Архітектура комп'ютерів

 

ЗМІСТ

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

Архітектура комп'ютерів – це дисципліна, що вивчає апаратну частину комп'ютера (цифровий ЕОМ): процесори, пам'ять (оперативна, постійна), тверді диски, системні і локальні шини, пристрої введення-висновку. У конспекті лекцій приводиться архітектура сучасних ЕОМ, розглядаються характеристики і типи процесорів, види оперативної і постійної пам'яті, характеристики і робота нагромаджувачів на твердих дисках (вінчестери), приведені типи і різновиди системних і локальних шин, а також розглянуті пристрою вводу-виводу.

1. Архітектура ЕОМ

Спрощена структура ЕОМ представлена на рис. 1.1 Комп'ютер містить наступні основні пристрої: арифметико-логічний пристрій, пам'ять, керуючий пристрій (процесор), пристрій уведення даних у машину (клавіатура), пристрій висновку з її результатів розрахунку (монітор) і пульт ручного керування.

Арифметико-логічний пристрій (АЛУ) робить арифметичні і логічні перетворення над    машинними словами, що надходять у його, тобто кодами визначеної довжини, що представляють  собою  чи числа інший вид інформації.

Пам'ять зберігає інформацію, передану з інших пристроїв, у тому числі, що надходить у машину ззовні через пристрій уведення, і видає в усі інші пристрої інформацію, необхідну для протікання обчислювального процесу. Пам'ять машини в більшості випадків складається з двох істотно відрізняються по своїх характеристиках частин: швидкодіючої основний чи оперативний (внутрішньої) пам'яті (ОП) і порівняно повільно діючої, але здатної зберігати значно більший обсяг інформації зовнішньої пам'яті (Внп).

Оперативна пам'ять містить деяке число осередків, кожна з який служить для збереження машинного  чи слова його частини. Осередки нумеруються, номер осередку називається адресою.

У запам'ятовуючих пристроях, що реалізують в ЕОМ функцію пам'яті, виконуються  операції зчитування збереженої інформації для передачі в інші пристрої і записи інформації, що надходить з інших пристроїв. При зчитуванні слова з осередку вміст останньої не міняється і при необхідності слово може бути знову узяте з того ж осередку. При записі    слово, що зберігалося в осередку, стирається і його місце займає нове.

Безпосередньо в обчислювальному  процесі бере участь тільки ОП, і  лише після закінчення окремих етапів обчислень із Внп в ОП передається  інформація, необхідна для наступного етапу рішення задачі.

Керуючий пристрій автоматично без участі людини керує обчислювальним процесом, посилаючи всім іншим пристроям сигнали, що наказують їм ті чи інші дії, зокрема включає АЛУ на виконання потрібної операції.

Автоматичне керування процесом рішення  задачі досягається на основі принципу програмного керування, що є основною особливістю ЕОМ.

 Іншим найважливішим принципом  є принцип збереженої в пам'яті  програми. Відповідно до цього  принципу команди програми, закодовані  в цифровому виді, зберігаються  в пам'яті нарівні з числами. У команді вказуються не самі      адреси, що беруть участь в операціях числа, а, осередків ОП, у яких вони знаходяться, і адреса осередку, куди міститься результат операції.

       

 

 

Оскільки програма зберігається в  пам'яті, ті самі   команди можуть потрібне число раз витягатися з пам'яті і виконуватися. Більш того, тому що команди представляються в машині у формі чисел, то над командами як над числами машина може робити операції ("модифікації команд").

Команди виконуються в порядку, що відповідає їхньому розташуванню в послідовних комірках пам'яті, крім команд безумовного й умовного переходів, що змінюють цей порядок відповідно  чи безумовно тільки при виконанні деякої умови,    равенства, що задається звичайно у виді, нулю, позитивного чи негативного результату попередньої чи команди відносини типу >, =, < для чисел, що вказуються командою. Саме завдяки наявності команд умовного переходу ЕОМ може автоматично змінювати відповідним чином хід обчислювального процесу, вирішувати складні логічні задачі.

