Однопроцессорная архитектура ЭВМ. Архитектура ПК

Прежде чем приступать к изучению нового материала, мы должны с вами вспомнить, что компьютер (электронно-вычислительная машина) – это автоматическое, программно-управляемое устройство для работы с информацией.

Компьютер включает в себя устройства хранения, обработки, ввода и вывода информации. К устройствам хранения относится память компьютера.

Она предназначена для приёма, записи, хранения и выдачи данных. Устройство обработки информации – процессор.

Его работа заключается в получении данных, анализе, обработке и отправке результата работы на требуемое устройство.

В компьютере очень много устройств ввода и вывода информации.

Их основная задача заключается в приёме и передаче информации.

В 1946 году Джон фон Нейман сформулировал основные принципы устройства ЭВМ, которые называются фон-неймановской архитектурой.

Мы с вами знаем, что современный компьютер включает в себя программное (software) и аппаратное (hardware) обеспечения.

На этом уроке будет рассмотрена однопроцессорная архитектура ЭВМ, также вы познакомитесь с периферийными процессорами и архитектурой персонального компьютера.

Вычислительные машины существовали и до XX века. К ним можно отнести счёты, логарифмические линейки, арифмометры, счётные машины Паскаля и Беббиджа.

Перечислять можно очень долго. Но всё это относится к механическим устройствам с очень ограниченными возможностями.

А вот 1950-х годах в разных странах начинается серийное производство ЭВМ. Вся история развития ЭВМ делится на поколения. Переход от одного поколения к другому связан с различными причинами:

·                   смена элементной базы данных, на которых создавались машины;

·                   изменение архитектуры ЭВМ;

·                   развитие основных технических характеристик (скорость вычисления, объём памяти и так далее);

·                   изменение области применения и способов эксплуатации машин.

Архитектура ЭВМ – это наиболее общие принципы построения компьютера, которые реализуют программное управление его работой и взаимодействие основных функциональных узлов.

В основе архитектуры ЭВМ разных поколений лежат принципы Джона фон Неймана.

Но в процессе развития ЭВМ происходят некоторые отклонения от фон-неймановской архитектуры.

История электронных вычислительных машин I поколения (1950-е года) связана с изобретением в 1906 году американским инженером Ли де Форестом вакуумного триода.

I поколение – это поколение компьютеров-монстров, которые занимали целые комнаты и потребляли мощность, которой было бы достаточно для работы небольшого завода.

Несмотря на это, производительность таких машин была весьма скромной.

Следующее изменение ЭВМ, которое отразилось на качестве, произошло после изобретения в 1947 году Джоном БардИном, Уолтером Браттейном и УИльямом ШОкли полевого транзистора.

Таким образом, II поколение появилось в 1960-е гг., когда вместо вакуумных ламп (триодов) в ЭВМ начали использовать полупроводниковые транзисторы, что позволило существенно уменьшить размеры и энергопотребление машин, а также повысить их быстродействие и надёжность.

Но архитектура машин I и II поколений была схожа. В большей степени она соответствовала принципам фон Неймана. Давайте рассмотрим схему, с помощью которой узнаем принцип работы таких машин.

В этих машинах располагался один процессор, который управлял работой всех устройств: внутренней и внешней памяти, устройств ввода и вывода. То есть внутренняя память может обращаться к внешней, а внешняя к внутренней. Также во внутреннюю память поступают данные от устройства ввода информации. А внутренняя память в свою очередь передаёт данные на устройство вывода. И все эти операции происходят непосредственно через процессор.

Итак, согласно принципам фон Неймана, исполняемая программа храниться во внутренней памяти – оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Так же во внутренней памяти находятся данные с которыми работает исполняемая программа. Как мы с вами знаем, любая программа состоит из определённого количества команд. А память компьютера представляет собой таблицу с ячейками. Каждая команда программы и каждая величина занимают определённые ячейки памяти.

Давайте разберёмся на примере таблицы.

У нас есть программа, которая состоит из N команд. То есть каждая команда будет располагаться в соответствующей ей ячейке. Каждая ячейка будет иметь порядковый номер от единицы до N, в зависимости от количества команд. Последняя команда всегда будет являться командой остановки (завершения) программы. Также во внутренней памяти отводятся ячейки под хранение данных, с которыми работает программа. Они будут нумероваться следующим образом: N+1, N+2 и так далее. А в каждой ячейке будет располагаться соответствующая величина.

Вернёмся снова к нашей схеме.

От внутренней памяти в процессор поступают команды в порядке их очерёдности. Процессор в свою очередь извлекает из внутренней памяти обрабатываемые величины и заносит их в специальные ячейки своей внутренней памяти. Такие ячейки называются регистрами. Далее идёт выполнение команды, после чего полученный результат записывается в определённую ячейку памяти. Затем в процессор поступает следующая команда и всё повторяется. Так будет продолжаться до тех пор, пока в процессор не поступит последняя команда N, которая будет говорить о том, что программа завершила свою работу и команды больше не будут поступать в процессор.

Команды программы делятся на команды обработки данных и команды обращения к внешним устройствам. При поступлении в процессор команды обработки информации, он выполняет её сам при помощи входящего в него арифметико-логического устройства (АЛУ). А вот при поступлении в процессор команды, которая обращена к внешним устройствам, он перенаправляет её в соответствующее устройство. После чего это устройство само выполняет поступившую в него команду. Выполнение таких команд занимает намного больше времени, чем выполнение команд обработки данных.

