<<
>>

Архитектура компьютера

Архитектурой компьютера называется его описание на некото- ром общем уровне, включающее в себя описания пользователь- ских возможностей программирования, системы команд, систе- мы адресации, организации памяти и т.д.
Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соеди- нение основных логических узлов компьютера: процессора, опе- ративного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Наиболее распространены следующие архитектурные реше- ния.

Классическая архитектура. Классическая архитектура (архитек- тура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство, через которое проходит поток данных, и одно устройство управ- ления, через которое проходит поток команд — программа (см. рис. 2.5). Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архи- тектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной (рис. 2.7). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магист- ралью, или системной шиной.

Системная магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину уп- равления. Шины представляют собой многопроводные линии.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в опе- ративную память для хранения. Таким образом, данные по шине

Рис. 2.7. Магистрально-модульное устройство компьютера

данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процес- сора, т.е. числом двоичных разрядов, которые процессор обраба- тывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличи- вается и в настоящее время составляет 64 бит.

Шина адреса. Выбор устройства, или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство, или ячейка оператив- ной памяти, имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении: от про- цессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. число ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Число адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле

N = 2\

где 1 — разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивается и в совре- менных персональных компьютерах составляет 32 бит. Таким об- разом, максимально возможное число адресуемых ячеек памяти

N = 2“= 4294967 396.

Шина управления. По шине управления передаются сиг- налы, определяющие характер обмена информацией по магист- рали. Сигналы управления определяют, какую операцию, считы- вание или запись информации из памяти нужно производить; син- хронизирует обмен информацией между устройствами и т.д.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к системной магистрали через специальные контроллеры.

Контроллер — устройство* которое связывает периферийное обо- рудование или каналы связи с системной магистралью центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Существуют другие варианты построения однопроцессорных компьютеров, например применяемые известной компанией Apple Macintosh.

CISC-архитектура. Машины семейства IBM PC относятся к так называемой CISC-архитектуре компьютеров (CISC — Complete Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд).

В системах команд процессоров, построенных по этой архитекту- ре, для каждого возможного действия предусмотрена отдельная команда.

Например, система команд процессора Intel Pentium состоит более чем из 1000 различных команд. Чем шире система команд, тем больше требуется бит памяти для кодирования каждой от- дельной команды.

Если, например, система команд состоит всего из 4 действий, то для их кодирования требуется 2 бит памяти; для 8 возможных действий требуется 3 бит памяти; для 16 — 4 бит и т.д. Таким образом, расширение системы команд влечет за собой увеличе- ние числа байт, выделяемых под одну машинную команду, а сле- довательно, и объема памяти, требуемой для записи всей про- граммы в целом.

Кроме того, увеличивается среднее время выполнения одной машинной команды, а следовательно, и среднее время выполне- ния всей программы.

RISC-архитектура. В середине 1980-х гг. появились первые про- цессоры с сокращенной системой команд» построенные по так называемой RISC-архитектуре (RISC — Reduce Instruction Set Computer — компьютер с усеченной системой команд).

К архитектуре RISC относятся достаточно широко известные машины компании Apple Macintosh, которые имеют систему ко- манд» обеспечивающую им в ряде случаев более высокую произ- водительность по сравнению с машинами семейства IBM PC. Еще одно важное отличие этих машин состоит в том, что многие воз- можности, которые в семействе IBM PC обеспечиваются путем приобретения, установки и настройки дополнительного оборудо- вания, в машинах семейства Macintosh являются встроенными и не требуют никакой настройки оборудования.

В качестве высокопроизводительных серверов достаточно часто используются машины семейств Sun Microsystems, Hewlett Packard и Compaq, которые также относятся к RISC-архитектуре. В каче- стве представителей других архитектур можно упомянуть еще и семейства переносных компьютеров классов Notebook (портатив- ные).

Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере несколь- ких процессоров означает, что параллельно может быть организо- вано много потоков данных и много потоков команд.