Перед рішенням задачі на ЕОМ програма і вихідні дані повинні бути поміщені в її пам'ять. Попередньо ця інформація звичайно заноситься в зовнішню пам'ять. Потім за допомогою пристрою введення програма і вихідні дані зчитуються в ОП.

Пристрій виводу служить для видачі з машини результатів розрахунку, наприклад, шляхом друкування їхній на друкованих  чи пристроях відображення на екрані дисплея. За допомогою пульта керування оператор пускає і зупиняє машину, а при необхідності може втручатися в процес рішення задачі.

Представлена на рис. 1.1 структура (модель) обчислювальної машини, що одержала назву фоннеймановской, завдяки її витонченій простоті і великій гнучкості при керуванні обчислювальним процесом з найперших кроків електронної обчислювальної техніки і донині   домінує при побудові різних ЕОМ.

Однак в останні роки конструктори ЕОМ, прагнучи досягти істотного  підвищення їхньої продуктивності, у  ряді випадків відходять від моделі ФОН Неймана.

Приведемо один із прикладів. У фоннеймановской  машині з загальною пам'яттю для даних і команд мається всего одна шина (магістраль) для передачі з пам'яті в інші пристрої команд і даних, що веде до зниження швидкості роботи ЕОМ.

Можлива побудова машини з окремими пам'ятями і шинами для збереження і передачі команд і даних, що допускає рівнобіжне в часі витяг їх з пам'яті і передачу по шинах. Така структура (модель) одержала назву гарвардської, тому що була реалізована вперше в 1944 р. у Гарвардському університеті (США) у ранній релейній обчислювальній машині, що передувала появі електронних обчислювальних машин. Гарвардська модель реалізована, зокрема , у деяких мікропроцесорах.

1.1. Покоління комп'ютерів.

Основні принципи побудови електронних  обчислювальних машин (ЕОМ), притім у  дуже закінченому виді, були висловлені ще в 1937 р. американським фізиком болгарського походження Д.В. Атанасовым. Більш того, він почав першу спробу спроектувати і побудувати електронний комп'ютер. Цей комп'ютер, названий пізніше "АВС", був практично закінчений до 1942 р. Однак увести його в експлуатацію по різних причинах так і не удалося.

Перша ЕОМ заробила в 1945 р. Електронний  інтегратор і обчислювач (ЭНИАК) –– так назвали першу ЕОМ її творці інженери Маучли і Эккерт. Будувалася машина при Пенсильванском університеті (США) в обстановці глибокої таємності, і тільки після закінчення війни в 1946 р. уперше відбулася публічна демонстрація ЕОМ.

У наступний період до 1955 р. відбувалося  становлення обчислювальної техніки. У цей час визначилися основні  принципи побудови ЕОМ. Потім з періодичністю 5-7 років відбувався перехід до ЕОМ принципово нових типів, що використовують більш зроблену елементну базу, що мають нову структуру, що розширює їхні можливості і забезпечує великі зручності при роботі з ними людини. У зв'язку з цим з'явилося поняття покоління ЕОМ.

Для ЕОМ першого покоління (40-і  – початок 50-х років) характерні наступні ознаки. Будувалися вони на дискретних компонентах з використанням электровакуумных приладів, мали низьку надійність, у них застосовувалися запам'ятовуючі пристрої (ЗУ) на ультразвукових лініях затримки й електронно-променевих трубок. Орієнтувалися машини в основному на рішення науково-технічних задач, для яких характерні відносно невеликі обсяги вихідних даних і результатів рішення.

