Структурные схемы и взаимодействие устройств компьютера

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема ЭВМ первых поколений

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный информационный объект - файл.

Файл – идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций[3].

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. 3 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяют код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Он каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Отдельные признаки результатов r (r=0, r<0, r>0 и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на УВыв информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют несколько сотен различных операций (их количество зависит от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда – это простейшее элементарное преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд.

Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных
операций, что во многом объясняет ограниченные возможности используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки.

Тесно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор.

В схеме ЭВМ появились дополнительные устройства, которые имели такие названия: процессоры ввода-вывода, устройство управления обменом информацией, канал ввода-вывода. Последнее получило наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств ввода-вывода, и селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В персональных компьютерах, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис. 4). Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Рис. 4. Структурная схема ПК

Ядро ПК образуют процессор, основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), и видеопамять.

ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления.

Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и др., обеспечивается через соответствующие адаптеры – согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры – специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПК играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер – устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) – устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Способ формирования структуры ПК является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.

Центральное место в структуре ПК занимает шина.

Шина – это общий канал связи, используемый для обмена информацией между устройствами компьютера.

В первых ПК она была представлена просто набором проводников, предназначенных для передачи данных, адресов, питания и сигналов управления. По мере развития вычислительной техники, усложнения структуры компьютеров, увеличения быстродействия устройств и объемов пересылаемых данных, насыщения периферии разнообразными устройствами, в том числе и мультимедийными, единственная шина уже не могла обеспечить эффективной работы.

В современных ПК канал взаимодействия устройств компьютера представлен объединением большого количества шин, работающих в соответствии со старыми и новыми стандартами. Сохранение старых стандартов обеспечивает совместимость, то есть возможность работы с традиционными устройствами, подключаемыми к COM- и LPT-портам.

Организацию согласованной работы шин и устройств выполняют микросхемы системной логики, называемые чипсетом (Chipset).

Большинство наборов микросхем системной логики имеют ярко выраженную иерархическую структуру построения (рис. 5), отвечающую уровням высокоскоростных и низкоскоростных устройств ввода-вывода данных. Для последних микропроцессоров Pentium используется так называемая Hub-структура чипсета. При этом слово «hub» можно в равной степени понимать как коммутатор (устройство для соединения отдельных входов с определенными выходами) или концентратор (устройство, согласующее высокоскоростные каналы с менее скоростными).

Рис. 5. Hub-структура чипсета ПК

В структуре чипсета за работу высокоскоростных устройств ядра компьютераотвечает North Bridge, NB – северный мост (в некоторых наборах, например Intel 820, его называют Memory Controller Hub, MCH – контроллер памяти, он же и графический контроллер для управления видеосистемой через ускоренный графический порт Accelerated Graphics Port, AGP). Каналы передачи данных между процессором или двумя процессорами, видеопамятью и оперативной памятью имеют пропускную способность более 1 Гбайт/с.

Низкоскоростными устройствами ввода-вывода данных управляет South Bridge, SB (южный мост). В наборе Intel 820 он называется I/O Controller Hub – контроллер, обслуживающий низкоскоростные устройства ввода-вывода. Именно этот порт согласовывает стандарты обмена данными по различным шинам:

· ISA (Industrial Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура) была основной в 1981-1984 годах, несколько раз модернизировалась. Обеспечивает совместимость, надежность и скорость до 8 Мбайт/с при работе со стандартной периферией и данными 8, 16, 32 разрядности;

· MCA (Micro Cannel Architecture – микроканальная архитектура, разработка фирмы IBM 1988г.) обеспечивала лучшее использование возможностей периферийных устройств;

· EISA, (Extended Industrial Standard Architecture – расширенная промышленная стандартная архитектура, разработанная в 1988 г. сообществом фирм по инициативе фирмы Compaq в ответ на МСА) обеспечивает скорости до 33,32 Мбайт/с;

· VESA (Video Electronic Standard Association, иногда обозначается как VL-Bus, VLB – разработка комитетом Vesa при инициативе фирмы Nec в 1992-1994 годах) стандарт, обеспечивающий работу видеоадаптеров с повышением качества и эффективности работы видеосистем со скоростями 128 и более Мбайт/с. На его основе обмен данными между процессором и видеоадаптером выполнялся в обход шин ввода-вывода;

· PCI (Peripheral Component Interconnect – шина взаимосвязи периферийных компонентов, спецификация фирмы Intel) является неотъемлемым атрибутом компьютеров высокого класса, начиная с 1993 года) обеспечивает передачу данных с разрядностью, равной разрядности процессора. Частота работы шины – 33 МГц, что обеспечивает при 32 разрядности 32 бит ´ 33 МГц = 1056 Мбит/с, или 132 Мбайт/с. При 64 разрядности микропроцессора, например для Itanium2, скорость работы возрастает до 264 Мбайт/с;

· USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина, разработки фирмы Intel 1996-1998 гг., предназначенная для подключения нового поколения периферийных устройств: сканеров, принтеров, джойстиков, цифровых камер и др.) обеспечивает скорости передачи данных 12 Мбит/с (1,5 Мбайт/с) по 4 проводникам. Поддерживает подключение до 127 устройств. Новые версии стандарта имеют еще большие скорости. Для подключения стандартной периферии типа мыши и клавиатуры предусматривается «медленный» подканал со скоростью 1,5 Мбит/с.

