постійній пам'яті дані можуть зберігатися навіть при відключеному комп'ютері, але швидкість обміну даними між постійною пам'яттю і центральним процесором, в переважній більшості випадків, значно менше.

Арифметико-логічний пристрій - це складова частина процесора, в якому відбувається перетворення даних по командах програми: арифметичні дії над числами, перетворення кодів і ін.

Керуючий пристрій координує роботу всіх блоків комп'ютера. В певній послідовності він вибирає з оперативної пам'яті команду за командою. Кожна команда декодується, по потребі елемента даних з вказаних в команді комірок оперативної пам'яті передаються в АЛП. АЛП настроюється на виконання дії, вказаною поточною командою (в цій дії можуть брати участь також пристрої введення-виведення), дається команда на виконання цієї дії. Цей процес буде продовжуватися до тих пір, поки не виникне одна з наступних ситуацій: вичерпані вхідні дані, від одного з пристроїв надійшла команда команда на припинення роботи, вимкнено живлення комп'ютера.

Сучасну архітектуру комп’ютера по принципу Джона фон Неймана коротко визначають наступні принципи:

1. Принцип програмного керування. Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на комп’ютері. Згідно цього принципу, для вирішення кожної задачі складається програма, яка визначає послідовність дій комп'ютера.

2. Принцип програми, що зберігається в пам'яті. Згідно цього принципу, команди програми подаються, як і дані, у вигляді чисел і обробляються так само, як і числа, а сама програма перед виконанням завантажується в оперативну пам'ять, що прискорює процес її виконання.

3. Принцип довільного доступу до пам'яті. Відповідно до цього принципу, елементи програм і даних можуть записуватися в довільне місце оперативної пам'яті, що дозволяє звернутися за будь-якою заданою адресою (до конкретної ділянки пам'яті) без перегляду попередніх.

На підставі цих принципів можна стверджувати, що сучасний комп'ютер - технічний пристрій, який після введення в пам'ять початкових даних у вигляді цифрових кодів і програми їхньої обробки, вираженої теж цифровими кодами, здатний автоматично здійснити обчислювальний процес, заданий програмою, і видавати готові результати рішення задачі у формі, придатній для сприйняття людиною.

З описаних принципів побудови архітектури комп’ютера можна визначити головні особливості архітектуру комп’ютера по принципу Джона фон Неймана:

• Інформація в комп’ютері ділиться на команди і дані;

• Команди вказують комп’ютеру, які дії і як їх виконувати;

• Послідовність команд за якою виконується алгоритм вирішення задачі, називають програмою;

• Весь набір виконуваних комп’ютером команд називають системою команд;

• Дані – це числа і закодовані символи, які використовуються командами як операнди;

• Команди і дані представлені війковими кодом;

• Команди і дані зберігаються в одній пам’яті за відповідними адресами;

• Пам’ять має довільну адресацію;

• Пам’ять є лінійною. Її адресу кодують війковим кодом, починаючи від молодшої, всі розряди якої рівні нулю (00...0), до старшої, всі розряди якої рівні одиниці (11...1).

Недоліки цієї архітектури, пов’язані в закладеній в ній послідовним характером організації обчислень. Тому крім цієї архітектури було створено цілий ряд інших архітектур.

Гарвардська архітектура комп’ютера вперше була реалізовано Ховардом Гайкеном на комп’ютері Марк-1 в Гарварді. Вона передбачає розділення пам’яті на пам’ять даних і пам’ять команд. Таким чином розділяють шини передачі керуючої та оброблювальної інформації. При цьому підвищується продуктивність комп’ютера за рахунок суміщення в часі пересилання та обробки даних і команд.

Основними архітектурами для системних (материнських) плат є шинно-мостова та хабова архітектури. Шинно-мостова архітектура використовує для з’єднання між пристроями і перетворення сигналів мікросхеми північного і південного моста. Хабова архітектура є більш продуктивнішою за рахунок високої пропускної здатності магістралі між процесором та шинами через хаб. Її використовують у сучасних материнських платах.

Реальна структура комп'ютера значно складніше, ніж розглянута вище (її можна назвати логічною структурою). В сучасних комп'ютерах, зокрема персональних, все частіше відбувається відхід від традиційної архітектури фон Неймана, обумовлений прагненням розробників і користувачів до підвищення якості і продуктивності комп'ютерів. Якість ЕВМ характеризується багатьма показниками. Це і набір команд, які комп'ютер здатний розуміти, і швидкість роботи (швидкодія) центрального процесора, кількість периферійних пристроїв вводу-виводу, приєднуваних до комп'ютера одночасне і т.д. Головним показником є швидкодія - кількість операцій, яку процесор здатний виконати за одиницю часу. На практиці користувача більше цікавить продуктивність комп'ютера - показник його ефективної швидкодії, тобто здатності не просто швидко функціонувати, а швидко вирішувати конкретні поставлені задачі.

Як результат, все ці і інші чинники сприяють принциповому і конструктивному удосконаленню елементної бази комп'ютерів, тобто створенню нових, більш швидких, надійних і зручних в роботі процесорів, пристроїв, що запам'ятовують, пристроїв введення-виведення і т.д. Проте, слід враховувати, що швидкість роботи елементів неможливо збільшувати безмежно (існують сучасні технологічні обмеження і обмеження, обумовлені фізичними законами). Тому розробники комп'ютерної техніки шукають розв'язання цієї проблеми удосконаленням архітектури ЕВМ.

Так, з'явилися комп'ютери з багатопроцесорною архітектурою, в якій декілька процесорів працює одночасно, а це означає, що продуктивність такого комп'ютера дорівнює сумі продуктивностей процесорів. В могутніх комп'ютерах, призначених для складних інженерних розрахунків і систем автоматизованого проектування (САПР), часто встановлюють два або чотири процесори. В надпотужних ЕВМ (такі машини можуть, наприклад, моделювати ядерні реакції в режимі реального часу, прогнозувати погоду в глобальному масштабі) кількість процесорів досягає декількох десятків.

Швидкість роботи комп'ютера істотним чином залежить від швидкодії оперативної пам'яті. Тому, постійно ведуться пошуки елементів для оперативної пам'яті, затрачують менше часу на операції читання-запису . Але разом з швидкодією зростає вартість елементів пам'яті, тому нарощування швидкодійної оперативної пам'яті потрібної місткості не завжди прийнятне економічно.

Проблема розв'язується побудовою багаторівневої пам'яті. Оперативна пам'ять складається з двох-трьох частин: основна частина більшої місткості будується на відносно повільних (більш дешевих) елементах, а додаткова (так звана кеш-пам'ять) складається з швидкодійних елементів. Дані, до яких звертається процесор знаходяться в кеш-пам'яті, а більший об'єм оперативної інформації зберігається в основній пам'яті.

Раніше роботою пристроїв введення-виведення керував центральний процесор, що займало немало часу. Архітектура сучасних комп'ютерів передбачає наявність каналів прямого доступу до оперативної пам'яті для обміну даними з пристроями введення-виведення без участі центрального процесора, а також передачу більшості функцій керування периферійними пристроями спеціалізованим процесорам, що розвантажують центральний процесор і підвищуючим його продуктивність.