Принцип действия компьютера. Обобщенная структура эвм, характеристика и назначение основных устройств.
Архитектура- это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.
Общие принципы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:
Структура памяти ЭВМ
Способы доступа к памяти и внешним устройствам
Возможность изменения конфигурации компьютера
Система команд
Форматы данных
Организация интерфейса
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил Джон фон Нейман. В 1946 году он вместе со своими коллегами опубликовал статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства», в которой убедительно обосновывается использование двоичной системы счисления для представления чисел в ЭВМ (до этого машины хранили данные в 10 – ом виде) и излагаются следующие принципы:
1. Принцип программного управления. Он обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
Для понятия этого принципа надо знать следующие определения.
Регистр– специализированная дополнительная ячейка памяти в процессоре. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды.
Счетчик команд– регистр устройства управления (УУ), содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды, он служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти. Этот регистр последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым осуществляется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой – то другой, используются команды условного или безусловного переходов. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.
2. Принцип однородности памяти (принцип хранимой команды). Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Компьютер не различает, что храниться в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатом вычислений.
3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Это позволяет обращаться к произвольной ячейке (адресу) без просмотра предыдущих.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фон-неймановских.
На сегодняшний день это подавляющее большинство компьютеров, в том числе и IBM PС – совместимые. Но есть и компьютерные системы с иной архитектурой – например системы для параллельных вычислений.
Архитектура эвм, построенная на принципах фон Неймана
Структура современных эвм
Начало изменений в классической архитектуре относится к 3-му поколению ЭВМ (переход от транзисторов к интегральным схемам). Это было обусловлено возникновением противоречия между высокой скоростью обработки данных внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода (у них механические части). Процессор вынужден простаивать в ожидании данных извне. Стало необходимо освободить центральный процессор от функции обмена данными с внешними устройствами.
В современных ЭВМ эта функция передана контроллеру. Контроллер(адаптер) – устройство, которое связывает периферийное оборудование и каналы связи с центральным процессором, освобождая его от непосредственного управления функционированием данного оборудования, т.е. контроллер – это специализированный процессор с собственной системой команд (контроллер НГМФ, контроллер принтера, видеоадаптер и др.). Сейчас любое внешнее устройство имеет контроллер.
Схема работы. Центральный процессор при необходимости обмена с внешним устройством выдает задание контроллеру на его осуществление. Контроллер создает канал связи между ОЗУ и внешним устройством. Дальнейшая передача идет под управлением контроллера без использования центрального процессора
Следующие изменение архитектуры. Появилось принципиально новое устройство – общая шина(магистраль, системная шина) для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ.
Системная шина – это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Системная шина включает:
Кодовую шину данных, которая служит для параллельной передачи всех разрядов числового кода. В ПК на базе Intel Pentium шина данных 64-х разрядная, за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных.Что передается.
Кодовую шину адреса, которая служит для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода – вывода внешнего устройства. Данные, передаваемые по адресной шине – трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить. В современных процессорах шина адреса 32-разрядная (состоит из 32 параллельных проводников).Куда передается.
Кодовую шину управления(командная шина) – служит для передачи управленческих сигналов во все блоки машины. Большинство современных компьютеров имеют 32 разрядную командную шину, но бывают и 64-разрядные. Как передается.
Шинная архитектура ЭВМ
Как видно такую структуру легко пополнять новыми устройствами – открытость архитектуры.
Появление блока видеопамяти связано с разработкой особого устройства вывода – дисплея (монитора). Для получения на экране стабильной картинки ее нужно где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером. Затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Конструктивно видеопамять может быть выполнена как часть обычного ОЗУ или содержаться в контроллере дисплея.
Еще особенность современной ЭВМ. Существует режим прямого доступа к памяти (ПДП), при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия ЦП. Для этого существует специальный контроллер ПДП. Режим ПДП появился только в машинах IIIпоколения.
Пример использования ПДП. Работа звуковой карты. Воспроизведение звуков с точки зрения процессора очень медленное (процессор - частота 500 МГц, частота дискретизации CD– 44 Гц) В этом случае процессор лишь помещает в ОЗУ необходимые данные и сообщает контроллеру ПДП их адрес и количество. Последний, не спеша, обеспечивает передачу данных, которая требуется звуковой карте.
При описании магистральной структуры с точки зрения архитектуры упрощенно предполагалось, что все устройства взаимодействуют через общую шину. На практике при увеличении потоков данных между устройствами ЭВМ вводится одна или несколько дополнительных шин. Например, одна – для обмена с памятью, вторая для связи с «быстрыми», третья – с «медленными» внешними устройствами.