Архитектура ЭВМ – совокупность основных устройств, узлов и блоков ЭВМ, а также структура основных управляющих и информационных связей между ними, обеспечивающая выполнение заданных функций.
Архитектура в информатике – концепция взаимосвязи элементов сложной структуры, включает компоненты логической, физической и программной структур.
Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя.
Большинство современных ЭВМ функционируют на основе принципов, сформулированных в 1945 году американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом:
1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных символов (сигналов).
2. Принцип программного управления. Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
4. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых которая доступна процессору в произвольный момент времени.
Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков (рис 1.1.) устройства ввода/вывода информации; 2) памяти ЭВМ; 3) процессора, включающего устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ)
В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память. Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.
Память ЭВМ состоит из двух видов памяти: внутренняя (оперативная) и внешняя (долговременная) память. Оперативная память – это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. Внешняя память – это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски.
За прошедшие десятилетия процесс совершенствования ЭВМ шел в рамках приведенной структуры (Рис. 1.2).
ЦПУ – центральное процессорное устройство.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ ) – для арифметических вычислений и принятия логических решений.
Запоминающее устройство (ЗУ ) служит для хранения информации.
Устройство управления (УУ ) – координация различных блоков ЭВМ.
АЛУ, ЗУ, УУ, устройства ввода/вывода нельзя отнести к категории только технического обеспечения, поскольку в них присутствует и программное. Такие составные части компьютера будем называть системами.
Рис. 1.2. Современная архитектура ЭВМ
Система - совокупность элементов, подчиняющихся единым функциональным требованиям.
Принцип открытой архитектуры - состоит в обеспечении возможности переносимости прикладных программ между различными платформами и обеспечения взаимодействия систем друг с другом. Эта возможность достигается за счет использования международных стандартов на все программные и аппаратные интерфейсы между компонентами систем. Это позволяет, во-первых, выполнять модернизацию ПК (upgrade), дополняя его новыми элементами и заменяя устаревшие блоки, во-вторых, дает возможность пользователю составлять самостоятельно структуру своего ПК в зависимости от конкретных целей и задач.
Структура компьютера – некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.
С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие - архитектура ЭВМ.
Подархитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.
Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ
Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.
Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.
Только через 100 лет на базе появившихся электронных приборов эта идея была развита американским математиком Джоном фон Нейманом. В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные им в 1945 году.
Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:
Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;
Устройство управления , которое организует процесс выполнения программ;
Запоминающее устройство , илипамять для хранения программ и данных;
Внешние устройства для ввода-вывода информации.
В основе работы компьютера лежат следующие принципы:
Принцип двоичного кодирования . Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.
Принцип программного управления . Из него следует, что 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. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
Машины, построенные на этих принципах, называются Фон-Неймановскими.
Виды архитектуры ЭВМ (открытая, закрытая, Гарвардская).
Архитектура вычислительной машины - концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения
Архитектуры закрытого типа
Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.
Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.
Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа
Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.
Вычислительные системы с открытой архитектурой
Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.
Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа
Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. 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.
Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной
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. 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.
Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера.
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.
Гарвардская архитектура
Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.
Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток - высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.
Часто требуется выбрать три составляющие - два операнда и инструкцию(в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее встречаемая задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция - обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») - расширенная Гарвардская архитектура.
Примером могут послужить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx - модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) - расширенная Гарвардская Архитектура.
С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие - архитектура ЭВМ.
Подархитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.
Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ
Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.
Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.
Только через 100 лет на базе появившихся электронных приборов эта идея была развита американским математиком Джоном фон Нейманом. В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные им в 1945 году.
Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:
Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;
Устройство управления , которое организует процесс выполнения программ;
Запоминающее устройство , илипамять для хранения программ и данных;
Внешние устройства для ввода-вывода информации.
В основе работы компьютера лежат следующие принципы:
Принцип двоичного кодирования . Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.
Принцип программного управления . Из него следует, что 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. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
Машины, построенные на этих принципах, называются Фон-Неймановскими.
Виды архитектуры ЭВМ (открытая, закрытая, Гарвардская).
Архитектура вычислительной машины - концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения
Архитектуры закрытого типа
Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.
Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.
Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа
Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.
Вычислительные системы с открытой архитектурой
Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.
Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа
Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. 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.
Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной
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. 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.
Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера.
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.
Гарвардская архитектура
Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.
Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток - высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.
Часто требуется выбрать три составляющие - два операнда и инструкцию(в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее встречаемая задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция - обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») - расширенная Гарвардская архитектура.
Примером могут послужить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx - модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) - расширенная Гарвардская Архитектура.
При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру. Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
1. Классическая архитектура (архитектура фон Неймана ) - одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройство управления, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.