В ЕОМ другого покоління (середина 50-х – 60-і роки) як  елементну базу застосовувалися дискретні компоненти і напівпровідникові прилади (транзистори і діоди), монтаж здійснювався з використанням друкованих плат, ЗУ виконувалися на тороидальных ферритовых сердечниках. Усе це підвищило швидкодію і надійність машин. В ЕОМ другого покоління забезпечувалася можливість обміну даними між ЕОМ і великим числом зовнішніх пристроїв. ЕОМ стали успішно застосовуватися і для рішення економічних задач.

В ЕОМ третього покоління (60-і роки) як  елементну базу використовуються інтегральні мікросхеми. Завдяки цьому ЕОМ третього покоління в порівнянні з ЕОМ другого покоління мають менші габаритні розміри і споживану потужність, великі швидкодію і надійність, широко застосовуються в найрізноманітніших  областях діяльності людини.

В ЕОМ четвертого покоління (70-і  роки) як  елементну базу використовуються інтегральні мікросхеми високого ступеня  інтеграції - великі інтегральні схеми (БІС). З їхньою допомогою на одному кристалі можна створити пристрої, що містять тисячі і десятки тисяч транзисторів. Компактність вузлів при використанні БІС дозволяє будувати ЕОМ з великим числом обчислювальних пристроїв – процесорів (так називані многопроцессорные обчислювальні системи).

Важко указати формальна відмінність  обчислювальної системи (ВР) і ЕОМ. Обчислювальну систему звичайно відрізняє спеціалізація, великий зв'язок із середовищем, широкі обчислювальні можливості. Так, дуже часто в обчислювальній системі використовують не один процесор, а трохи, утворити тим самим многопроцессорную (мультипроцессорную) систему. Як правило, ВР використовують для керування технологічним процесом у реальному масштабі часу, коли обробка інформації повинна вироблятися за час, що не перевищує час плину самого процесу. Від ВР у цьому випадку потрібно багато: велика швидкодія і високий рівень надійності, надзвичайна оперативність і "живучість", тобто здатність виконувати покладені на неї функції навіть при виході з ладу якихось елементів. Сучасні ЕОМ ще не забезпечують виконання цих вимог, тому приходиться створювати спеціалізовані обчислювальні системи.

До дійсного часу створені і розвиваються ЕОМ і обчислювальні системи п'ятого покоління. Ці ЕОМ мають високу продуктивність, компактністю і низькою вартістю (ці характеристики поліпшуються в кожнім наступному поколінні ЕОМ). Основна особливість ЕОМ п'ятого покоління складається в їхній високій інтелектуальності, що забезпечує можливість спілкування людини з ЕОМ  природною мовою, здатності ЕОМ до навчання і т.д. Швидкодія ЕОМ п'ятого покоління досягає десятків і сотень мільярдів операцій у секунду, вони мають пам'ять у сотні мегабайт і будуються на сверхбольших БІС, на кристалі яких розміщаються мільйони транзисторів.

1.2. Архітектура процесорів.

Як відомо, процесор є основним обчислювальним блоком комп'ютера, найбільшою мірою  визначальним його міць. Процесор є пристроєм, що виконує програму – послідовність команд (інструкцій), задуману програмістом і оформлену у виді модуля програмного коду. Щоб зрозуміти, що робить процесор, розглянемо його в оточенні системних компонентів ІBM PC-сумісного комп'ютера. Цією комп'ютерною архітектурою, природно, не обмежується сфера застосування процесорів.

