Лекция № 5

Тема занятия :

Архитектура ЭВМ

Архитектура ЭВМ определяет принцип построения и организации её работы (без электрических схем), включая определение функционального состава основных узлов и блоков, а также структуры управляющих и информационных связей между ними.

1 ) Первые поколения ЭВМ создавались в 40-х годах. Архитектура компьютеров первого поколения - это типичная фон-Неймановская архитектура. Команды и данные представляются в двоичном коде. Выполняемая программа и оперативные данные выполняемой программы хранятся в оперативной памяти (ОЗУ). Постояное запоминающее устройство (ПЗУ) используется для хранения постоянных данных и программ. Так, например, в ПЗУ хранятся служебные программы, обеспечивающие взаимодействие оператора (пользователя) с компьютером при помощи устройств ввода-вывода ( УВВ) и устройства управления (УУ). При вводе и выводе данных в компьютерах первого поколения процессор простаивает. Среди устройств ввода-вывода важное место занимает пульт управления, предназначенный для оператора. Оператор может прервать выполнение программы, внести необходимые изменения, и вновь выполнить программу или перейти к решению другой задачи. Пульт управления связан с процессором при помощи устройства управления, формирующего необходимые управляющие сигналы. Условно структура компьютера первого поколения представлена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Структурная схема ЭВМ первого поколения

2) Второе поколение ЭВМ создавалось в период с 1955 по 1964гг. Успехи полупроводниковой технологии и связанные с этим возможности совершенствования структуры ЭВМ, расширения выполняемых функций и усложнения решаемых задач привели к смене элементной базы. Запоминающие устройства на магнитных сердечниках , магнитных барабанах и магнитных лентах вытеснили полностью запоминающие устройства на электронно-лучевых трубках и ртутных ультразвуковых линиях задержки, применяемых в ЭВМ первого поколения. Быстродействие и надежность машин повысилась в несколько раз, транзисторная ЭВМ IBM7090 позволила решать задачи в 5 раз быстрее, чем ее ламповый аналог IBM709. Переход к полупроводниковой технологии позволил значительно уменьшить габариты и потребляемую ЭВМ мощность. В структуру ЭВМ второго поколения был введен специализированный процессор, управляющий обменом данных между устройствами ввода/вывода и основной памятью. Это управление осуществляется программой ввода/вывода, которая считывается из основной памяти и выполняется процессором ввода/вывода автономно. Для обеспечения возможности совместной работы процессора ввода/вывода и центрального процессора были введены прерывания работы центрального процессора по сигналу от процессора ввода/вывода об окончании операции. Процессор пересылает данные в определенную область памяти и передает управление контроллеру канала ввода /вывода (КВВ), при этом он продолжает вычисления. Сущность микропрограммного управления состоит в том, что любая машинная операция выполняется как последовательность микроопераций, вместо аппаратного формирования управляющих сигналов используется микропрограмма. Среди ЭВМ второго поколения появились и первые суперкомпьютеры.

3) ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и ее обработки (рис. 1.2). Центральный процессор включает в себя несколько сопроцессоров ( для вычислений с удвоенной точностью, для работы с символьной информацией). В таком процессоре возможна оптимизация вычислительного процесса за счет совмещения операций, выполняемых в разных устройствах. В устройстве управления центрального процессора появляется устройство формирования адресов для обеспечения многопользовательского режима работы. Мультиплексный канал обеспечивает обмен с однородными устройствами (терминалами). Обслуживается несколько медленных устройств одновременно. Селекторный канал служит для скоростного обмена между основной памятью и быстродействующими внешними устройствами. Особенно важно организовать быстрый обмен с видеосистемой компьютера при обработке графической информации. Селекторный канал работает в монопольном режиме и обслуживает только одно устройство.

Рис. 1.2. Структурная схема ЭВМ третьего поколения

Сильносвязанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т.е. устройство, предназначенное для обработки данных. Для повышения быстродействия в супер-ЭВМ использовались методы конвейерной и параллельной обработки при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи и управляет потоком данных в системе.

4) В ЭВМ четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис. 1.3). Они унаследовали ее от мини-ЭВМ.

Рис. 1.3. Структурная схема ПЭВМ четвертого поколения

На рис. 3.1. имеются следующие обозначения: ВнУ –внешнее устройств, ОП – основная память (оперативная и постоянная), КПД - контроллер прямого доступа к памяти. Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Конфигурация ЭВМ определяет особенности конструкции и архитектуру основных и вспомогательных (периферийных) средств, необходимых для решения поставленной задачи. Минимальная конфигурация ПЭВМ определяется минимально допустимыми параметрами процессора, памяти для решения поставленной задачи, а также наличием клавиатуры и дисплея.

