Архитектурная организация процессора

   Фон Нейман был  известен как известный математик и научная общественность приписала ему все идеи, лежащие в основе этой машины.

   Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства”. С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня. В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера. Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип “хранимой программы”. Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений. Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода.

   Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком.

   Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода. Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже. Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров “многоярусно” и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации).

   На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти. В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти. из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

   Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название “фон-неймановской архитектуры”.

   Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины). По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

                       1.3. Компоненты современного компьютера

   Это так называемые периферийные устройства. В системном блоке находятся компоненты, которые производят вычисления, в которых хранятся и обрабатываются данные. Так как из таких узлов состоит системный блок.

   Материнская плата - центром компьютера является самая большая плата - так называемая материнская плата (MotherBoard, MainBoard). Роль этой платы крайне важна: она является как бы связующим звеном между всеми компонентами компьютера, практически все устройства подключаются именно к материнской плате. Естественно от возможностей материнской платы во многом зависят возможности компьютера. Давайте посмотрим, из каких компонентов состоит материнская плата, и какие же компоненты подключаются к ней.

   Процессор – это самый обычный большой чип в компьютере. Процессор – это устройство который исполняет определенный набор команд (инструкций), а компьютерная программа -  это и есть последовательность тех самых инструкций.

   Ключевым принципом  построения памяти на ЭВМ является (ее иерархическая организация) организация (принцип, сформулированный еще Джоном фон Нейманом), которая предполагает использование в системе памяти компьютера.

   Сверхоперативная  память:

-оперативная память,

-кэш – память,

-постоянная память,

-адресная,

-ассоциативная,

-стековая память.

   Оперативная память компьютера или ОЗУ – это быстрое запоминающее устройство не очень большого объема, непосредственно связанное с процессором.

   Организация систем  адресации и команд. Технические  средства хранения информации.

   В процессе работы  процессор обрабатывает данные  находящиеся в его регистрах, оперативной памяти и внешних  портах процессора. Часть данных  интерпретируется как собственно  данные, часть совокупность разнообразных  данных команд, которые может  выполнить процессор над данным, образовывает систему команд процессора.

   Жесткие диски в силу своего механического устройства достаточно медленные. Предположим мы хотим запустить некую программу с нашего жесткого диска. Эта программа (т.е. последовательность команд процессору) должна быть считана с диска и передана процессору. Но так как диск - устройство медленное, то подавляющее большинство времени процессор будет ждать считывания очередных байт с жесткого диска, а исполнив (весьма быстро) снова ждать. Для того, чтобы подобные ситуации не возникали, в компьютер устанавливается так называемая оперативная память. Это электронное (а не механическое, как жесткий диск) устройство, поэтому его можно сделать весьма быстрым.

Chipset. Следующий важнейший компонент, на котором мы остановимся - так называемый набор микросхем или chipset , на базе которого строится материнская плата. Чипсет - самые большие (после процессора) микросхемы в компьютере, и самые большие из припаянных к материнской плате. Какие функции выполняет чипсет? Чипсет обеспечивает связь между основными узлами, расположенными на материнской плате, в первую очередь между процессором и памятью. Поэтому, естественно, от чипсета так же зависит производительность компьютера в целом, т.к. если, к примеру, чипсет медленно работает с памятью, то и система работает медленнее, нежели система с тем же процессором и памятью, но другим, более быстро работающим с памятью чипсетом.

Но функция связывания всех компонентов в единую систему не единственная функция чипсета. Кроме того, современный чипсет содержит целый ряд основных, базовых контроллеров различных устройств, подключаемых к материнской плате. К примеру: практически к любому компьютеру обычно подключают дисковод для гибких магнитных дисков (дискет). Зачем покупать для подключения дисковода отдельную плату контроллера дисковода, если контроллер можно интегрировать в чипсет. Разумеется, себестоимость интеграции контроллера на материнскую плату гораздо ниже приобретения отдельной платы контроллера. Поэтому многие контроллеры и интегрируют на плату (в данном случае в чипсет). Какие же контроллеры интегрируют? Контроллер дисковода (его называют FDC - Floppy Disk Controller, а сам дисковод FDD - Floppy Disk Drive), к нему можно подключить 2 дисковода;

Контроллер жесткого диска (контроллер принято называть IDE Controller, а жесткий диск - HDD - Hard Disk Drive), причем встроенный в чипсет контроллер поддерживает 2 порта для подключения жестких дисков, а к каждому порту можно подключить по 2 диска, т.е. к стандартной материнской плате можно подключить до 4 жестких дисков.