То есть при однопроцессорной архитектуре, которую мы с вами рассматриваем, процессор передаёт команду во внешнее устройства и ждёт её завершения, и только после этого в него поступает очередная команда. Таким образом, можно сказать, что, если в программе присутствует большое количество команд, которые обращены к внешним устройствам, большую часть времени процессор находится, так сказать, в режиме ожидания, пока внешние устройства выполнят все эти команды. Соответственно КПД процессора становится низким. Быстродействие ЭВМ с такой архитектурой находилось в пределах 10 – 20 тыс. оп./с.

Следующим продвижением был отказ от однопроцессорных ЭВМ. Давайте снова рассмотрим схему.

На последних моделях машин II поколения вместе с центральным процессором (ЦП), который выполнял обработку данных, ставились периферийные процессоры. Их задачей являлось автономное управление устройствами ввода/вывода и внешней памятью. Такие процессоры назывались каналами ввода/вывода. То есть работа происходила следующим образом: если в процессор шла команда обработки данных, то он выполнял её сам, а если поступала команда, обращённая к внешним устройствам, то он перенаправлял её на соответствующий канал ввода/вывода, который контролировал выполнение команды. Сам же процессор в это время приступал к выполнению следующей команды. Таким образом нагрузка на центральный процессор уменьшалась, что привело к увеличению его КПД. Быстродействие некоторых моделей машин с такой архитектурой составляло от 1 до 3 млн оп./с.

Дальнейшее развитие компьютеров связано с использованием интегральных схем.

Впервые такие схемы были изготовлены в 1960 году американским инженером Робертом Нойсом.

Интегральная схема – это множество, от десятков до миллионов, транзисторов, размещённых на одном кристалле полупроводника. Такие схемы использовались на всех моделях ЭВМ III поколения.

Компьютеры III поколения начали выпускаться в 60 – 70 годах XX века. В них использовалась архитектура с одним центральным процессором и периферийными процессорами внешних устройств.

Благодаря такой архитектуре, появилась возможность реализовать мультипрограммный режим работы. То есть периферийный процессор выполнял программу, которая содержала в себе команды, направленные на ввод/вывод данных, а центральный процессор в это время выполнял программу, с помощью которой происходила обработка данных. На некоторых моделях III поколения быстродействие достигало до 10 млн оп./с. Это было осуществлено благодаря совершенствованию элементной базы и других аппаратных средств. Помимо быстродействия, это привело к значительному упрощению самого процесса изготовления ЭВМ.

Но возник вопрос, по разделению ресурсов ЭВМ между несколькими выполняемыми программами. Для разрешения этого вопроса было создано специальное программное обеспечение – операционная система (ОС).

К разделяемым ресурсам относятся время работы центрального процессора и оперативная память. То есть операционная система следит за тем, чтобы программы, которые выполняются одновременно, не мешали друг другу и чтобы КПД центрального процессора был максимальным, то есть чтобы центральный процессор, так сказать, не стоял без дела. Помимо всего этого, операционная система следит за очерёдностью использования несколькими программами общих внешних устройств: внешней памяти, устройств ввода/вывода.

А сейчас перейдём к рассмотрению архитектуры персонально компьютера.

Как вы уже знаете, персональный компьютер (ПК) является самым распространённым типом компьютеров в наше время.

Компьютер – это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.

Персональные компьютеры начали появляться благодаря развитию микропроцессоров в 1970-х годах.

До недавнего времени в устройстве персонального компьютера был один центральный процессор.

Давайте рассмотрим рисунок.

Итак, перед вами изображена архитектура персонального компьютера. На ней изображены функциональные блоки персонального компьютера, к которым относятся устройства ввода/вывода, внешнее запоминающее устройство, центральный процессор, память и видеопамять. Все эти блоки соединены между собой информационной магистралью, которая называется системной шиной. Она состоит из трёх частей: шина данных, шина адреса, шина управления. Шина данных используется для передачи данных к функциональным блокам. Шина адреса предназначена для передачи адресов устройств, которым передаются данные. И последняя, шина управления используется для передачи управляющих сигналов, которые синхронизируют работу разных устройств. То есть через шину передаются все данные от одного устройства к другому.

Также на рисунке у нас есть такие элементы как контроллеры. Контроллеры – это периферийные устройства, которые управляют внешними устройства. Как они взаимодействуют с центральным процессором мы уже с вами знаем, только передача всех данных осуществляется через шину.

Также мы можем видеть на рисунке сплошные и пунктирные стрелки. Сплошными стрелками изображены направления потоков информации, а пунктирными – направление управляющих сигналов.

В этой архитектуре существует такое значительное достоинство, как принцип открытой архитектуры. То есть мы можем подключать к компьютеру новые устройства или заменять старые на более современные. Для каждого типа и модели устройства используется свой контроллер.

Например, если мы подключим телефон к компьютеру через USB-порт, то он определиться у нас на компьютере только после установки в операционную систему специальной программы для управления этим устройством. Такие программы называются драйверами устройств.

Таким образом можно сформулировать следующее определение: открытая архитектура персонального компьютера – это архитектура, предусматривающая модульное построение компьютера с возможностью добавления и замены отдельных устройств.

В 2005 году был создан первый двухъядерный микропроцессор. Это сделали практически одновременно две фирмы Intel и AMD.

Такая архитектура позволяет производить на персональном компьютере параллельную обработку данных, что существенно увеличивает его производительность. Можно сказать, что в архитектуре находятся два центральных процессора, работа которых согласованна между собой и они объединены между собой, например, контроллером. За счёт этого поток данных идёт не к одному центральному процессору, а разделяется на два. И увеличивается быстродействие компьютера.

В настоящее время количество ядер в микропроцессорах достигает восьми.

А сейчас пришла пора подвести итоги урока.

Сегодня мы с вами познакомились с однопроцессорной архитектурой ЭВМ и изучили принципы её работы. Также узнали, что такое периферийные процессора и изучили архитектуру персонального компьютера.