Кроме перечисленных шин общего назначения на рис. 5 показаны шины, управляющие специфическими внешними устройствами:

– IDE, Integrated Drive Electronics, – интерфейс работы с жесткими дисками с интегрированным в него контроллером, с подключением до 4-х устройств со скоростями 33, 66 и даже 100 Мбайт/с;

– SCSI, Small Computer System Interface – интерфейс систем малых компьютеров, разрабатывался как альтернатива стандарту IDE с его достаточно скромными характеристиками. Новый стандарт является достаточно сложным, дорогим и уже не дисковым, а системным. Допускает последовательное подключение к основному адаптеру жестких дисков, стримеров, CD-ROM, сканеров и других устройств общим числом до 7 или 15 единиц, то есть 4 канала SCSI могут обеспечить подключение до 60 устройств. Скорость обмена данными может достигать 160 Мбайт/с;

– AC, Audio Codec, согласно спецификации AC’97, обеспечивает подключение модемов и звуковых карт для аналоговых звуковых сигналов (см. п. 2.4). Для подключения звуковых карт был разработан специальный слот AMR, Audio/Modem Riser. Цифровая обработка оцифрованных звуковых сигналов предполагается непосредственно в центральном процессоре – CPU, Central Processing Unit;

– SM – системная магистраль, используемая для мониторинга.

Следует учитывать, что все более широкое распространение получает новый стандарт последовательного интерфейса ввода-вывода Fire Wire или IEEE 1394, обеспечивающий работу со скоростями 400, 800 Мбайт/с и даже 3,2 Гбайт/с.

Уже только это перечисление шин ПК показывает, что взаимодействие устройств компьютера и организация ввода-вывода данных представляют собой сосредоточие очень многих проблем. Окончательная структура этой части компьютера еще очень далека от завершения[4].

История развития вычислительной техники показала, что самым узким местом ЭВМ является связь «процессор-память». Быстродействие памяти во многом определяет общую скорость последовательных вычислений. Поэтому мощность самых новейших микропроцессоров используется лишь на 25-30 %.

С точки зрения пользователя, желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворить этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В составе процессоров имеется сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками регистров с быстрым временем доступа, составляющим один такт процессора (наносекунды, нс). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно участвующие в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память, или память блокнотного типа. Она представляет собой буферное запоминающее устройство, предназначенное для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайт. В современных ПК она, в свою очередь, делится на кэш первого уровня L1 (Еп=16-64 Кбайт с временем доступа 1-2 такта процессора), кэш второго уровня L2 (Еп=128-512 Кбайт и более с временем доступа 3-5 тактов) и даже кэш третьего уровня, например, в микропроцессоре Itanium 2 (Еп=2-4 Мбайт с временем доступа 8-10 тактов). Кэш-память, как более быстродействующая, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Здесь возможна ассоциативная выборка данных. Основной объем программ пользователей и данных к ним размещается в оперативном запоминающем устройстве (емкость – миллионы машинных слов, время выборки – до 20 тактов процессора).

Часть машинных программ и наиболее часто используемых констант, обеспечивающих автоматическое управление вычислениями, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает более низкое быстродействие и очень большая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как абстрактную единую виртуальную (кажущуюся) память. Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работы с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Как видно из вышезложенного, полувековая история развития ЭВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ, которые не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие традиционные признаки:

– ядро ЭВМ – процессор – единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;

– линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;

– одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

– внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

– последовательное централизованное управление вычислениями;

– достаточно примитивные возможности устройства ввода-вывода.

Классическая структура ЭВМ уже сослужила добрую службу человечеству. В ходе эволюции она была дополнена целым рядом частных доработок, позволяющих ликвидировать наиболее «узкие места» и обеспечить максимальную производительность ЭВМ в рамках достигнутых технологий. Однако, несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура не обеспечивает возможностей дальнейшего наращивания производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом ее существенных недостатков:

1. практически исчерпаны структурные методы повышения производительности ЭВМ;

2. плохо развиты средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие массивы данных и др.);

3. несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

4. примитивная организация памяти ЭВМ;

5. низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную обработку и т.п.

Все эти недостатки аппаратуры приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, привлекаемого для подготовки и решения задач пользователей.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них «встроенного искусственного интеллекта» предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользователей с ЭВМ (использование аудио, видео информации, систем мультимедиа и др.), обеспечения доступа к информационным хранилищам (базам данных и базам знаний) организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения. Они становятся экономически более выгодными. Вероятно, подобными системами будут обслуживаться большие информационные хранилища.

Дата добавления: 2014-12-29