Открытая архитектура [open architecture] - архитектура, допускающая сборку, усовершенствование и ремонт ЭВМ по её составным частям – типовым конструктивно и электрически совместимым модулям.

Параллельная архитектура [fat node architecture] – архитектура, предусматривающая параллельное выполнение вычислительных процессов, что характерно для многопроцессорных ЭВМ, в том числе суперЭВМ.

Гарвардская архитектура – способ работы с системной памятью, предусматривающий разделение памяти данных и памяти программ, а также выделение шины данных и шины команд, что обеспечивает повышение надёжности и скорости выполнения программ за счёт одновременного считывания управляющих команд и обрабатываемых данных. Разработана в 30-х годах. Данная архитектура широко применяется в сигнальных процессорах и микроконтроллерах.

Архитектура фон Неймана - способ работы с системной памятью, предусматривающий загрузку и выгрузку управляющих программ и данных в произвольное место памяти процессора, которая в этой архитектуре не разделяется на память программ и память данных. Данная архитектура используется в универсальных процессорах и некоторых видах микроконтроллеров.

Процессор – основная функциональная часть компьютера, которая интерпретирует и выполняет команды, т.е. непосредственно реализует программно-управляемый процесс обработки.

Микропроцессор – синоним термина «процессор» – отражает технологию исполнения процессора в виде микросхемы с высокой степенью интеграции элементов.

Сопроцессор — специализированный процессор, расширяющий возможности центрального процессора компьютерной системы, но оформленный как отдельный функциональный модуль. Физически сопроцессор может быть отдельной микросхемой или может быть встроен в центральный процессор (как это делается в случае математического сопроцессора в процессорах для ПК начиная с Intel 486DX).

Универсальный микропроцессор – процессор для ЭВМ с большим количеством базовых команд и быстродействием.

Микроконтроллер [от англ. to control – управлять] – специализированный процессор с малым количеством базовых команд для управления, как правило, несложными техническими устройствами, отличается малой стоимостью и потребляемой энергией. Микроконтроллеры используются в мобильных телефонах, автомобилях, микроволновых СВЧ-печах, электронных термометрах и других устройствах.

Центральный процессор [CPU – Central Processor Unit] – основной процессор в мультипроцессорной системе.

Микропроцессорный комплект («чипсет») – комплект аппаратно- и программно-совместимых микросхем для использования с микропроцессором.

Микропроцессорная система – совокупность вычислительных средств, в которые входят один или несколько микропроцессоров, полупроводниковая память и средства интерфейса.

Ядро компьютера – основная часть компьютера, включающая процессор и оперативную память.

Ядро процессора [core] – основная составляющая часть процессора, осуществляющая выполнение команд. Ядро включает в себя схемные блоки арифметико-логического устройства, реализующего выполнение команд, и конвейеры команд. Одно из перспективных направлений развития ЭВМ - создание многоядерных процессоров, содержащих в одном кристалле по два и более АЛУ.

Арифме́тико-логи́ческое устро́йство (АЛУ) ( от англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, представляемыми в виде машинных слов, называемыми в этом случае операндами. АЛУ – устройство, содержащее ряд блоков для выполнения инструкций (команд): арифметико-логический блок (АЛБ) с сумматором и аккумулятором или блоком регистров общего назначения (РОН), либо стеком для временного хранения операндов; блок управления и блок контроля.

Архитектура процессора – принцип его схемного построения, а также структура регистров и их функции, список команд, способы адресации, разрядность, ёмкость адресуемой памяти и пр. Различают следующие основные архитектуры микропроцессоров:

с аккумулятором А (рис.2), в регистр которого заносится операнд и результат вычисления;
с регистром общего назначения (РОН) (рис.3), содержащим от 8 до 16 регистров, каждый из которых может выполнять функции аккумулятора, что приводит к уменьшению количества обращений к сравнительно медленному ОЗУ;
со стековой архитектурой, в которой отсутствуют аккумулятор и РОН, а все операции с данными выполняются в порядке «польской записи»: операнды размещают в стеке (наборе регистров памяти) в последовательности выполнения над ними действий. Чтение данных и их запись в стек осуществляют с помощью указателя стека SP;
комбинированные (рис.4), которые объединяют свойства архитектур с аккумулятором, РОН и стеком (данная архитектура наиболее распространена).

Cхема с комбинированной структурой содержит:

сложный комбинированный сумматор SM, в котором выполняются арифметические и логические операции, регистры А и ТР (вместе они образуют АЛБ);
блок РОН (регистры B,C,D,E,H,L), программный счётчик (PC), указатель стека SP, регистр исполнительного адреса EAR;
блок интерфейса с шинами ША, ШУ. ШД ;
устройство управления с регистром команд IR.