Принципы организации современных песональных компьютеров.Архитектуры вычислительных систем сосредоточенной обработки информации.

Архитектурой компьютера называют описание основных принципов действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора (системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д.), ОЗУ, ВЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Современные персональные компьютеры (ПК) продолжают фон Неймановскую архитектуру, которая стала классической. За прошедшие годы она была серьезно усовершенствована. Рассмотрим какие же усовершенствования архитектуры введены.Современный компьютер состоит из нескольких функциональных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого может входить миллионы логических элементов. Для лучшего понимания принципа работы каждого узла и компьютера в целом вводится понятие уровней представления компьютера.

Цифровой логический уровень – уровень логических схем базовой системы элементов.

Микроархитектурный уровень – уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регистры различного назначения, устройство обработки поступающих команд, устройство преобразования данных, устройство управление.

Командный уровень – набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами.

Набор блоков, связей между ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектурой уровня.

Архитектура командного уровня называется обычно компьютерной архитектурой или компьютерной организацией. В этом разделе мы рассмотрим различные компьютерные архитектуры. Архитектуры других уровней будут рассмотрены в следующих разделах.

Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно (не в рамках компьютерной сети) и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных.

2.6.1. Архитектуры с фиксированным набором устройств

Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Такая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логических элементов которых построена на дискретных электронных компонентах (электронных лампах, транзисторах). Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры был сопряжён с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и резко увеличивал стоимость всей системы. Поэтому компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупнённая схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 2.2. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ, АЛУ обеспечивает не только числовую обработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя её занесение в оперативную память. Канал ввода/вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определённого числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

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.

2.6.2. Вычислительные системы с открытой архитектурой

В начале 70-х годов фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитектура позволяла свободно подключать любые периферийные устройства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине передачи информации.

Системная шина конструктивно является набором параллельных проводников, состоит из трех шин:

- Шина Данных по ней передаются данные;

- Шина Адреса - опеределяет адреса данных;

- Шина Управления – передаются сигналы управляющие процессом обмена данными и выполнением операций.

Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании общей шины, приведена на рис. 2.3. Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Внешние устройства (ВУ) подключаются к шине через – контроллер. Контроллер - это тоже процессор, выполняющий (в отличие от центрального микропроцессора ЦМП) небольшое число команд по управлению внешним устройством и согласование сигналов устройства с сигналами.

Например, раньше, чтобы распечатать какой либо участок памяти, процессор проверял готовность принтера, устанавливал пишущий узел в начало строки, изымал из памяти первый символ, печатал, второй, печатал и т.д. Сейчас ЦМП дает контроллеру задание распечатать область в памяти. А контроллер сам проверяет готовность устройства, сам по каналам прямого доступа к памятиобращается к памяти, сам пересылает распечатываемые ячейки к себе в буферную память, сам управляет печатью. ЦМП в это время продолжает работать дальше по прежней программе или по другой. Таким образом, каждое устройство работает относительно самостоятельно, повышая эффективность всей системы в целом.

Контроллер подключается к шине специальными устройствами – портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обращения к нему процессора происходит, так же как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.