Общая шина
2. Многопроцессорная архитектура . Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд (параллельно могут обрабатываться несколько фрагментов одной задачи ). Структура такой машины имеет общую оперативную память и несколько процессоров. Такая архитектура применяется для решения задач с огромным объемом вычислений.
 |
3. Многомашинная вычислительная система . Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную ). Отдельный компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных.
Классификация ВМ
Многообразие свойств и характеристик порождает различные виды классификации вычислительных машин. Их делят: по этапам развития, по принципу действия, по назначению, по производительности и функциональным возможностям, по условиям эксплуатации, по количеству процессоров и т.д. Четких границ между классами компьютеров не существует.По мере совершенствования структур и технологии производства, появляются новые классы компьютеров (и границы существующих классов существенно изменяются ).
1. По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). АВМ – вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой ) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины(механического воздействия, перемещения, электрического напряжения и др. ). ЦВМ – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме. ГВМ – вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме (совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ ). Их используют в управлении сложными техническими комплексами.
2. По назначению вычислительные машины делятся на три группы: универсальные (общего назначения ), проблемно-ориентированные и специализированные.
Универсальные вычислительные машины предназначены для решения самых разных задач: экономических, математических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.
Характерными чертами универсальных машин являются:
· высокая производительность;
· разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;
· обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;
· большая емкость оперативной памяти;
· развитая организация системы ввода-вывода информации.
Проблемно-ориентированные вычислительные машины служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными по сравнению с универсальными машинами аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным вычислительным машинам можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные системы (АСУТП, САПР).
Специализированные вычислительные машины используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая их узкая ориентация позволяет четко специализировать структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным машинам можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами.
3. По размерам и функциональным возможностям вычислительные машины можно разделить на сверхбольшие (суперЭВМ ) – многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, которые используются для решения сложных и больших научных задач - в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д. Большие (мэйнфреймы ) - предназначены для решения широкого класса научно-технических задач. Малые (конструктивно выполненные в одной стойке ). Сверхмалые (микроЭВМ ).
Заметим, что иногда классификация осуществляется и по иным признакам: например, элементной базе, конструктивному исполнению и др.
Свойства ЭВМ любого типа оценивается с помощью их технико-экономических характеристик, основными из которых являются: операционные ресурсы(характеризуются количеством реализуемых операций, формами представления данных, а также способами адресации ), емкость памяти (определяется общим количеством ячеек памяти для хранения информации ), быстродействие(определяется числом коротких операций типа сложения, выполняемых за 1 сек ), надежность(среднее время работы между двумя отказами ), стоимость(это суммарные затраты на приобретение аппаратных и базовых программных средств ЭВМ, а также затраты на эксплуатацию ).
С развитием вычислительной техники и программных средств любая ЭВМ стала рассматриваться как вычислительная система, представляющая собой совокупность двух концептуально объединенных частей: аппаратного и программного обеспечения. Появилось понятие "архитектура ЭВМ", связанное с функциональными возможностями вычислительной системы, которые должен знать пользователь для эффективного применения системы при решении своих задач.
Архитектура ЭВМ – это модель, устанавливающая принципы организации вычислительной системы, состав, порядок и взаимодействие основных частей ЭВМ, функциональные возможности, удобство эксплуатации, стоимость, надежность.
Любая ЭВМ, в том числе и ПК, для выполнения своих функций должна иметь минимальный набор функциональных блоков. Это блок для выполнения арифметических и логических операций; блок для хранения информации (память) или запоминающее устройство; устройства для ввода исходных данных и для вывода результатов. Так как все эти устройства должны синхронно выполнять нужные действия, ими надо управлять. Поэтому в структуре любой ЭВМ необходимо иметь также устройство управления.
Все перечисленные блоки с учетом того, что в запоминающем устройстве выделяется два уровня (внутренний и внешний), полностью соответствуют составу классической фон- неймановской структуры ЭВМ, которая уже более полувека составляет основу вычислительных машин (рис. 4.1).
Рис. 4.1.
жирные стрелки – передача информации; тонкие стрелки – передача управляющих сигналов; АЛУ – блок для выполнения арифметических и логических операций; ЗУ – запоминающее устройство; УУ – устройство управления; Увв – устройство ввода информации; Увыв – устройство вывода информации
Структура ЭВМ определяет совокупность функциональных элементов ЭВМ и способ установления связей между ними. В современных ЭВМ устройство для выполнения арифметических и логических операций и устройство управления объединены в центральный процессор. Взамен ограниченного набора устройств ввода-вывода, имеющихся в ЭВМ первых поколений, в современных машинах имеется большой арсенал устройств (разнообразные накопители на магнитных, оптических и магнитооптических дисках, сканеры, клавиатура, мышь, джойстик, принтеры, плоттеры, графопостроители). Иерархия запоминающих устройств представлена еще большим количеством уровней.
