Архитектура персонального компьютера. 2

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы «Архитектура персонального компьютера» (ПК) обусловлена тем, что организация взаимодействия между всеми элементами компьютера является чрезвычайно сложной задачей.

Для решения сложных задач используется универсальный прием – декомпозиция, то есть разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач-модулей. Декомпозиция состоит в четком определении функций каждого модуля, а также порядка их взаимодействия. При декомпозиции часто используют многоуровневый подход.

Персональный компьютер, как и любая сложная система, обладает многоуровневой организацией при которой абстракции более высокого уровня не только надстраиваются над абстракциями более низкого уровня, но и органично включают их в свой состав. Многоуровневая компьютерная организация иногда называется архитектурой компьютера.

Архитектура ПК определяет принцип действия, информационные связи  и взаимное соединение основных логических узлов компьютера:

• центрального процессора;
• основной памяти;
• внешней памяти;
• периферийных устройств.

Изначально практически все современные персональные компьютеры отражали классическую архитектуру, основанную на принципах фон Неймана.

Целью данной работы является анализ архитектуры персонального компьютера.

Задачи данной работы включают в себя описание таких особенностей архитектуры персонального компьютера, как многоуровневая организация и магистрально-модульный принцип; описание классической структуры ЭВМ – модели фон Неймана, а также анализ особенностей современных ЭВМ.

 

1. АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

1.1. Многоуровневая организация персонального компьютера

Применительно к вычислительным системам в целом термин «архитектура» можно интерпретировать как распределение функций, реализуемых системой, по ее уровням и определение интерфейсов между этими уровнями. Очевидно, архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую, иерархическую организацию.

Взаимодействие между различными уровнями осуществляется посредством интерфейсов. Например, система в целом взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов: языки высокого уровня, системные программы и т.д. Большинство современных вычислительных систем состоят из трех и более уровней.

На самом нижнем уровне (нулевом) – цифровом логическом уровне, объекты называются вентилями или переключателями. Эти переключатели могут находиться в одном из двух устойчивых состояний: переключатель включен или выключен, конденсатор заряжен или разряжен, магнитный домен намагничен или нет, транзистор находится в проводящем состоянии или непроводящем и т.п.

Одно из таких физических состояний  создает высокий уровень выходного  напряжения (например, 4 В), а другое – низкий (например, 0 В). В компьютере эти электрические напряжения принимаются соответственно за 1 (логическая) и 0 (логический). Хотя возможно и обратное кодирование.

Следующий уровень – микроархитектурный уровень. На этом уровне можно анализировать совокупности логических схем, например АЛУ, оперативную память, регистры.

Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, обеспечивающий тот или иной алгоритм выполнения арифметической или логической операции. Иногда, работа тракта данных регулируется особой программой – микропрограммой. Сейчас чаще всего тракт данных контролируется аппаратным обеспечением.

Второй уровень называется уровнем архитектуры системы команд. В процессе работы МП обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле ОП, а также во внешних портах ЭВМ. Часть данных он интерпретирует как непосредственно данные, часть как адресные данные, а часть как команды.

Совокупность  всех возможных команд образует систему  команд процессора. Именно система команд (расширенная или сокращенная) разделяет процессоры на RISC, CISC или векторные, суперскалярные и т.д.

Машинная команда состоит  из двух частей: операционной и адресной.

Операционная часть  команды – это группа разрядов в команде, предназначенная для  предоставления кода операции машины (КОП).

Адресная часть команды – это группа разрядов, в которых записываются коды адреса ячеек памяти машины. Часто эти адреса называются адресами операндов, т.е. чисел, участвующих в операции.

По количеству адресов, записываемых в команде, команды  делятся на безадресные, одно -, двух- и трехадресные.

Типовая структура трехадресной команды:

КОП

Адрес 1-го операнда

Адрес 2-го операнда

Адрес результата

 

Типовая структура двухадресной команды:

КОП

Адрес 1-го операнда

Адрес 2-го операнда

 

В этом случае, результат  операции записывается на место 1-го операнда.

