Архитектура и принципы работы компьютера
Согласно фон Нейману, универсальная ЭВМ должна строиться на следующих принципах:
1. В основе работы ЭВМ лежит программный принцип, согласно которому все вычисления выполняются путем последовательного выполнения команд программы ЭВМ.
2. Принцип хранимой программы означает, что программы и данные во время выполнения программы хранятся в одном адресном пространстве в оперативной памяти и различаются не по способу кодирования, а по способу использования.
3. Использование двоичного кодирования при хранении и обработке данных в ЭВМ. Отдельные разряды двоичного числа объединяются в более крупные единицы, называемые словами.
4. Слова данных размещаются в ячейках памяти. Каждая ячейка памяти имеет адрес, по которому происходят запись или считывание слов данных и программ.
К настоящему время принципы фон Неймана дополнены рядом других принципов:
- открытая архитектура, означающая, что в основе разработки новых ЭВМ лежат общедоступные стандарты, которые унифицируют взаимодействие различных типов оборудования и отдельных технических узлов ЭВМ. Использование при разработке оборудования открытых стандартов позволяет разным производителям разрабатывать для ЭВМ новые аппаратные средства, заменяющие или дополняющие существующее оборудование;
- модульность построения технической архитектуры состоит в том, что вся ЭВМ состоит из отдельных функционально и конструктивно законченных модулей. Соблюдение этого принципа упрощает процедуру замены устаревших или неработоспособных узлов ЭВМ на современные или рабочие;
- стандартизация технических устройств ЭВМ означает, что все устройства ЭВМ согласованы по своим электрическим, электромагнитным параметрам, протоколам работы, габаритам и т.д.;
- принцип микропрограммирования, заключающийся в том, что машинный язык не является конечной субстанцией, приводящей в действие процессы в ЭВМ. Процессор имеет в своем составе блок микропрограммного управления. Этот блок для каждой команды на машинном языке генерирует последовательность действий-сигналов для физического выполнения требуемой машинной команды.
Фон – Нейман представлял ЭВМ в виде наличия следующих устройств и выполняемых ими функций:
машина должна состоять из основных органов: орган арифметики, памяти, управления и связи с оператором, чтобы машина не зависела от оператора;
она должна запоминать не только цифровую информацию, но и команды, управляющие программой, которая должна проводить операции над числами;
ЭВМ должна различать числовой код команды от числового кода числа;
у машины должен быть управляющий орган для выполнения команд, хранящихся в памяти;
в ней также должен быть арифметический орган для выполнения арифметических действий;
и, наконец, в её состав должен входить орган ввода-вывода
Назначение и взаимодействие основных устройств компьютера Выполнение программы процессором
В основе архитектуры любого современного процессора имеется несколько обязательных конструктивных элементов:
Процесс выполнения одной команды программы состоит из нескольких этапов. Прежде всего, команда выбирается из кэш-памяти процессора. Этот этап называется выборкой. После этого выбранная команда декодируется в машинные команды процессора.
Данный этап называется декодированием. Далее машинные команды процессора поступают в исполнительный блок.
Под вычислительной системой (ВС) понимается совокупность взаимосвязанных и одновременно функционирующих аппаратно-программных вычислителей, которые реализуют параллельные процессы решения сложных задач, и обладают возможностями автоматической настройки своей структурно-функциональной организации на особенности решаемых задач. Такие ВС получили название высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).
Выделяют четыре класса архитектур вычислительных систем.
Первый класс ВС называют SISD (Single Instruction stream / Single Data stream) системой или ОКОД (одиночный поток команд и одиночный поток данных) системой. Данный класс представлен однопроцессорной ЭВМ. Под потоком команд понимается любая их последовательность, поступающая для исполнения вычислительным средством (ЭВМ или процессором). При выполнении команд потока требуются операнды (данные), следовательно, поток команд «порождает» поток данных. Таким образом, SISD-архитектура предопределяет такое функционирование ЭВМ, при котором один поток команд управляет обработкой одного потока данных (рис. 3.4а).
Второй класс ВС обозначается как MISD (Multiple Instruction Single Data) система или МКОД (многократный поток команд и однократный поток данных) система. Процессоры МПВС, одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных (рис. 3.5б). Такие МПВС получили название магистральных или конвейерных ВС.
К третьему классу относят SIMD (Single Instruction Multiple Data) системы или ОКМД (одиночный поток команд и множественный поток данных) системы. Процессоры МПВС выполняют одну команду над различными данными (рис. 3.4в). МПВС данного типа относят к векторными ВС.
а - SISD (однопроцессорная), б - MISD (конвейерная); в - S1MD (векторная); г - MIMD (матричная)
Рис. 3.5 Структуры вычислительных систем.
Четвертый класс представляет MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) системы или МКМД (множественный поток команд и множественный поток данных) системы (рис. 3.4г) В таких системах поток команд обрабатывает несколько потоков данных. МПВС данного типа называются матричными ВС.
В виде МПВС создаются и функционируют различные виды мэйнфреймов или суперкомпьютеров. Мэйнфреймы характеризуются наивысшим уровнем производительности и надежности, рассчитаны на практически любые уровни нагрузки, обладают высокой устойчивостью к сбоям и авариям. Они обеспечивают решение любых задач, требующих больших вычислительных ресурсов: от метеорологических прогнозов и изучения управляемого термоядерного синтеза до исследований генома человека и разведки нефти и газодобычи.
Быстродействие мэйнфреймов согласно рейтинга 500 самых высокопроизводительных суперкомпьютеров (http://WWW.top500.org) достигает величины 2,5 Pflops, (1 Pflops=1015flops) т.е. 2,5 квадриллиона операций с плавающей точкой в секунду.