Усім відомий ІBM PC-сумісний комп'ютер являє собою реалізацію так називаної  фон-неймановской архітектури обчислювальних машин. Ця архітектура була представлена Джоном фон-нейманом ще в 1945 році і має наступні основні ознаки. Машина складається з блоку керування, арифметико-логічного пристрою (АЛУ), пам'яті і пристроїв уведення/висновку. У ній реалізується концепція збереженої програми: програми і дані зберігаються в одній і тій же пам'яті. Виконувані дії визначаються блоком керування й АЛУ, що разом є основою центрального процесора. Центральний процесор вибирає і виконує команди з пам'яті послідовно, адреса чергової команди задається "лічильником адреси" у блоці керування. Цей принцип виконання називається послідовною передачею керування. Дані, з якими працює програма, можуть включати перемінні – іменовані області пам'яті, у яких зберігаються значення з метою подальшого використання в програмі. Фон-неймановская архітектура – не єдиний варіант побудови ЕОМ, є й інші, котрі не відповідають зазначеним принципам (наприклад, потокові машини). Однак переважна більшість сучасних комп'ютерів засновано саме на цих принципах, включаючи і складні многопроцессорные комплекси, які можна розглядати як об'єднання фон-неймановских машин. Звичайно ж, за більш ніж піввікову історію ЕОМ класична архітектура пройшла довгий шлях розвитку.

У загальному значенні під архітектурою процесора розуміється його програмна модель, тобто  программно-видимые властивості. Під мікроархітектурою розуміється внутрішня реалізація цієї програмної моделі. Для однієї і тієї ж архітектури різними фірмами й у різних поколіннях застосовуються істотно різні мікроархітектурні реалізації, при цьому, природно, прагнуть до максимального підвищення продуктивності (швидкості виконання програм).

Зараз існує безліч архитектур процесорів, що поділяються на дві глобальні  категорії – RІSC і CІSC.

RІSC – Reduced (Restrіcted) Іnstructіon Set Computer – процесори (комп'ютери) зі скороченою системою команд. Ці процесори звичайно мають набір однорідних регістрів універсального призначення, причому їхнє число може бути великим. Система команд відрізняється відносною простотою, коди інструкцій мають чітку структуру, як правило, з фіксованою довжиною. У результаті апаратна реалізація такої архітектури дозволяє з невеликими витратами декодировать і виконувати ці інструкції за мінімальне (у межі 1) число тактів синхронізації. Визначені переваги дає й уніфікація регістрів.

CІSC – Complete Іnstructіon Set Computer – процесори (комп'ютери) з повним набором інструкцій, до яких відноситься і сімейство х86. Склад і призначення їхніх регістрів істотно неоднорідні, широкий набір команд ускладнює декодування інструкцій, на що витрачаються апаратні ресурси. Зростає число тактів, необхідне для виконання інструкцій.

Процесори х86 мають саму складну  у світі систему команд.  Чи добре це, питання спірний, але  вантаж сумісності з програмним забезпеченням для ІBM PC, що має вже 20-літню історію, не дозволяє розставатися з цим "спадщиною важкого минулого". У процесорах сімейства х86, починаючи з 486, застосовується комбінована архітектура – CіSC-процессор має RіSC-ядро.

Розрізняють наступні способи організації обчислювального процесу:

• один потік команд – один потік даних (Sіmple Іnstructіon – Sіmple Data, SІSD) – характерно для традиційної фон-неймановской архітектури (іноді замість Sіmple пишуть Sіngle);
• один потік команд – множинний потік даних (Sіmple Іnstructіon – Multіple Data, SІMD) – технологія MMX;
• множинний потік команд – один потік даних (Multіple Іnstructіon – Sіmple Data, MІSD);
• множинний потік команд - множинний потік даних (Multіple Іnstructіon – Multіple Data, MІMD).

Розглянемо порядок виконання інструкцій обробки даних – виконання арифметичних чи логічних функцій. У багатьох випадках інструкція працює з парою операндов – операндом призначення dest (destіnatіon) і операндом-источником src (source). Традиційна схема дії інструкції: dest = F (dest, srс), де F - деяка функція від двох перемінних. Це означає, що при виконанні інструкції процесор витягає з зазначених в інструкції місць (регістр, пам'ять, константа в самій інструкції) пари двоичных чисел, і результат дії над ними записує на місце одного з них (dest). Для виконання тієї ж функції над наступною парою чисел потрібно повторне виконання інструкції, але вже з іншою парою операндов.