Аппаратное обеспечение (hardware ) – совокупность технических средств, используемых в процессе функционирования ЭВМ и взаимодействующих друг с другом.
Структурно аппаратное обеспечение современной ЭВМ, в том числе ПК, состоит из двух основных частей: центральной и периферийной. К центральной части обычно относят центральный процессор и основную память, поскольку именно на их основе реализуется принцип программного управления.
Центральный процессор обеспечивает выполнение процедур обработки данных и программное управление этим процессом. Он включает арифметико-логическое устройство, устройство управления, собственные запоминающие устройства (регистры, кэш-память).
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – часть процессора, обеспечивающая выполнение процедур преобразования данных.
Устройство управления (УУ) – часть процессора, обеспечивающая управление процессом обработки данных.
УУ выбирает команды из основной памяти, интерпретирует тип команды и запускает нужную схему АЛУ.
Запоминающие устройства процессора – устройства, обеспечивающие хранение данных.
Основная память ЭВМ включает оперативную и постоянную память.
Оперативная память – устройство, обеспечивающее временное хранение команд и данных в процессе выполнения программы.
Постоянная память – устройство, обеспечивающее постоянное хранение и возможность считывания критически важной для функционирования ЭВМ информации.
Основная память и запоминающие устройства процессора относятся к внутренним запоминающим устройствам. Они непосредственно взаимодействуют с процессором, имеют высокое быстродействие и относительно небольшую емкость.
Все остальные устройства ЭВМ относятся к периферийной части и называются внешними или периферийными. Внешние устройства делятся на устройства ввода-вывода и внешние запоминающие устройства.
Устройства ввода-вывода обеспечивают ввод исходных данных и вывод результатов из центральных устройств ЭВМ.
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) имеют большую емкость и относительно низкое быстродействие. К ним относятся накопители на магнитных дисках (НМЛ), накопители на магнитной ленте (НМЛ), накопители на оптических дисках (ПОД), накопители на основе флэш-памяти.
В одной ЭВМ может использоваться от единиц до нескольких сотен внешних устройств. Состав этих устройств, как правило, переменный и определяется составом решаемых на конкретной ЭВМ задач. Поэтому принято говорить о конфигурации ЭВМ , понимая под этим термином конкретный состав ее устройств с учетом их характеристик.
Принято, что передача информации из периферийных устройств в ядро ПК называется операцией ввода. Передача информации из ядра ПК в периферийные устройства называется операцией вывода.
Иногда периферийные устройства делят на системные периферийные устройства, без которых компьютер не может полноценно функционировать, и дополнительные. К системным периферийным устройствам относятся клавиатура, монитор, накопитель на жестком магнитном диске, принтер. К дополнительным – разнообразные устройства для ввода и вывода информации, устройства для связи с внешней средой, для обработки мультимедийной информации.
В структуре высокопроизводительных ЭВМ имеются каналы ввода-вывода – совокупность устройств, обеспечивающих обмен данными между центральным процессором, оперативной памятью и устройствами ввода-вывода.
Каналы могут работать параллельно с центральным процессором. Их основное назначение – снять с центрального процессора часть функций по управлению обменом данными с внешними устройствами.
Эффективность использования ЭВМ определяется не только составом и характеристиками ее устройств, но и способом организации их совместной работы. Соединение компонентов ЭВМ осуществляется с помощью интерфейсов – совокупности стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информации между устройствами. В основе построения интерфейсов лежит использование единых способов кодирования данных, стандартизации соединительных элементов. Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу информации между устройствами независимо от их особенностей.
Для разных классов ЭВМ применяются различные структуры. В высокопроизводительных ЭВМ обычно используется иерархическая структура с несколькими уровнями интерфейсов и каналами ввода-вывода. В ПК чаще всего используется структура с системной магистралью, называемой системной шиной, которая представляет собой систему функционально объединенных проводов, обеспечивающих передачу данных, адресов данных и управляющих сигналов (рис. 4.2).
Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи данных, называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет количество двоичных разрядов, передаваемых по шине одновременно. Количество проводов для передачи адресов определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован.
Аппаратная платформа – совокупность технических средств, определяющих среду функционирования конкретных программ. Основой аппаратной платформы является совокупность системной (материнской) платы и тип используемого процессора.
Рис. 4.2.
ЦП – центральный процессор; ОЗУ – оперативная память; ПЗУ – постоянная память; Контроллер – устройство управления периферийным устройством
- По имени американского ученого Дж. фон Неймана (1903–1957), который в 1946 г. обосновал состав основных устройств и принципы работы ЭВМ.
Как перезагрузить ноутбук с помощью клавиатуры
Как его удалить, и чем он опасен?
Как выделить несколько файлов с помощью клавиатуры
Можно ли совмещать разные планки оперативной памяти в одном компьютере
Обзор Smart Items - программы для систематизации любых коллекций Программа систематизация и хранение документов