Классическая архитектура эвм и принципы фон Неймана
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман, высказавший идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. совместно со своими коллегами по Принстонскому институту перспективных исследований Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман изложил развернутое и детальное описание принципов построения цифровых ЭВМ в программной статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства».
Изложенные в отчете принципы сводились к следующему:
• машины на электронных элементах должны использовать не десятичную, а двоичную систему счисления;
• «принцип хранимой программы»: программа должна размещаться в одном из боков ЭВМ – запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы;
• программа, так же как и числа, которыми оперирует ЭВМ, записывается в двоичном коде, т.е. по форме представления между программой и данными отсутствует принципиальная разница, что дает возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений;
• трудности физической реализации запоминающего устройства требуют иерархической (многоуровневой) организации памяти;
• в ЭВМ используется параллельный принцип организации вычислительного процесса: операции над данными производятся одновременно по всем разрядам.
В современном варианте принципы фон Неймана могут быть сформулированы следующим образом:
• принцип программного управления. Для решения каждой задачи составляется программа, определяющая последовательность действий компьютера;
• принцип программы, сохраняемой в памяти. Команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения;
• принцип произвольного доступа к памяти. Программы и данные записываются в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обраться по любому заданному адресу к требуемому участку памяти.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру. Основными блоками по фон Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ), обычно объединяемые в центральный процессор, память (иначе запоминающее устройство - ЗУ), устройства ввода и вывода. Процессор обменивается потоками информации с запоминающим устройством; также от него ко всем остальным узлам ЭВМ идут управляющие сигналы; также потоки информации поступают к процессору от устройств ввода и направляются от него на устройства вывода.
Запоминающее устройство современных компьютеров неоднородно и включает в себя оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и внешнее запоминающее устройство (ВЗУ). Команды последовательно считываются из памяти и выполняются. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие – также один из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили название «фон-неймановской архитектуры». Необходимо отметить, что фон Нейманом была предложена обобщенная логическая структура ЭВМ, которая в «чистом» виде воспроизводилась лишь в течение первых двух поколений ЭВМ. Реальная структура компьютера значительно сложнее, чем представленная логическая. Это обусловлено тем, что в современных ПК классическая архитектура фон Неймана значительно усовершенствована, хотя и сохраняет общие черты.
И на сегодняшний день подавляющее большинство вычислительных машин – фон-неймановские. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные и принципиальные отличия от классической модели. По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основу обработки информации в которых будут положены не вычисления, а логические выводы.
Собственно, принципы фон Неймана позволяют понять, что именно может быть названо компьютером. Компьютер – это техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных и программы их обработки, представленных в общем цифровом формате, автоматически осуществляет вычислительный процесс, заданный программой, и выдает результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия пользователем.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПК
Центральной частью ПК, вместилищем его внутренних устройств является системный блок. В его состав входят следующие устройства:
• системная (материнская) плата;
• накопитель на жестком магнитном диске;
• контроллеры или адаптеры для подключения и управления внешними устройствами ПК;
• порты – разъемы для подключения внешних устройств;
• дисководы внешних запоминающих устройств;
• блок питания, преобразующий переменный электрический ток в постоянный, с вентилятором (кулером).
Системная плата
Является интегрирующим (объединяющим) узлом ПК. На системной плате расположены:
• микропроцессор;
• ПЗУ – микросхема памяти;
• разъемы (гнезда, слоты, интерфейсы) для подключения модулей ОЗУ, шин, расширения конфигурации ПК;
• чипсет (микропроцессорный комплект) – базовый набор специализированных интегральных микросхем системной логики, конструктивно привязанных к типу используемого процессора. Использование чипсет обусловлено необходимостью обеспечения совместимости аппаратных средств;
• таймер (системные часы) с аккумулятором, ведущий отсчет времени (в т.ч. и при выключенном ПК);
• генератор тактовых импульсов;
• контроллер прерываний.
Системная плата во многом определяет конфигурацию ПК, т.к. от ее параметров зависит тип используемого процессора, максимальный объем оперативной памяти, количество и способы подключения внешних устройств и другие характеристики.
Микропроцессор (процессор, центральный процессор, CPU – central processor unit, ЦПУ – центральное процессорное устройство)
Главная микросхема компьютера, обеспечивающая обработку информации и управляющая работой всех его устройств либо напрямую, либо через соответствующие контроллеры. Конструктивно представляет собой выращенный по специальной технологии кристалл кремния очень малых размеров (отсюда его жаргонное наименование – «камень»). Состоит из УУ, определяющего, что и в каком порядке выполнять, и АЛУ, выполняющего сами операции. Основой любого процессора является ядро, состоящее из десятков и сотен миллионов транзисторов. Процессор имеет специальные ячейки – регистры памяти различного назначения, определенным образом связанные между собой и обрабатываемые в соответствии с некоторой системой правил. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных и их выполнении.