Типовая структура одноадресной команды:

КОП	Адрес операнда, результата или перехода

 

Типовая структура безадресной  команды:

КОП	Расширение кода операции

 

Современные ЭВМ выполняют  несколько сотен различных команд, структура команд, их сложность и длина определяют архитектуру процессора.

Все машинные команды  можно разделить на группы по видам  выполняемых операций:

• операции пересылки информации внутри ЭВМ;
• арифметические операции над информацией;
• логические операции над информацией;
• операции обращения к внешним устройствам ЭВМ;
• операции передачи управления;
• обслуживающие и вспомогательные операции.

Следующий уровень – уровень ОС обычно гибридный. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры системы команд. Далее идут высокоуровневые блоки, которые уже предназначены для прикладных программистов, первые три для системных программистов.

На рис.1 показан пример такого подхода.

 

Уровень 5

Трансляция (компилятор)

Уровень 4

 

Трансляция (ассемблер)

Уровень 3

 

Трансляция 

Уровень 2

 

Интерпретация (микропрограмма)

Уровень 1

 

Аппаратное обеспечение

Уровень 0

 

 

Рис. 1 Шестиуровневое представление компьютера

1.2. Классическая структура ЭВМ - модель фон Неймана

В каждой области науки  и техники существуют некоторые фундаментальные идеи или принципы, которые определяют ее содержание и развитие. В компьютерной науке роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя гениями современной науки - американским математиком и физиком Джоном фон Нейманом и советским инженером и ученым Сергеем Лебедевым.

Принято считать, что первый электронный  компьютер ENIAC был изготовлен в США в 1946 г. (если мы на минуточку забудем, что уже в 1941 году цифровая машина Z1 и Z2 Конрада Цузе рассчитывала траекторию ракет обстреливающих Лондон). Блестящий анализ сильных и слабых сторон проекта ENIAC был дан в отчете Принстонского института перспективных исследований «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства» (июнь 1946 г.). Этот отчет, составленный выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом и его коллегами по Принстонскому институту Г. Голдстайном и А. Берксом, представлял проект нового электронного компьютера. Идеи, высказанные в этом отчете, известные под названием «Неймановских Принципов», оказали серьезное влияние на развитие компьютерной техники.

Сущность «Неймановских Принципов» состояла в следующем:

1. Двоичная система счисления - компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;
2. Принцип программного управления и хранимой в памяти программы - компьютер работает под управлением программы, программа должна размещаться в одном из блоков компьютера - в запоминающем устройстве (первоначально программа задавалась путем установки перемычек на коммутационной панели);
3. Принцип однородности - команды, так же как и данные, с которыми оперирует компьютер, хранятся в одном блоке памяти и записываются в двоичном коде, то есть по форме представления команды и данные однотипны и хранятся в одной и той же области памяти;
4. Принцип адресности – основная память структурно состоит из нумерованных ячеек, т.е. доступ к командам и данным осуществляется по адресу. Трудности физической реализации запоминающего устройства большого быстродействия и большой памяти требуют иерархической организации памяти;
5. В компьютере используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над двоичными кодами осуществляются одновременно над всеми разрядами).

В Советском Союзе  работы по созданию электронных компьютеров  были начаты несколько позже. Первый советский электронный компьютер  был изготовлен в Киеве в 1953 г. Он назывался МЭСМ (малая электронная  счетная машина), а его главным  конструктором был академик Сергей Лебедев, автор проектов компьютеров серии БЭСМ (большая электронная счетная машина).

Самой важной отличительной чертой модели фон Неймана был и остается принцип единой линейной памяти, которая адресуется последовательными адресами и в которой команды неотличимы от данных. Структура ЭВМ фон Неймана приведена на рис. 2.

Рис.2 Модель фон Неймана

Представления данных как чисел и соответствующий  характер команд с самого начала определили выбор архитектуры, ориентированной на числовую обработку. Обычно в этих ЭВМ данные представляются в виде скалярных данных, векторов и матриц. Числа в ЭВМ представляются как целые.

