Архитектура ЭВМ. В настоящее время для компьютера наиболее распространены следующие архитектурные решения [72]:

В настоящее время для компьютера наиболее распространены следующие архитектурные решения [72]:

· классическая архитектура - одно АЛУ, через которое проходит поток данных, и одно УУ, через которое проходит поток команд – программа (это однопроцессорный компьютер или компьютер с общей шиной). Все функциональные блоки в ней связаны между собой общей шиной (или системной магистралью). Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройства управления периферийными устройствами (рис. 3.9).

Контроллер - устройство, связывающее периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования;

· многопроцессорная архитектура – предполагает наличие в компьютере нескольких процессоров, что обеспечивает параллельно много потоков данных и команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи;

· многомашинная вычислительная система – включает несколько процессоров, имеющих свою локальную память. Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко;

· архитектура с параллельными процессорами - несколько АЛУ работают под управлением одного УУ (множество данных может обрабатываться по одной программе - то есть по одному потоку команд).

Рис. 3.9. Архитектура компьютера открытого типа, основанная

а использовании общей шины

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип (рис. 3.10).

Магистраль (системная шина) - это набор электронных линий, связывающих центральный процессор, основную память и периферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти.

Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать компьютер нужной ему конфигурации и производить при необходимости ее модернизацию.

Рис. 3.10. Магистрально-модульный принцип строения ЭВМ

Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией. Процессор выполняет арифметические и логические операции, взаимодействует с памятью, управляет и согласует работу периферийных устройств.

Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по образующим магистраль трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули, - шине данных, шине адресов, шине управления. Разрядность шины определяется количеством бит информации, передаваемых по шине параллельно.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Разрядность шины данных определяет число двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. За 25 лет, прошедших со времени создания первого персонального компьютера (1975 г.), разрядность шины данных увеличилась с 8 до 64 бит.

Шина адреса. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2 ⁿ, где n - разрядность шины адреса.

В первых персональных компьютерах разрядность шины адреса составляла 16 бит, а количество адресуемых ячеек памяти - N= 2¹⁶= 65536.

В современных персональных компьютерах разрядность шины адреса составляет 32 бита, а максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно: N=2³²=4 294 967 296. Выбор абонента по обмену данными производит процессор, формируя код адреса данного устройства, а для ОЗУ - код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к устройствам (однонаправленная шина).

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.

В архитектуре компьютера открытого типа, основанной на использовании общей шины контроллеры подключаются к шине специальными устройствами - портами ввода-вывода (рис. 3.9). Каждый порт имеет свой номер, и обращение к нему процессора происходит, также как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними.

К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.11.

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине. Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате - слоты расширения.

Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС (сверх большая интегральная схема). Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой.

Хотя архитектура компьютера осталась прежней, структура современного персонального компьютера имеет вид, представленный на рис. 3.12.

Рис. 3.11. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Рис. 3.12. Структура персонального компьютера

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого в состав микросхемы центрального контроллера включены устройства, которые поддерживают работу компьютера. К ним относятся системный таймер; устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и памятью в периоды, когда это не требуется процессору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запросы внешних устройств, имеющих данные для передачи.

Функциональный контроллер - это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Для подключения специфических устройств часть общей шины, соединяющая центральный и функциональный контроллеры, имеет слоты расширения для установки плат контроллеров.

§ 3.5. Классификация ЭВМ

Существует много систем классификации ЭВМ. Рассмотрим наиболее часто упоминающиеся в технической литературе и средствах массовой информации.

Классификация по типу обрабатываемых данных [48]:

· цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде числовых двоичных кодов;

· аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины, которые являются аналогами вычисляемых величин.

Классификация по назначению - один из методов классификации, связанный с способами применения компьютеров. По этому принципу различают супер ЭВМ, большие ЭВМ (электронно-вычислительные машины), мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и персональные компьютеры (рис. 3.13), которые, в свою очередь, подразделяют на массовые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие станции.

Рис. 3.13. Классификация ЭВМ по сферам применения и методам использования

Суперкомпьютер (supercomputer) - предназначен для высокоскоростного выполнения прикладных процессов. В 1976 г. корпорация Cray Research изготовила первый сверхбыстродействующий компьютер, образовав новый класс компьютеров.

Суперкомпьютер может иметь один процессор, и тогда в нем одна последовательность команд работает с одним потоком данных. Вместе с этим большие скорости обработки данных можно получить лишь в многопроцессорных системах. Поэтому во всех последующих архитектурах степень параллельной обработки возрастает. Растет соответственно и число входящих в суперкомпьютер процессоров. В дополнение к обычным (скалярным) подключаются векторные процессоры. В первом случае обрабатываются скалярные величины, а во втором - векторные.

Внедрение суперкомпьютеров долго сдерживалось отсутствием развитого программного обеспечения. В настоящее время ситуация изменяется, появились языки, предназначенные для параллельной обработки, все больше предлагается эффективных операционных систем. Суперкомпьютеры выпускаются значительным числом фирм. Корпорация IBM создала суперкомпьютер в одном кристалле интегральной схемы (ИС).

