Лекція 2

Принципи, що закладені в архітектуру сучасних комп’ютерів (в тому числі і персональних) вперше були викладені у 1945 році Дж. фон Нейманом у роботі "Попередня доповідь про машину "Едвак"". Згідно з ними ком п’ютерна система:

• повинна бути електронним пристроєм;

• програми та дані зберігаються в пам’яті;

• повинна працювати з двійковими числами;

• команди виконуються послідовно одна за одною;

• на функціональному рівні комп’ютерна система складається з п’яти головних частин (пристроїв): введення інформації, пам’яті, обробки, керування та виведення інформації.

Принципи, сформульовані Дж. фон Нейманом, стали загальноприйнятими тільки тому, що широко застосовувались весь час; їх було покладено в основу як великих ЕОМ перших поколінь, так і більш сучасних міні- та мікроЕОМ.

У загальних рисах роботу комп’ютера можна описати так.

1. З зовнішнього пристрою вводиться програма.

2. Пристрій керування читає вміст комірки, у якій знаходиться перша інструкція (команда).

3. Пристрій керування переходить до наступної комірки або до тієї, куди потрібно виконати перехід (передача керування) залежно від якихось умов.

Таким чином, керуючий пристрій виконує інструкції автоматично, без втручання людини.

Структура мікроЕом

Мікропроцесор – це електронна схема, яка виконує всі обчислення та обробку інформації в ЕОМ.

Оперативна пам’ять ЕОМ – це електронна схема, яка містить програми, вихідні дані та кінцеві результати. Вся інформація після відключення живлення зникає з ОП.

КЕШ-пам’ять зберігає копії тих ділянок ОП, які використовуються найчастіше.

CMOS – пам’ять для зберігання параметрів конфігурації комп’ютера. Після відключення живлення інформація не зникає, тому що для її електроживлення використовується спеціальний акумулятор.

BIOS – вміст постійного запам’ятовуючого пристрою, базова система вводу–виводу (програми для перевірки пристроїв комп’ютера та виконання базових функцій щодо обслуговування пристроїв ЕОМ).

Контролер пристрою – це електронна схема, яка керує цим пристроєм. Кожний пристрій ЕОМ має свій контролер. Наприклад, контроллер клавіатури, або контролер дисків і т.д. Всі контролери взаємодіють з мікропроцесором і оперативною пам’яттю через системну магістраль передачі даних, яку ще називають шиною.

Тема 2. Апаратні засоби Лекція 3

Апаратне забезпечення – це технічні засоби, що забезпечують передачу й обробку інформації. Обчислювальна машина – це технічний пристрій, призначений для вводу, збереження, обробки і виводу інформації.

Термін "архітектура ЕОМ" використовується для опису найбільш загальних принципів дії, конфігурації основних логічних вузлів ЕОМ, а також взаємодії між ними. Архітектура обчислювальної системи описує принципи її роботи на функціональному рівні безвідносно до фізичної реалізації. З погляду архітектури становлять інтерес лише найбільш загальні зв’язки і принципи, властиві багатьом конкретним реалізаціям обчислювальних машин. Часто говорять навіть про сімейства ЕОМ, тобто групи моделей, сумісних між собою. У межах одного сімейства основні принципи функціонування машин однакові, хоча окремі моделі можуть істотно різнитися за продуктивністю, вартістю та іншими параметрами. До архітектури належать:

• структура пам’яті ЕОМ;

• способи доступу до пам’яті і зовнішніх пристроїв;

• можливість зміни конфігурації комп’ютера;

• система команд;

• формати даних;

• організація інтерфейсу.

Загальні принципи роботи обчислювальних пристроїв сформульовані Джоном фон Нейманом. У 1945 р. цей американський математик запропонував ввести до складу комп’ютера спеціальний пристрій для збереження команд і даних – пам’ять – і реалізувати можливість передачі керування від однієї програми до іншої, а також обґрунтував переваги використання бінарної системи для подання інформації та збереження програми як набору бітів у тій же самій пам’яті, що й інформації, яку ця програма обробляє.

У 1945 р. Джон фон Нейман підготував звіт, у якому визначив архітектуру й основні принципи роботи комп’ютера:

• Комп’ютер складається з процесора, пам’яті і зовнішніх пристроїв.

• Єдиним джерелом активності у комп’ютері є процесор, яким керує програма, що знаходиться в пам’яті.

• Пам’ять комп’ютера складається з комірок, кожна з яких має свою унікальну адресу. Кожна з комірок зберігає команду програми або елемент даних.

• У будь-який момент процесор виконує одну команду програми, адреса якої знаходиться в лічильнику команд.

• Інформація надходить у процесор з пам’яті або від зовнішніх пристроїв. Перетворення інформації відбувається тільки в регістрах процесора.

• Кожна команда програми містить такі розпорядження:

• з яких комірок взяти інформацію;

• які операції виконати з цією інформацією;

• в які комірки пам’яті помістити отриманий результат;

• як змінити вміст лічильника команд.

Процесор виконує команди програми відповідно до зміни вмісту лічильника команд, поки не дістане команду зупинитися.

Переважна більшість обчислювальних машин на сьогоднішній день має фон-нейманівську архітектуру. Але швидкодія комп’ютерів з фон-нейманівською архітектурою обмежена швидкістю світла, з якою електрони рухаються усередині схем ЕОМ. Тому дослідники піддають ревізії ці принципи структури ЕОМ. Однак підходи, засновані на заміні одного чи двох принципів Джона фон Неймана, не дали бажаних результатів. Причина невдач крилася в органічній єдності всіх трьох принципів. Найбільш успішну спробу ревізії традиційних принципів архітектури ЕОМ здійснив у середині 70-х років радянський учений академік В.М.Глушков.

У роботах В.М.Глушкова ревізії піддавалися всі три основні принципи Джона фон Неймана. Низький рівень машинної мови вступає в конфлікт з прагненням користувача застосовувати різноманітні і потужні засоби обробки даних. Лінійна організація пам’яті не адекватна складним типам даних, що застосовують у сучасних алгоритмічних мовах. Послідовне централізоване управління призводить до величезної кількості обмінів елементарними командами між центральним процесором і оперативною пам’яттю ЕОМ.

Академік Глушков запропонував принципи побудови машин не фон-нейманівського типу, здатних настроювати свою архітектуру на тип задач і максимально використовувати розпаралелювання алгоритмів. Ідеї Глушкова близькі до концепції ЕОМ п’ятого покоління. Така ЕОМ макроконвеєрного типу реалізована колективом вчених Інституту кібернетики АН УРСР. Макроконвеєрність означає, що алгоритм рішення задачі або класу задач розбивається на окремі незалежні блоки, що обмінюються між собою інформацією про виконання одночасно з високою швидкістю.