Поняття архітектури комп’ютера

Структура комп'ютера, у тому числі і функціональна, визначає конкретний його склад на деякому рівні деталізації (пристрої, блоки, вузли, тощо) і описує всі внутрішні зв'язки. Однак, структуру комп'ютера слід відрізняти від його архітектури. Під цим терміном розуміють сукупність логічних і фізичних принципів організації роботи комп'ютера (рис. 3).

Рис. 3. Основні компоненти архітектури комп'ютера

Основоположні принципи логічного устрою комп'ютера також сформульовані Дж. фон Нейманом. Вони передбачають:

• використання для кодування інформації у комп’ютері двійкової системи числення,

• програмне керування роботою комп'ютера,

• однорідність пам’яті,

• адресаціюпам’яті.

Принцип використання для кодування інформаціїдвійкової системи числення. Передбачає використання для представлення даних і команд у комп’ютері двійковоїсистеми числення.

Загалом під системою численнярозуміють сукупність прийомів і правил найменування та позначення чисел. У повсякденній практиці використовується десяткова система числення, що базується на використанні в якості умовних знаків для запису чисел цифр від 0 до 9. У двійковій же системі числення для представлення чисел використовується всього дві цифри: 0 та 1. Їх називають двійковими цифрами абобітами(від англ. binary digit).

Такий код дуже зручний для представлення інформації у комп’ютері, що обумовлюється простотою його реалізації з технічної точки зору: намагнічена ділянка поверхні ототожнюється з 1, а ненамагнічена - з 0; високий рівень напруги приймається за 1, низький – за 0, тощо. Тому двійковий код також називають машинним кодом.

Одним бітом можуть бути закодовані два різних значення: 0або 1. Якщо кількість бітів збільшити до двох, то ними можна уже виразити чотири незалежні значення:00, 01, 10, 11. Трьома бітами можна закодувати вісім різних значень:000, 001, 010, 01l, 100, 101, 110,111. У загальному випадку кількість незалежних значень (N) визначається розрядністю числа (m) за наступною формулою:

N =2^m.

Тобто, збільшення на одиницю кількості розрядів числа збільшує кількість його незалежних значень в 2 рази.

Також досить просто виконуються в двійковій системі числення арифметичні і логічні операції. Зокрема правила виконання арифметичних дій у двійковій системі числення є наступними:

0 + 0 = 0 0 * 0 = 0

0 + 1 = 1 0 * 1 = 0

1 + 0 = 1 1 * 0 = 0

1 + 1 = 10 1 * 1 = 1

Послідовність із 8 бітів утворює байт. За допомогою байта можна закодувати 256 (2⁸) незалежних значень.

Для вимірювання кількості інформації використовують також:

• Кілобайт (Кбайт). 1 Кбайт = 2¹⁰байт = 1024байт..

• Мегабайт (Мбайт). 1Мбайт = 1024 Кбайт =2²⁰байт.

• Гігабайт (Гбайт). 1Гбайт = 1024Мбайт = 2³⁰байт.

• Терабайт(Тбайт). 1Тбайт = 1024Гбайт = 2⁴⁰байт.

Для порівняння:одна сторінка неформатованого машинного тексту становить біля 2 Кбайт; книга із 500 сторінок тексту без малюнків містить приблизно 1Мбайт інформації.

Принцип програмного керування роботою комп'ютера. Передбачає, що будь-яка послідовність дій, яку потрібно виконати за допомогою комп’ютера, оформляється у виглядіпрограми, яка складається з окремихкоманді послідовно (у сенсі черговості цих команд) виконується за допомогою деякого наборуоперацій, які здатен автоматично виконати даний комп'ютер.

Принцип однорідності пам’яті. Передбачає використання пам'яті для зберігання як програм, так і даних. При цьому і команди програми, і дані кодуються у двійковій системі числення.

Використання єдиної області пам'яті дозволяє оперативно перерозподіляти ресурси між областями програм і даних, що істотно підвищує гнучкість комп'ютера з точки зору розробника програмного забезпечення.

Принцип адресації пам’яті. Структурно пам'ять комп'ютераскладаєтьсяз комірок, які служать для зберігання інформації (двійкового коду). Кожна комірка має свій порядковий номер -адресу.Число, що зберігається в комірці, — це її значення або вміст. Якщо в k-й комірці міститься, наприклад, число m, то прийнято говорити «вміст комірки за адресою k дорівнює m». Даний принцип передбачає, що убудь-який момент можна звернутися за адресою до будь-якої комірки пам'яті.

Розрізняють два основних типи архітектур: Прінстонська, яка часто називається архітектурою фон Неймана, іГарвардська. Різниця між ними полягає у тому, що в класичній фон-нейманівській архітектурі комп’ютера програми і дані зберігаються в загальній ОП і передаються в процесор по одному каналу (шині даних і управління), тоді як Гарвардська архітектура передбачає використання роздільних адресних просторів для зберігання команд і даних, а також окремі потоки передачі для команд і даних (рис. 4 а, б).

а)

б)

Рис. 4. Основні типи архітектур комп'ютера

Переваги фон-нейманівської архітектури:

• спрощення устрою мікропроцесора, так як реалізується звертання тільки до загальної ОП;

• використання єдиної області пам'яті дозволяє оперативно перерозподіляти ресурси між областями програм і даних, що істотно підвищує гнучкість мікропроцесора.

Переваги Гарвардської архітектури:

• застосування невеликих за обсягом пам'яті даних сприяє прискоренню пошуку інформації в пам'яті і збільшує швидкодію мікропроцесора;

• наявність окремих шини даних і шини команд також дозволяє підвищити швидкодію мікропроцесора;

• з’являється можливість організувати паралельне виконання програм (кожна пам'ять з'єднується з процесором окремої шиною, що дозволяє одночасно з читанням/записом даних при виконанні поточної команди робити вибірку і декодування наступної команди).

Недоліком Гарвардської архітектури є ускладнення архітектури мікропроцесора і необхідність генерації додаткових керуючих сигналів для пам'яті команд і пам'яті даних.

Сучасний підхід передбачає, що в основі побудови однопроцесорних комп'ютерів, як і раніше, лежать принципи фон Неймана, хоча і значно модифіковані. Багатопроцесорні ж комп'ютерні системи, здатні здійснювати паралельні обчислення, базуються на Гарвардській архітектурі.