Понятие архитектуры компьютеров

Во время своей работы любой компьютер выполняет автоматическое управление процессом решения разнообразных классов задач за заданным алгоритмом, реализованным в виде программы. Поэтому в отличие от всех других устройств, созданных человеком, компьютер есть программированным устройством, которое выполняет автоматическую обработку цифровой информации, и ее функционирования базируется на двух основных принципах:

1) на принципе программного управления, предложенный английским математиком Чарльзом Бебиджем еще в 1883 году. В соответствии с этим принципом все действия компьютера выполняются под управлением программы, которая состоит из последовательности команд;

2) на принципе хранимое в памяти программы, который сформулирован в 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом. В соответствии с этим принципом, закодирована в цифровом виде программа сохраняется в памяти компьютера вместе с данными. При этот те же самые команды могут выбираться из памяти на выполнение многократно, например, при реализации циклических алгоритмов или при вызове процедур.

Для обеспечения универсальности программ, то есть программа должна успешно работать с любыми данными в границах допустимого для всей задачи диапазона, коды команд и данных сохраняются в памяти в отдельности (в разных сегментах), и команда, как правило, оперирует не непосредственно числами, а адресами тех ячеек памяти, где эти числа сохраняются.

Под архитектурой объекта в общем случае понимается совокупность приемов, внешних и внутренних его характеристик, которые используются для классификации, создания и эксплуатации объектов.

Компьютер, как объект, представляет собой определенным образом организованную вычислительную систему (среду), архитектурные характеристики которой позволяют проектировщикам, создателям и пользователям на соответствующих стадиях жизни компьютера принимать решения о реализации его возможностей.

Архитектурные особенности компьютера связаны с особенностью его построения и функционирования как аппаратно-программного комплекса. С целью унификации и упрощения задач управления и обслуживания современных компьютеров применяется выполнение аппаратных и программных средств в виде отдельных модулей, при этом различные функции компьютера могут быть реализованы как аппаратно, так и программно. Приходится устанавливать глубину аппаратного или программного "проникновения" в выполнение любой функции. Решение этой проблемы связано с реализацией аппаратно-программной стыковки (интерфейсов) между соответствующими модулями на всех уровнях организации компьютеров.

Архитектура компьютера представляет собой совокупность средств, приемов, правил, абстракций и характеристик, которые порождают конкретную реализацию и которые можно использовать как классификационные признаки отличия вычислительных систем.

Вычислительная система может быть представлена состоящей из центральной части (одного или нескольких процессоров, выполняющих преобразование информации, и оперативной памяти), средств связи (каналов) и периферийных устройств (устройств ввода-вывода, отображения и запоминания информации). Каждая из этих частей может содержать аппаратные средства (электронные микросхемы малой интеграции (МИС), средней (СИС), большой (БИС) и сверхбольшой интеграции (СБИС), электронные и электрические узлы и блоки, механические узлы (устройства, разъемы)), микропрограммные средства (записанные в постоянную память программы управления передачей команд и данных в различных физических компонентах вычислительной системы) и программные средства (системные программы, операционная система, различные утилиты, прикладные программы). Объединение однотипных средств различных частей вычислительной системы образуют аналогичные средства вычислительной системы в целом.

Примером приемов может служить применение специальных таблиц для определения адреса расположения информации в памяти. В простом случае таблицы содержат имена данных и адреса их расположения в памяти. В более сложном случае таблицы содержат служебную информацию (дескрипторы), с помощью которой устанавливаются необходимые адреса памяти.

К правилам относятся алгоритмы взаимодействия процессора с терминальными устройствами, алгоритмы выполнения команд, методы вычисления физических адресов памяти и др.

Под абстракциями понимаются уровни архитектуры, определяющие принципы организации вычислительной системы и функции процессора. В качестве примера можно выделить следующие уровни абстракции архитектуры вычислительной системы:

- архитектура системы - разделяет функции по обработке данных, выполняемые системой и внешней средой (пользователями), при этом связь системы с внешней средой производится через два набора интерфейсов -языки программирования и системные программы;

- архитектура аппаратно-программной границы - устанавливает границу между аппаратным обеспечением (электронными логическими схемами и микропрограммами) и операционной системой (программным обеспечением управления функционированием компьютера);

- архитектура микропрограммного управления - задает границу выполнения операций с помощью логических электронных схем и с по­мощью микропрограмм (программ, записанных в постоянной памяти);

- архитектура программного обеспечения - устанавливает уровни разделения используемых языков, модулей и приемы их построения;

- архитектура процессора - устанавливает организацию процессора и интерфейса между процессором и каналами связи;

- архитектура каналов связи - определяет взаимодействие процессоров с периферийными устройствами;

- мультипроцессорная архитектура - устанавливает разделение функций между процессорами и их взаимосвязь.

Приведенные примеры уровней архитектурных решений не претендуют на достаточную полноту. Для каждого из приведенных уровней можно выделить подуровни. Можно расширить перечень самих уровней, например, выделить сетевую организацию связи компьютеров.

Применение характеристик для описания архитектурных особенностей позволяет в краткой и наглядной форме установить отличительные признаки рассматриваемых объектов. Это особенно удобно, если характеристиками являются числовые показатели. Примером этого может служить количество проводников интерфейса (ширина интерфейса), количество процессорных тактов при выполнении команд, степень интеграции микросхем, количество используемых уровней иерархии памяти, количество микроопераций, количество команд и их структура, количество уровней защиты, способов адресации и др..

Из данных примеров видно, что описание архитектуры компьютера не формализовано, что вызывает определенные затруднения при построении многоуровневой классификации вычислительных систем.

В настоящее время установились такие понятия как программная и аппаратная архитектура компьютера, что отражает специфику компьютера как аппаратно-программного комплекса. Каждое из этих понятий нуждается в дальнейшей детализации, реализация которой определяется задачей, поставленной при изложении материала.

Аппаратная архитектура может быть разделена на структурную, схемотехническую и конструкторскую архитектуру. Каждое из этих направлений имеет свою отличительную совокупность показателей, которые могут претендовать на самостоятельное рассмотрение. Структурные показатели позволяют установить наличие функциональных модулей (блоков) и их взаимосвязь в компьютере. Схемотехнические показатели могут касаться характеристик используемого микропроцессорного комплекса. Конструкторские показатели связаны с выявлением особенностей принятых конструкторских решений. Последние могут оказаться решающими для персональных компьютеров (ПК) при реализации требования расширения их возможностей, т.е. построения ПК с открытой архитектурой.

Выделение показателей структурной, схемотехнической и конструкторской архитектуры, на наш взгляд, представляет интерес не только для разработчиков, но и для эксплуатационного персонала, который, пользуясь ими, может принять ряд важных решений по организации эксплуатации ПК.

Программная архитектура рассматривает архитектурные показатели компьютера с точки зрения программиста. Детализация программной архитектуры выделяет архитектурные характеристики центральной части ПК и архитектурные характеристики остальных основных функциональных модулей ПК. При этом рассматриваются структуры данных, система сигналов и команд, способы адресации, программно доступные средства, методы управления и основные режимы работы.

Дата добавления: 2014-01-07