Билет 14
Архитектура вычислительной машины (Архитектура ЭВМ, англ. Computer architecture) — концептуальная структура вычислительной машины[1], определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.[2]
В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (неймановская) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.
В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.
По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:
По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 128- разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);
По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;
По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные;
многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.
Принципы фон Неймана
В 1946 году трое учёных[1] — Артур Бёркс (англ. Arthur Burks), Герман Голдстайн (англ. Herman Goldstine) и Джон фон Нейман — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства»[2]. В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций — до этого машины хранили данные в десятичном виде[3]), выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана».
Принцип двоичного кодирования.
Для представления данных и команд используется двоичная система счисления(цифры 0 и 1)
Принцип однородности памяти.
Как программы (команды), так и относящиеся к программам данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
Принцип адресуемости памяти.
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка; память внутренняя.
Принцип последовательного программного управления.
Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой, в последовательности, определяемой программой.
Принцип жесткости архитектуры.
Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских.
Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана
В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Школе электрических разработок Мура (англ. The Moore School of Electrical Engineering) в Университете штата Пенсильвания (англ. The University of Pennsylvania). Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру ENIAC, который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании ENIAC. По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине EDVAC, однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти и разногласий в группе разработчиков. Другие научно-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми пятью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:
Манчестерский Марк I. Прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина. Университет Манчестера (англ. The University of Manchester), Великобритания, 21 июня 1948 года;
EDSAC. Кембриджский университет (англ. The Cambridge University), Великобритания, 6 мая 1949 года;
BINAC. США, апрель или август 1949 года;
CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;
SEAC. США, 9 мая 1950 года
2. Ла́зерный при́нтер (laser printer) — один из видов принтеров, позволяющий быстро изготавливать высококачественные отпечатки текста и графики на обыкновенной бумаге. Подобно фотокопировальным аппаратам лазерные принтеры используют в работе процесс ксерографической печати, однако отличие состоит в том, что формирование изображения происходит путём непосредственного сканирования лазерным лучом фоточувствительных элементов принтера.
Принцип действия
Отпечатки, сделанные таким способом, не боятся влаги, устойчивы к истиранию и выцветанию. Качество такого изображения очень высокое.
Процесс лазерной печати складывается из пяти последовательных шагов:
Зарядка фотовала
Фотовал — цилиндр с покрытием из фотополупроводника (материала, способного менять своё электрическое сопротивление при освещении). В некоторых системах вместо фотоцилиндра использовался фоторемень — эластичная закольцованная полоса с фотослоем.
Зарядка фотовала — нанесение равномерного электрического заряда на поверхность вращающегося фотобарабана (1). Наиболее часто применяемый материал фотобарабана — фотоорганика — требует использования отрицательного заряда, однако есть материалы (например, кремний), позволяющие использовать положительный заряд.
Изначально зарядка производилась с помощью скоротрона (англ. scorotron) — натянутого провода, на который подаётся напряжение относительно фотобарабана. Между проводом и фотобарабаном обычно помещается металлическая сетка, служащая для выравнивания электрического поля.
Позже стали применять зарядку с помощью зарядного валика (англ. Charge Roller) (2). Такая система позволила уменьшить напряжение и снизить проблему выделения озона в коронном разряде (преобразование молекул O2 в O3 под действием высокого напряжения), однако влечёт проблему прямого механического контакта и износа частей, а также чистки от загрязнений.
Лазерное сканирование
Лазерное сканирование (засвечивание) — процесс прохождения отрицательно заряженной поверхности фотовала под лазерным лучом. Луч лазера (3) отклоняется вращающимся зеркалом (4) и, проходя через распределительную линзу (5), фокусируется на фотовалу (1). Лазер активизируется только в тех местах, на которые магнитный вал (7) в дальнейшем должен будет нанести тонер. Под действием лазера участки фоточувствительной поверхности фотовала, которые были засвечены лазером, становятся электропроводящими, и заряд на этих участках «стекает» на металлическую основу фотовала. Тем самым на поверхности фотовала создаётся электростатическое изображение будущего отпечатка в виде ослабленного заряда.
Наложение тонера
Отрицательно заряженный ролик при подаче тонера придаёт тонеру отрицательный заряд и подаёт его на ролик проявки. Тонер, находящийся в бункере, притягивается к поверхности магнитного вала под действием магнита, из которого изготовлена сердцевина вала[1]. Во время вращения магнитного вала тонер, находящийся на его поверхности, проходит через узкую щель, образованную между дозирующим лезвием и магнитным валом. После этого тонер входит в контакт с фотовалом и притягивается на него в тех местах, где отрицательный заряд был снят путём засветки.
Тем самым электростатическое (невидимое) изображение преобразуется в видимое (проявляется). Притянутый к фотовалу тонер движется на нём дальше, пока не приходит в соприкосновение с бумагой.
Перенос тонера
В месте контакта фотовала с бумагой, под бумагой находится ещё один ролик, называемый роликом переноса. На него подаётся положительный заряд, который он сообщает и бумаге, с которой контактирует. Частички тонера, войдя в соприкосновение с положительно заряженной бумагой, переносятся на неё и удерживаются на поверхности за счёт электростатики.
Если в этот момент посмотреть на бумагу, на ней будет сформировано полностью готовое изображение, которое можно легко разрушить, проведя по нему пальцем, потому что изображение состоит из притянутого к бумаге порошка тонера, ничем другим, кроме электростатики, на бумаге не удерживаемое. Для получения финального отпечатка изображение необходимо закрепить.