Тема 1: Принципы построения компьютеров

План лекции:

1.4. Состав компьютера

1.5 Биты, байты, слова

1.6 Ячейки памяти, порты и регистры

1.4 Состав компьютера

Любой IBM PC-совместимый компьютер представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской архитектуры вычислительных машин.

Фон-ней­мановская архитектура — не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоко­вые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцес­сорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-нейма­новских машин.

Конечно же, за более чем полувековую историю ЭВМ класси­ческая архитектура прошла длинный путь развития. Тем не менее ПК можно «разложить по полочкам» следующим образом.

Центральный процессор (АЛУ с блоком управления) реализуется микропро­цессором семейства х86 — от 8086/88 до новейших процессоров Pentium, Ath­lon, Opteron и т.д.

Набор арифметических, логических и прочих инструк­ций насчитывает несколько сотен, а для потоковой обработки придуман прин­цип SIMD (Single Instruction Multiple Data — множество комплектов данных, обрабатываемых одной инструкцией), по которому работают расширения ММХ, 3DNow, SSE.

Процессор имеет набор регистров, часть которых доступ­на для хранения операндов, выполнения действий над ними и формирования адреса инструкций и операндов в памяти. Другая часть регистров используется процессором для служебных (системных) целей, доступ к ним может быть огра­ничен (есть даже программно-невидимые регистры). Все компоненты компьюте­ра представляются для процессора в виде наборов ячеек памяти или/и портов ввода-вывода, в которые процессор может записывать и/или из которых может считывать содержимое.

Оперативная память (ОЗУ) — самый большой массив ячеек памяти со смежными адресами — реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической памяти. Для повышения производительности обмена данными (включая и считывание команд) опера­тивная память кэшируется сверхоперативной памятью. Два уровня кэ­ширования территориально располагаются в микропроцессоре. Оперативная память вместе с кэшем всех уровней (в настоящее время — до трех) представля­ет собой единый массив памяти, непосредственно доступный процессору для записи и чтения данных, а также считывания программного кода.

Помимо опе­ративной память включает также постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти (напри­мер, видеопамять графического адаптера). Вся эта память (вместе с оператив­ной) располагается в едином пространстве с линейной адресацией. В любом компьютере обязательно есть энергонезависимая память, в которой хранится программа начального запуска компьютера и минимально необходимый набор сервисов (ROM BIOS).

Процессор (один или несколько), память и необходимые элементы, связываю­щие их между собой и с другими устройствами, называют центральной частью, или ядром, компьютера (или просто центром). То, что в фон-неймановском компьютере называлось устройствами ввода-вывода (УВВ), удобнее называть периферийными устройствами.

Периферийные устройства (ПУ) — это все программно-доступные компоненты компьютера, не попавшие в его центральную часть. Их можно разделить по на­значению на несколько классов:

• Устройства хранения данных (устройства внешней памяти) — дисковые (магнитные, оптические, магнитооптические), твер­дотельные (карты, модули и USB-устройства на флэш-памяти). Эти устрой­ства используются для сохранения информации, находящейся в памяти, на энергонезависимых носителях и загрузки этой информации в оперативную память.

• Устройства ввода-вывода служат для преобразования информации из внут­реннего представления компьютера (биты и байты) в форму, понятную ок­ружающим, и обратно.

• Коммуникационные устройства служат для передачи информации между компьютерами и/или их частями. Сюда относят модемы (проводные, радио, оптические, инфракрасные...), адаптеры локальных и глобальных сетей. В дан­ном случае преобразование формы представления информации требуется только для передачи ее на расстояние.

Процессор, память и периферийные устройства взаимодействуют между собой с помощью шин и интерфейсов, аппаратных и программных; стандартизация интерфейсов делает архитектуру компьютеров открытой.