Таким обра- зом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов од- ной задачи. Структурная схема такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 2.8.

Важной составной частью аппаратной реализации любого ком- пьютера является процессор.

Центральный процессор в общем случае содержит:

• арифметико-логическое устройство;

• шины данных и шины адресов;

• регистры;

• счетчики команд;

• кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцес- соров.

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямо- угольной формы площадью всего несколько квадратных милли- метров, на которой размещены схемы, реализующие все функ- ции процессора.

Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или плоский керамический корпус и соединяется золотыми провод- ками с металлическими штырьками, чтобы его можно было при- соединить к системной плате компьютера.

Память компьютера построена на триггерах (хранение одного бита информации реализуется с помощью триггера, см. подразд. 2.2), объединенных в группы по 8 бит, которые называются бай- тами (единицы измерения памяти совпадают с единицами изме- рения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта на- зывается его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются так- же словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — 2, 4 или 8 байт. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное сло- во).

Рис. 2.8. Многопроцессорная архитектура

Организация внутренней памяти
Байт 0 Байт 1 Байт 2 Байт 3 Байт 4 Байт 5 Байт 6 Байт 7
ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО
слово слово
ДВОЙНОЕ слово

Как правило, в одном машинном слове может быть представ- лено либо одно целое число, либо одна команда.

Однако допуска- ются переменные форматы представления информации. Разбие- ние памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представ- лено в табл. 2.16.

В основу архитектуры современных персональных компьюте- ров положен магистрально-модульный принцип построения, ко- торый позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.

Такой подход еще называют принципом «открытой архитекту- ры». Если бы современный компьютер был сделан так же, как другие, существовавшие до его появления компьютеры, то он бы устарел через два-три года и мы бы давно уже о нем забыли. Дей- ствительно, кто сейчас помнит о моделях телевизоров, телефонов или даже автомобилей двенадцатилетней давности!

На основной электронной плате компьютера (системной, или материнской, плате) размещены только те блоки, которые осу- ществляют обработку информации (вычисления). Схемы, управ- ляющие всеми остальными устройствами компьютера (монито- ром, дисками, принтером и т.д.), реализованы на отдельных пла- тах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате — слоты. К этим электронным схемам подводится электро- питание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в общий металлический или пластмассовый корпус — системный блок.

Наибольшую выгоду от открытости архитектуры получили, естественно, пользователи. Они получили возможность самосто- ятельно расширять возможности своих компьютеров, покупая со- ответствующие устройства и подсоединяя их в свободные разъе- мы на системной плате. При этом они не были связаны ассорти- ментом моделей, предлагаемых фирмой 1ВМ, так как могли по- купать дополнительные устройства, производимые независимы- ми фирмами. Они могли сэкономить деньги, ориентируясь при покупке компьютеров на свои сегодняшние, а не будущие по- требности — ведь при необходимости компьютер можно модер- низировать.

1.

2.

<< | >>
Источник: Калмыкова Е. А.. Информатика. 2012

Еще по теме Архитектура компьютера:

  1. Таненбаум Э.. Архитектура компьютера. 5-е изд, 2007
  2. Степанов А. Н.. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей, 2007
  3. Архитектура
  4. Молитва о возрождении на Земле Священной Архитектуры
  5. Откровение Мастеров. Архитектура – наука о Времени
  6. Компьютеры, компьютеры, компьютеры!
  7. Мозг и компьютер.
  8. Мозг и компьютер.
  9. Компьютер – друг человека или враг
  10. 5.2.17. Укрепления благосостояния своих лучших сотрудников для увеличения функциональности всех элементов, составляющих структуру и архитектуру цели
  11. По пути наименьшего сопротивления. Построение гороскопа на компьютере
  12. Богомазова Г.Н.. Установка и обслуживание программного обеспечения персональных компьютеров, серверов, периферийных устройств и оборудования, 2015
  13. Надо выдернуть кабель, который «подводит интернет» в ваш компьютер.