Понятие архитектуры и принципы устройства вычислительных систем

Архитектура – один из основных терминов, используемых в области вычислительной техники. Архитектуру вычислительных систем (ВС) в данном случае можно определить как абстрактное представление или описание физической системы, ее устройства с точки зрения пользователя ВС.

Современные ВС всегда рассматриваются как комплекс, совокупность двух взаимодействующих компонентов: аппаратуры и программного обеспечения.

Аппаратные средства (hardware) – это все физические (механические, электронные и т.п.) элементы, из которых построена машина, а программное обеспечение (software, ПО) – это комплекс программ, ассоциирующихся с данной ВС, превращающий аппаратные средства в универсальное вычислительное устройство, предназначенное для решения разнообразных задач пользователей; кроме того, к ПО относится программная документация, инструкции, руководства и т.п.

Архитектура определяет логическую схему организации ВС, описывающую состав и взаимодействие основных компонентов ВС в ходе вычислительного процесса.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом (1945 году). Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.

Положения фон Неймана:

• принцип двоичного кодирования - вся информация кодируется в двоичном виде;

• принцип программного управления - процесс обработки информации в ЭВМ (вычислительный процесс) осуществляется в соответствии с заранее составленной программой. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности;

• принцип однородности памяти - программы и данные хранятся в одной и той же памяти;

• принцип адресности - память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в любой момент времени доступна любая ячейка.

К настоящему время принципы фон Неймана дополнены рядом других принципов:

принципом открытой архитектуры. Эта архитектура, во-первых, использует принцип взаимозаменяемости, т.е. использования для сборки ПК узлов от разных производителей (но соответствующих определенным соглашениям), а во-вторых, предоставляет возможность доукомплектования ПК, наращивания его мощности уже в ходе эксплуатации ПК.

Процессор – это устройство, способное автоматически выполнять действия в соответствии с программой, записанной в памяти, непосредственно доступной этому устройству. Таким образом, непосредственную обработку данных осуществляет процессор, а память играет в машинах с традиционной архитектурой пассивную роль хранилища данных и программ. Эти устройства ВС являются центральными устройствами. Кроме того, в состав ВС включаются периферийные устройства (ПУ), или внешние устройства (внешние запоминающие устройства (ВЗУ), устройства ввода/вывода (УВВ) и т.п.). Программа на время выполнения записывается в память ЭВМ (оперативную, непосредственно доступную процессору память – ОП), там же хранятся и данные, обрабатываемые этой программой в текущий момент. Команды и данные помещаются в ячейки памяти, доступ к которым осуществляется по адресу (номеру ячейки).

Компьютеры с традиционной архитектурой строго последовательные.

В компьютерах с традиционной архитектурой реализуется линейная последовательная организация памяти. Это означает, что вся память представляет собой линейный массив ячеек определенного размера, последовательно пронумерованных. Номер ячейки считается ее адресом. В большинстве современных ЭВМ минимально адресуемой единицей памяти является байт (8-разрядная ячейка).

Процессор – это центральное устройство, выполняющее действия по программам, размещенным в оперативной памяти, управляющее работой других устройств. В компьютерах с архитектурой фон Неймана реализуется централизованное последовательное управление: процессор выполняет команды строго в установленной последовательности, выбирая их из памяти по одной, переход к выполнению следующей команды происходит только после выполнения предыдущей.

Шина представляет собой совокупность линий, предназначенных для передачи единицы информации (команды, данных, адреса или управляющих сигналов) между устройствами компьютера.

Принцип использования двоичной системы для кодирования данных и команд программы, низкий уровень машинного языка. Это вызывает семантический разрыв между архитектурой компьютеров и многомерными данными об объектах реального мира, которые с помощью компьютеров обрабатываются, а также разнообразными управляющими структурами данных, используемыми для описания алгоритмов обработки данных.

В настоящее время одним из основных направлений усовершенствования архитектуры является увеличение степени параллелизма при выполнении программ, обработке данных.

Одним из революционных достижений в области вычислительной техники явилось создание персональных компьютеров. Большие ЭВМ были отделены от массового пользователя, с ними работали только специалисты (электронщики, программисты, операторы). Рождение персонального компьютера сделало компьютер массовым инструментом.

Дата добавления: 2014-01-05