Контроллер порта принтера (еще его называют параллельный порт или LPT port). Как ясно из названия к этому порту подключают принтер, так же нередко в этот порт подключают сканер.

Коммуникационные порты (2 шт.), говорят так же о последовательных портах, COM - портах. К этим портам может подключаться мышь, модем (устр-во для связи с другими компьютерами по телефонным линиям), некоторые экзотические принтеры (обычно от мобильных компьютеров) и т.д.

Контроллер клавиатуры и контроллер специального порта мыши. Разъем такого вида принято называть PS/2. Поэтому говорят о PS/2 порте мыши и клавиатуры.

Контроллер Универсальной Последовательной Шины (USB, Universal Serial Bus). Это достаточно новая шина, и интересная тем, что позволяет к одному порту подключить последовательно 127 устройств! Но, при этом нужно отметить, что текущая реализация USB в чипсетах обеспечивает весьма низкую скорость обмена с устройствами, но уже разработана новая версия шины USB, и в 2001 году она вероятно должна быть реализована в чипсетах.Кроме того, в чипсеты интегрируют и другие, например видео и аудио контроллеры. Но такая практика не является общепринятой, так как, к примеру, видеоконтроллеры бывают самые различные, с разными возможностями и разбросом цен от $25 до $500! Нередко интеграция видеоконтроллера в чипсет во многом обязывает пользователя использовать именно этот видеоконтроллер, а не приобретать другой. Стало быть, приобретая плату, в чипсет которой встроен (интегрирован) видеоконтроллер, пользователь оказывается ограничен в возможности его замены, что, разумеется, далеко не всегда хорошо. То же можно, хотя и в меньшей степени, сказать и об аудио контроллере. С другой стороны, перечисленные выше контроллеры, встроенные в чипсет во многом стандартны, и не будь они интегрированы, все пользователи бы купили за одну цену одинаковые контроллеры, а мы уже говорили о том, что интегрированный на плату контроллер дешевле.

Т.е. стандартные контроллеры интегрируют всегда во все чипсеты, а прочие, такие как видео, аудио и др. - не во все чипсеты (и такие чипсеты называются интегрированными).

Обычно чипсет состоит из нескольких микросхем, чаще всего из двух. Эти микросхемы принято называть мостами (bridge). Одна микросхема обеспечивает связь компонентов системной платы, ее обычно называют Северным мостом (North bridge), другая микросхема называется Южным мостом (South bridge), она ответственна в первую очередь за интегрированные в чипсет контроллеры. Бывают и другие названия микросхем чипсета (Hub, хаб, но об этом как ни будь позже). Бывают чипсеты состоящие так же из 1, 3, 4 микросхем.

От чипсета, на базе которого построена материнская плата, зависят все возможности, которые плата предоставляет. В частности тип используемого процессора, тип и количество оперативной памяти зависят в первую очередь от чипсета. Итак, ясно, что чипсет является как бы сердцем материнской платы, и, безусловно, важнейшим ее компонентом.BIOS Также важным компонентом материнской платы является микросхема BIOS (Basic Input Output-System, базовая система ввода-вывода). Эта микросхема представляет собой память, но не оперативную, а, напротив, постоянную. В этой микросхеме записана программа, которая обеспечивает начальный старт компьютера. Эта программа и называется BIOS. (По имени этой программы и саму микросхему также иногда называют BIOS). Дело в том, что компьютер, вообще говоря, лишь груда железа и пластика. И заставить эту груду что-либо делать может лишь программное обеспечение. И в этой микросхеме как раз записана программа, которая обеспечивает начальный страт компьютера.

Современное аппаратное обеспечение

Аппаратные средства – физические компоненты компьютера («железо»). Минимальная конфигурация компьютера включает в себя системный блок, монитор и клавиатуру.

Обычно используют также мышь, принтер, сканер и другие устройства.

1. Системный блок –  модуль компьютера, состоящий из  материнской платы, центрального  процессора, Iоперативного запоминающего устройства (ОЗУ), накопителей и других устройств.

а) Материнская плата – основной аппаратный компонент компьютера, где реализованы, в частности магистраль обмена, разъемы для центрального процессора, оперативной памяти, слоты расширения для установки контролеров внешних устройств.

Упомянутая магистраль обмена служит для организации обмена данными между центральным процессором, оперативной памятью, устройствами ввода-вывода и др. устройствами. Она представляет собой совокупность трёх шин: шины данных, шины адреса и шины управления.

Б) Центральный процессор –пРоцессор, устанавливаемый в разъем материнской платы и управляющий работой всех компонентов компьютера.