Таким образом, ЭВМ с архитектурой фон Неймана, это ЭВМ с управлением потоком команд. Принято считать, что ВМ с архитектурой фон Неймана присущи следующие особенности:

1. единая, последовательно адресуемая память (обычные скалярные однопроцессорные системы, при этом наличие конвейера не меняет дела);
2. память является линейной и одномерной (одномерная – имеет вид вектора слов, память состоит из ячеек фиксированной длины и имеет линейную структуру адресации);
3. отсутствует явное различие между командами и данными;
4. ход выполнения вычислительного процесса определяется только централизованными и последовательными командами или, другими словами, управление потоком команд (выбрать адрес команды – выбрать данные – произвести действие и т.д.);
5. назначение данных не является их неотъемлемой, составной частью, назначение данных определяется логикой программы.

Нет никаких средств, позволяющих отличить набор битов, представляющих число с плавающей точкой, от набора битов, являющихся строкой символов. Если процессор извлекает из ОП команду сложения чисел с плавающей точкой и над ними выполняется сложение согласно правилам арифметики с плавающей точкой, хотя в действительности они могут быть просто строкой символов.

Центральное место среди «принципов Неймана» занимает предложение об использовании двоичной системы счисления, что было обусловлено рядом обстоятельств. Во-первых, несомненными арифметическими достоинствами двоичной системы счисления, ее «оптимальным» согласованием с «булевой» логикой и простотой технической реализации двоичного элемента памяти (триггера).

Однако на определенном этапе развития компьютерной техники  было обнаружено ряд недостатков  классической двоичной системы счисления.

Первым из них является так называемая "проблема представления отрицательных чисел". Как известно, отрицательные числа непосредственно не могут быть представлены в классической двоичной системе счисления, использующей только две двоичные цифры 0 и 1, без дополнительных "ухищрений". Основным "ухищрением" является использование специальных кодов для представления отрицательных чисел - обратного или дополнительного.

Второй недостаток двоичной системы счисления - ее "нулевая избыточность". Дело в том, что если в процессе передачи, хранения или обработки двоичной кодовой комбинации, например 10011010, под влиянием "помех", действующих в "канале", произойдет искажение данной кодовой комбинации и она перейдет в кодовую комбинацию 11010010 (искажения отдельных битов подчеркнуты), то, поскольку комбинация 11010010 (как и любая другая двоичная кодовая комбинация) является "разрешенной" в классической двоичной системы счисления, то не существует способа обнаружить данную ошибку без дополнительных "ухищрений", то есть без использования специальных методов избыточного кодирования.

Третий недостаток более  серьезен. Применение двоичной булевой логики необходимо приводит к появлению условия синхронности в процессорах. Двоичная логика не включает в себя условие завершения функции, а это значит, что она может существовать только на фоне соответствующей временной диаграммы. Другими словами наряду с потоком данных и команд должен существовать поток управляющих импульсов, или «стробов», поступающих от системных часов.

1.3. Магистрально-модульный принцип  архитектуры современных персональных  компьютеров

Архитектура современных  персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе (рис. 3). Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемую системной шиной. Системная шина выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

Микропроцессор - это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

• между микропроцессором и основной памятью;
• между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
• между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.

Порты ввода-вывода всех устройств через соответствующие разъемы (слоты) подключаются к шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры (адаптеры).

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками компьютера.

Внешняя память используется для долговременного хранения информации, которая может быть в дальнейшем использована для решения задач. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических символов, частота которых задает тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет такт работы машины.

Источник питания - это блок, содержащий системы автономного и сетевого питания компьютера.

Таймер - это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие автоматический съем текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания и при отключении компьютера от сети продолжает работать.

Внешние устройства компьютера обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

Рис. 3 Архитектура  персонального компьютера

 

Важнейшей частью материнской  платы является чипсет, который во многом определяет архитектуру современного персонального компьютера.

Современные компьютеры содержат две основные большие микросхемы чипсета (рис. 3):

• контроллер-концентратор памяти, или Северный мост (англ. North Bridge), который обеспечивает работу процессора с оперативной памятью и с видеоподсистемой;
• контроллер-концентратор ввода/вывода, или Южный мост (англ. South Bridge), обеспечивающий работу с внешними устройствами.