Базовый (большой) компьютер - mainframe - основной тип компьютера, используемый в больших информационных сетях, работает с большой скоростью и по производительности уступает суперкомпьютеру, но охватывает более широкий круг решаемых задач. С другой стороны, он превосходит мини-компьютер по скорости работы и сложности выполняемых прикладных процессов. Мэйнфрейм обладает относительно большой оперативной памятью и предоставляет свои ресурсы через коммуникационную сеть большому числу пользователей. Вследствие сказанного, базовые компьютеры принимают на себя основные потоки обработки данных.

Компьютер работает одновременно с несколькими задачами и, соответственно, с несколькими пользователями. Он поочередно переключается с одной задачи на другую и делает это настолько быстро и часто, что у каждого пользователя создается впечатление, будто компьютер работает только с ним. Такое распределение ресурсов вычислительной системы носит название принципа разделения времени.

Мини-ЭВМ отличаются уменьшенными размерами, меньшей производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями, банками и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научной.

На промышленных предприятиях мини-ЭВМ управляют производственными процессами, но могут сочетать управление производством с другими задачами. Для организации работы мини-ЭВМ требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ.

Микро-ЭВМ применяются на многих предприятиях. Обслуживание компьютера осуществляется вычислительной лабораторией в составе нескольких человек (а не вычислительный центр). В число сотрудников лаборатории обязательно входят программисты, но разработкой программ они не занимаются. Необходимые системные программы обычно приобретаются вместе с компьютером, а разработку нужных прикладных программ заказывают более крупным вычислительным центрам или специализированным организациям. Программисты, обслуживающие микро-ЭВМ, часто сочетают в себе функции системных и прикладных программистов одновременно.

Персональные компьютеры (ПК) - категория компьютеров для обслуживания рабочего места, получившая бурное развитие в течение последних двадцати лет. Широкую популярность ПК получили после 1995 г. в связи с развитием Интернета. Их достаточно для использования во всемирной сети в качестве источника научной, справочной, учебной, культурной и развлекательной информации.

До последнего времени модели ПК условно рассматривали в двух категориях: бытовые и профессиональные. Бытовые модели, как правило, имели меньшую производительность, но в них были приняты особые меры для работы с цветной графикой и звуком, чего не требовалось для профессиональных моделей.

В связи с удешевлением средств вычислительной техники границы между профессиональными и бытовыми моделями в значительной степени стерлись и сегодня в качестве бытовых нередко используют высокопроизводительные профессиональные модели, а профессиональные модели, в свою очередь, комплектуют устройствами для воспроизведения мультимедийной информации, что ранее было характерно для бытовых устройств.

При этом под термином мультимедиа подразумевается сочетание нескольких видов данных в одном документе (текстовые, графические, музыкальные и видеоданные) или совокупность устройств для воспроизведения этого комплекса данных.

Начиная с 1999 г. в области ПК начал действовать международный сертификационный стандарт - спецификация РС99. Он регламентирует принципы классификации ПК и рекомендуемые требования к каждой из категорий:

· Consumer PC (массовый ПК);

· Office PC (деловой ПК);

· Mobile PC (портативный ПК);

· Workstation PC (рабочая станция);

· Entertainmemt PC (развлекательный ПК).

Согласно спецификации РС99 большинство продающихся ПК попадают в категорию массовых. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств создания соединений удаленного доступа, то есть средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК - к средствам воспроизведения графики и звука.

Классификация по уровню специализации – ПК подразделяются на универсальные и специализированные. На базе универсальных ПК можно собирать вычислительные системы произвольного состава (состав компьютерной системы называется конфигурацией).

Специализированные ПК предназначены для решения конкретного круга задач. К ним относятся бортовые ПК автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов и т.д.

Специализированные компьютеры, объединяющие ПК предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу данных внутри всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами.

Классификация по типоразмерам -различают настольные (desktop), портативные (notebook), карманные (palmtop) модели. Недавно появились устройства, сочетающие возможности карманных персональных компьютеров и устройств мобильной связи (по-английски они называются PDA, Personal Digital Assistant).

Классификация по совместимости. От совместимости работы ПК между собой зависит взаимозаменяемость узлов и приборов, предназначенных для разных компьютеров, возможность переноса программ с одного компьютера на другой и возможность совместной работы разных типов компьютеров с одними и теми же данными.

Аппаратная совместимость – по ней различают, так называемые, аппаратные платформы. Среди ПК наиболее широко распространены аппаратные платформы: IBM PC и Apple Macintosh.

Кроме аппаратной совместимости существуют и другие виды совместимости: совместимость на уровне операционной системы, программная совместимость, совместимость на уровне данных.

Классификация по типу используемого процессора - основной компоненты любого компьютера. В ЭВМ это специальный блок, а в ПК - специальная микросхема, которая выполняет все вычисления. Даже если компьютеры принадлежат одной аппаратной платформе, они могут различаться по типу используемого процессора.

Дата добавления: 2014-01-05