Архитектура персонального компьютера
Содержание:
- Классическая архитектура по Д. фон Нейману
- Архитектура персональных компьютеров, используемых в настоящее время
- Архитектура ПК с использованием нескольких процессоров
- Многомашинная версия вычислительной системы
- Компьютерная архитектура при использовании параллельных процессоров
В данном материале будет подробно рассмотрен вопрос о том, что входит в понятие архитектуры персонального компьютера, а также ее особенности. Под термином “Архитектура компьютера”, как правило, понимается состав компьютера и относящееся к нему программное обеспечение, вся совокупность его функциональных элементов, начиная от самых главных узлов компьютера и заканчивая самыми простыми схемами, а помимо этого — связи всех этих составляющих между собой.
Архитектура ПК помимо всего прочего определяет также принципы действия и информационные связи между теми или иными типами логических узлов в персональном компьютере. Логическими узлами компьютера принято считать его процессор, а также его запоминающие устройства, относящиеся к нему и подключаемые периферийные компоненты. Программное управление представляет собой самый главный принцип в построении всех существующих персональных компьютеров.
Классическая архитектура по Д. фон Нейману
Математиками Д. фон Нейманом, Г. Голдштейном, А. Бёрксом в их совместной статье были изложены новые на тот момент предложения по построению и функционированию компьютера. По ним и начали собираться первое и второе поколения ПК. Последующие же претерпевали ряд преобразований, но данные принципы оставались неизменными.
Главными принципами по фон Нейману считаются:
- применение двоичной системы счисления, по причине того, что с ее применением ЭВМ значительно легче проводить свои операции нежели в других;
- управление ЭВМ с помощью ПО, состоящего из определенной последовательности команд, и в этой четкой последовательности выполняющихся; создание устройства, хранящего в своей памяти программы, стало началом программирования;
- хранение различных данных в самой памяти ЭВМ, закодированных в двоичной системе счисления;
- ячейки памяти состоят из пронумерованных в четкой последовательности адресов, при условии того, что существует возможность обратиться к каждой из них. Это положило начало для использования в программировании переменных;
- последовательность выполнения программ в ЭВМ, при которой имеется такая возможность как реализация переходов к любым частям кода.
Основной принцип заключался прежде всего в том, что на тот момент уже программа начала становиться не константной неразрывной частью ПК, а изменяемой.
Нейман, помимо принципов, также предложил и свою теорию структуры для ПК. В нее вошли:
- запоминающее устройство (ЗУ);
- арифметико-логическое устройство (АЛУ);
- устройство управления (УУ), предназначенное для координации действий узлов ЭВМ;
- устройство ввода и вывода.
В запоминающем устройстве происходил процесс ввода данных из устройства ввода посредством АЛУ. Команды заносились в соответствующую ячейку памяти, а данные - в произвольные ячейки. Команды имели в составе своем определенные указания той самой операции, какую требовалось выполнять, адреса тех самых ячеек, в которых хранились эти данные и требовалось выполнение операции, и те ячеечные адреса, в содержимое которых требовалось записывать полученные данные. Из АЛУ они выводились в ЗУ и устройство вывода. Разница была в том, что в записывающем устройстве хранение происходит в адаптированном к компьютерной обработке формате, а подающиеся на вывод - в адаптированном для пользователя ПК. От устройства управления остальные получают определенные сигналы, а в УУ идет уже отчет о результатах выполнений этих команд.
Устройство управления содержит в себе специальные регистры (или ячейки), иными словами, представляет собой некий счетчик команд. Туда заносится адрес самой первой из поступивших команд от выполняемой программы. Устройство при этом считывает содержимое регистра и перемещает его в другое специальное устройство – так называемый, регистр команд. УУ в процессе определяет полностью всю операцию от данной команды, «помечает» нужные данные и ведет контроль по выполнению поступившей команды. Операция выполняется АЛУ и аппаратными средствами этого ПК. При завершении команды данный счетчик повышается на единицу, показывая последующую команду. Если необходимо выполнить команду, не являющуюся следующей, то команда перехода будет состоять из назначения той ячейки, в которую требуется передача.
Архитектура персональных компьютеров, используемых в настоящее время
В основе архитектуры всех существующих и в нынешнее время используемых компьютеров лежит использование так называемого магистрально-модульного принципа. Он заключается в том, что компьютер имеет в составе обособленные модули, являющиеся частично автономными элементами. Данный принцип дает пользователю возможность собственными силами собрать требуемую конфигурацию компьютера. Этот принцип исходит из магистрального принципа в информационном обмене. Чтобы ПК мог работать по принципу единого механизма, нужен информационный обмен между модулями, за что отвечает работа магистральной шины, представленная печатным мостиком материнской платы.
Главные отличительные черты в архитектуре компьютеров соотносятся с принципами компоновки и с выбранным составом аппаратных средств. Эта архитектура отмечается принципом открытости – то есть возможностью включить в состав компьютера дополнительные устройства (как системные и так периферийные), возможностью встраивать обычные пользовательские программы на всех из уровней ПО данного компьютера.
Кроме этого процесс совершенствования архитектуры компьютера тесно связан с интенсивностью процесса обмена информацией с системной памятью ПК. Из нее ПК производит считывание всех исполняемых команд. Иными словами, получается так, что наибольшее число обращений от процессора совершается к памяти а, соответственно, ускорение обмена будет приводить к интенсивности в ускорении работы цепи.
Поэтому, в тех случаях, когда при обмене процессора с памятью происходит задействование магистральной шины, учитываются и все возможные ограничения в скорости именно магистрали, в этих случаях ускорение при обмене данными при помощи магистрали в принципе невозможно. Чтобы решить такую проблему, было решено подключать системную память к высокоскоростной шине. Та же является более близкой к процессору и ей нет потребности ни в использовании сложных буферов, ни использовании больших дистанций. Информационный обмен будет идти с наибольшей скоростью, при этом процесс замедляться не будет замедляться системной магистралью.
Благодаря описанному выше процессу оптимизации, структура компьютера стала уже трехшинной, что стало прогрессом. АЛУ в совокупности с УУ в современных компьютерах совместно представляют процессор.
Архитектура ПК с использованием нескольких процессоров
Если ПК содержит несколько процессоров, то в данном случае есть возможность организации параллельно большого числа данных. Иными словами, может выполняться целый ряд частей одной задачи одновременно.
Многомашинная версия вычислительной системы
Архитектура многомашинных электронно-вычислительных машин несет свое главное отличие прежде всего в том, что каждый в них имеющихся в них процессор обладает своей собственной оперативной памятью. Этот вид архитектуры эффективен в решаемых задачах, отличающихся сложной структурой. Многопроцессорные системы вычисления обладают огромным преимуществом по своей скорости по сравнению с системами с одним процессором.
Компьютерная архитектура при использовании параллельных процессоров
При использовании параллельных процессоров сразу ряд АЛУ управляется одним УУ. Множество данных имеет возможность быть обработанными по единой программе с одним потоком команд. Для такого типа архитектуры возможность иметь большее быстродействие имеется лишь при тех задачах, где будут выполняться параллельно одинаковые операции при разных наборах данных.
Используемые в настоящее время ЭВМ довольно часто в своем составе имеют элементы самых разных типов архитектуры. Есть абсолютно разные виды архитектурных решений, которые отличаются от тех, что упоминались ранее.