Структура
Связи компьютера, с помощью которых он может взаимодействовать с внешней по отношении к нему средой, можно подразделить на две группы:
с локальными периферийными устройствами;
с устройствами передачи данных на расстоянии.
Рисунок 6. Связи компьютера с окружающей средой.
Верхний уровень иерархии структуры компьютера можно представить себе как объединение системными внутренними связями множеств устройства ввода-вывода, оперативной памяти, центрального процессора.
Рисунок 7. Верхний уровень иерархической структуры компьютера.
Поэтому верхний уровень иерархии может быть представлен четырьмя основными компонентами:
Центральный процессор (ЦП), который выполняет функции обработки информации и управляет действиями всей системы.
Оперативная память, в которой хранятся исходные данные, промежуточные данные и вся необходимая для обработки информация.
Устройства ввода-вывода для общения компьютера с внешней средой.
Системные внутренние связи необходимые для обмена информацией всех остальных компонентов.
При дальнейшей декомпозиции (второй уровень) наибольший интерес представляет центральный процессор. Структуру центрального процессора можно представить как объединение множеств, представляющихся собой регистры, арифметическое и логическое устройство, устройство управления, с внутренними связями ЦП.
В состав структуры центрального процессора (иерархия второго уровня) также входят четыре компоненты.
Арифметическое и логическое устройство (АЛУ), назначение которого заключается в выполнении операций обработки.
Регистры, хранящие оперативную информацию, которая используется процессором при выполнении текущей операции.
Устройство управления (УУ)
Внутренние связи центрального процессора.
Рисунок 8. Второй уровень иерархической структуры компьютера – структура центрального процессора.
При рассмотрении третьего иерархического уровня – структуры устройства управления центрального процессора можно получить структура представленная на рисунке ниже.
Р
исунок
9. Третий уровень иерархической структуры
компьютера
Развитие компьютерной архитектуры.
Первое поколение вычислительных машин. Фон – неймановская вычислительная машина.
Первое поколение вычислительных машин представляло собой большое количество электровакуумных лам, соединенных огромным количеством электронных реле и соединительных кабелей.
Одним из участников разработки одного из первых электронных компьютеров ENIAC в начале 40-х годов прошлого века был Джон фон Нейман. Им было предложено решение, согласно которому, во-первых совмещено представление программы и данных в памяти компьютера, во-вторых, следует использовать двоичную арифметику. Реализация этих предложений известна сейчас как фон-неймановская вычислительная машина
Эта архитектура была представлена Джорджем фон Нейманом еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти и устройств ввода-вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы: программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе являются основой центрального процессора. Центральный процессор выбирает и исполняет команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается «счетчиком адреса» в блоке управления. Этот принцип исполнения называется последовательной передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать переменные - именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью дальнейшего использования в программе.
Архитектура этой машины и сейчас используется в большинстве современных вычислительных машин, оказав существенное влияние на развитие вычислительной техники. Схема этой машины дана на рисунке ниже.
Рисунок 10. Схема фон-неймановской вычислительной машины..
Машина фон Неймана состояла из пяти основных частей:
памяти;
АЛУ;
УУ;
устройств ввода;
устройств вывода.
Память составляла 4096 40-битных слов. Каждое слово содержало или 2 команды по 20 бит, или целое число со знаком на 40 бит.
Внутри АЛУ был особый внутренний 40-битный регистр, так называемый аккумулятор. Команда добавляла слово в аккумулятор из памяти или сохраняла содержимое аккумулятора в памяти. Но такая машина не выполняла арифметические операции с плавающей точкой.
Второе поколение
Дальнейшим шагом в развитии компьютерной техники стало появление в 1956 г транзисторов.
В середине 60-х годов основанная в 1957 году компания DEC (Digital Equipment Corporation) разработала модель PDP-8. Это12-битный компьютер, главным достижением которого стала шина (см. рис. ниже).
Рисунок
11. Шина компьютера PDP-8.
Шина представляла собой набор параллельных проводов для связи компонентов компьютера. Такая структура с тех пор стала доминирующей во всех последующих компьютерах компании DEC (фирма продала около 50000 компьютеров модели PDP-8).
Третье поколение
Появление кремневой интегральной схемы дало дальнейший толчок для развития компьютерной техники. Теперь уже на одну микросхему стало возможно помещать десятки транзисторов. Компьютеры на интегральных схемах стали меньшего размера и работали быстрее.
Результатом такого прогресса стало появление семейств сходных вычислительных машин, выпускаемых большинством компьютерных компаний. Например, IBM-360.
Еще одним достижением стало мультипрограммирование. В памяти компьютера теперь могло находиться несколько программ одновременно, при чем одна программа выполнялась, пока другая программа ждала окончания процесса ввода-вывода.
Четвертое поколение
Продолжением развития кремневых интегральных схем стало появление сверхбольших схем в 80-х годах. Это позволило помещать на одну плату сотни тысяч и даже миллионы транзисторов, что привело к появлению компьютеров меньшего размера и с более высокой скоростью работы. Началась эра персональных компьютеров.
Первый компьютер на базе серийного Intel 8086 в качестве центрального процессора появился в 1981 году.
В середине 80-х годов на смену компьютерам с полным набором команд процессора (Intel) пришли компьютеры с сокращенным набором команд (CELERON стоили дешевле, но за счет меньшего кол-ва команд работали медленнее).