Архитектура компьютера. Тема 1

Тема 1. Появление и развитие компьютерной техники

Тема 1. Появление и развитие компьютерной техники

1. Предмет «Архитектура компьютера»

2. Принципы фон-Неймана

3. Поколения эвм

1. Предмет «Архитектура компьютера»

Архитектура компьютера – общее описание структуры и функций компьютера на уровне, достаточном для понимания принципов работы и системы команд компьютера, но скрывающем детали ее технического и физического устройства. Архитектура отображает аспекты структуры компьютера, которые являются видимыми для пользователя: систему команд, режимы адресации, форматы данных, набор программно-доступных регистров. Архитектурное описание компьютера опирается на:

1. структурную схему компьютера (указание функционально обособленных устройств машины и способов их соединения информационными каналами и линиями передачи управляющих сигналов);

2. структура памяти компьютера (указание всех ее регистров, ячеек оперативной, постоянной и внешней памяти с указанием их формата и способа адресации).

Функционирование компьютера задается общим алгоритмом автоматического исполнения им программы и описанием его системы команд.

Команда — совокупность сведений, необходимых процессору для выполнения определенного действия при выполнении программы.

Команда состоит из кода операции, содержащего указание на операцию, которую необходимо выполнить, и нескольких адресных полей, содержащих указание на места расположения операндов команды. Способ вычисления адреса по информации, содержащейся в адресном поле команды, называется режимом адресации. Множество команд, реализованных в данном компьютере, образует его систему команд.

Таким образом, архитектура описывает возможности, предоставляемые компьютером.

Конфигурация компьютера – компоновка вычислительного устройства с четким определением характера, количества, взаимосвязи и основных характеристик его функциональных элементов.

Интерфейс – способ и средства установления и поддержания информационного обмена между исполнительными устройствами автоматической или человеко-машинной системы.

Составные части интерфейса:

• аппаратная, обеспечивающая механическое и электрическое соединение (разъем, слот, сокет, форм-фактор);

• протокол – система правил и соглашений о кодировании, синхронизации и логической организации передаваемой информации (PIO);

• управление – программа (драйвер) или отдельное устройство (порты, шины), непосредственно выполняющее обмен.

Интерфейс передачи данных может быть:

• последовательный – любая порция двоичной информации передается последовательно, бит за битом;

• параллельный – порция информации из n битов, передается одновременно по n каналам (n – кратно 8).

Интерфейс является объектом стандартизации, поскольку делает возможной независимую разработку широкого спектра технических устройств при сохранении их взаимозаменяемости.

2. Принципы фон-Неймана

Если рассматривать компьютер как ядро некоторой информационно-вычислительной системы, можно построить информационную модель компьютера, т.е. определить ее в виде совокупности блоков переработки информации и множества информационных потоков между этими блоками.

Большинство современных компьютеров строится на базе принципов, сформулированных американским ученым, одним из «отцов» кибернетики Дж. Фон Нейманом. Впервые эти принципы были опубликованы в 1945 г.

Основными блоками фон-неймановской машины являются блок управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), память (ОП) и устройство ввода-вывода (УВВ). Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова называются командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм, называется программой. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Разнотипные слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования. Устройство управления и арифметическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором. Они определяют действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти. Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой.

В целом принципы фон-Неймана сводятся к следующему:

1. Принцип хранимой программы. Машина имеет память, в которой хранятся программа, данные и результаты промежуточных вычислений. Программа и данные вводятся в машину в виде двоичных кодов.

2. Адресный принцип. В команде указываются не сами числа, над которыми нужно выполнять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, где эти числа находятся.

3. Автоматизм. После ввода программы и данных машина работает автоматически, выполняя предписания программы без вмешательства человека. Для этого машина запоминает адрес выполняемой команды, а каждая команда содержит указание об адресе следующей команды. Указания могут быть:

   1. неявным – перейти к команде, следующей по адресу за выполняемой;

   2. безусловным – перейти к команде по заданному адресу;

   3. условным – проверить заданное условие и в зависимости от его выполнения перейти к команде по тому или иному адресу.

4. Переадресация. Адреса ячеек памяти, указанные в команде, можно вычислять и преобразовывать как числа.