Множество команд, которые процессор может выполнить над данными, образует его систему команд. Чем больше система команд процессора, тем сложнее его архитектура. Большинство современных ПК используют процессоры с полной системой команд – CISC-процессоры (complex instruction set computing). Альтернативой CISC-процессорам являются RISC-процессоры с сокращенной системой команд (reduced instruction set computing), которые отличаются достаточной эффективностью и быстродействием за счет существенного ограничения набора операций до наиболее простых и коротких с их тщательной оптимизацией.
Основные параметры процессора – это быстродействие и разрядность.
• Быстродействие (фактически скорость работы) процессора определяется его тактовой частотой – количеством элементарных действий (тактов или циклов), которые процессор совершает за секунду. Современный стандарт – несколько Ггц. Тактовая частота – это то строго определенное число импульсов в секунду, которое выдает генератор тактовых импульсов – специальная микросхема, используемая для синхронизации операций. Генератор тактовых импульсов – это аналог маятника в механических часах.
• Разрядность процессора – это число бит в регистрах, которые обрабатываются параллельно за один такт. Иными словами, это число бит, которое воспринимается процессором как единое целое или максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым может выполняться одна машинная операция. Равна целой степени числа 2 (4, 8, 16, 32, 64). Современный стандарт – 64 бита.
Для ускорения работы к центральному процессору подключаются сопроцессоры (математический, графический, ввода-вывода и др.) – вспомогательные специализированные процессоры, предназначенные для выполнения только операций определенного типа, но очень быстро.
Ведущие производители процессоров для ПК: Intel (процессоры класса Pentium и Celeron – «усеченный» вариант Pentium), AMD (процессоры класса Athlon – аналог Pentium и Duron – аналог Celeron), IBM, Motorola и др.
Системная шина (общая шина, системная магистраль)
Проводник, обеспечивающий обмен данными и командами между внутренними устройствами ПК. По системной шине осуществляется не только передача данных между процессором и остальными узлами, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Для этого системная шина включает 4 основные линии:
• шина данных, по которой передается информация;
• шина адреса, определяющая, куда передаются данные;
• шина управления (шина команд), регулирующая процесс обмена информацией;
• шина питания для передачи всем устройствам напряжения от блока питания.
У некоторых моделей компьютеров шины данных и адреса для экономии объединены. Кроме системной шины также используют локальные шины, напрямую связывающие отдельные устройства, осуществляющие интенсивный обмен данными между собой. Применяют различные типы (конструкции) шин, которые делят на шины расширения (универсальные, к которым можно подключать различные устройства) и локальные (предназначенные для соединения конкретных типов устройств).
Шины характеризуются:
• разрядностью (пропускной способностью) – аналог разрядности процессора;
• рабочей частотой (связанной с частотой процессора через коэффициент умножения);
• скоростью передачи данных;
• адресным пространством (объемом ОЗУ, который можно адресовать, по принципу: n-разрядная шина2n байт оперативной памяти);
• способом передачи сигнала (последовательные или параллельные);
• количеством и типом поддерживаемых устройств;
• протоколом работы (стандартом).
Контроллеры (адаптеры)
Эффективность работы ЭВМ может существенно снижаться из-за противоречия между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механические части. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы называются каналами обмена, процессорами ввода-вывода, периферийными процессорами, а в последнее время – интеллектуальными контроллерами внешнего устройства или просто контроллерами (control чаще означает «управление», а не только «контроль»).
Контроллер представляет собой специализированный процессор, управляющий работой «своего» внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена и имеющий собственную систему команд. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и в дальнейшем могут быть прочитаны центральным процессором. Контроллеры конкретных устройств вставляются в соответствующие разъемы системной платы, а контроллер клавиатуры обычно устанавливается непосредственно на системную плату.
Наличие контроллеров существенно изменяет идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность выполнять программу дальше.
Особо следует сказать о контроллере прерываний, функционально реализованном в чипсете. Прерывания используются для управления работой периферийных устройств. Основная функция контроллера прерываний – обработка запросов от устройств ПК, для каждого из которых определен свой приоритет (уровень важности), в соответствии с которым устанавливается очередность обработки процессором запросов от этих устройств. Все современные ПК содержат 16 линий запроса прерывания (IRQ – interrupt request); приоритет убывает в порядке возрастания номера линии. При большом количестве периферийных устройств может возникнуть конфликт прерываний, когда два устройства пытаются использовать одно и то же прерывание. В этом случае допускается настройка прерываний пользователем вручную.
Понятие контроллера нельзя путать с понятием драйвера. Контроллер – это элемент аппаратного обеспечения (особая микросхема), а драйвер – специальная программа для управления внешним устройством, хранящаяся либо в памяти ПК, либо в специальной памяти самого контроллера.