Между Северным мостом и процессором данные передаются по системной шине (FSB от англ. FrontSide Bus). В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины.

Обмен данными между  северным мостом и оперативной памятью производится по шине памяти, частота которой может быть больше (например, в 4 раза), чем частота системной шины. У современных модулей памяти DDR3 частота шины памяти может составлять 400 МГц * 4 = 1600 МГц, т. е. оперативная память получает данные с такой же частотой, что и процессор.

По мере усложнения графики  приложений требования к быстродействию шины, связывающей видеопамять с  процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты к северному мосту все большее распространение получает шина PCI Express. К видеоплате с помощью аналогового разъема VGA или цифрового разъема DVI подключается электронно-лучевой или жидкокристаллический монитор или проектор.

Устройства внешней  памяти (жесткие диски, CD- и DVD-дисководы) подключаются к южному мосту по шине SATA, скорость передачи данных по которой может достигать 300 Мбайт/с.

Для подключения принтеров, сканеров, цифровых камер и других периферийных устройств обычно используется шина USB. Эта шина обладает пропускной способностью до 60 Мбайт/с и обеспечивает подключение к компьютеру одновременно до 127 периферийных устройств (принтер, сканер, цифровая камера, Web-камера, модем и др.).

1.4. Особенности современных ЭВМ

Естественно, что  бурное развитие новых технологий производства средств вычислительной техники привело к появлению целого ряда новшеств и особенностей. Эти отличительные особенности вычислительных машин, появившихся после EDVAC, сводятся к следующим:

• Индексные регистры. Позволяют формировать адреса памяти добавлением содержимого указанного регистра к содержимому поля команды. Этот принцип впервые реализован в 1949г. в ЭВМ Манчестерского университета и использован в 1953г. фирмой Electro Data Corporation при производстве ЭВМ Datatron.
• Регистры общего назначения. Благодаря этой группе регистров устраняется различие между индексными регистрами и аккумуляторами и в распоряжении пользователя оказывается не один, а несколько регистров-аккумуляторов. Впервые это решение было применено, вероятно, в ЭВМ Pegasus фирмы Ferranti (1956г.).
• Представление данных в форме с плавающей точкой. Представление данных в виде мантиссы и порядка и выполнение операций над ними было реализовано в 1954г. в вычислительных машинах NORC и 704 фирмы IBM.
• Косвенная адресация. Средство позволяющее использовать команды, указывающие адреса, по которым в свою очередь находится информация о местоположении операндов команд. Принцип косвенной адресации был реализован в 1958г. в ЭВМ 709 фирмы IBM.
• Программные прерывания. При возникновении некоторого внешнего события состояние вычислительной системы, связанное с выполнением прерванной команды, запоминается в определенной области. Этот принцип впервые был применен в 1954г. в машине Univac1103.
• Асинхронный ввод-вывод. Параллельно обычному выполнению команд независимые процессоры управляют операциями ввода-вывода. Первой ЭВМ с независимым процессором ввода-вывода являлась ЭВМ709 фирмы IBM (1958г.).
• Виртуальная память. Определение адресного пространства программы осуществляется без "привязки" к физическим областям памяти обычно с целью создания впечатления, что вычислительная система имеет больший объем основной памяти, чем тот, которым она фактически располагает. В 1959г. в вычислительной системе Atlas Манчестерского университета были реализованы принципы разделения памяти на страницы и динамическая трансляция адресов аппаратными средствами.
• Мультипроцессорная обработка. Два или более независимых процессора обрабатывают потоки команд из общей памяти. Не ясно, кто был первооткрывателем такого способа обработки, однако, в конце 50-х начале 60-х годов, он был реализован в вычислительных машинах Sage фирмы IBM, Sperri-Univac LARC и D825 фирмы Burroughs.

Существенное  противоречие между высокой скоростью  обработки данных в процессоре и  низкой скоростью работы устройств ввода/вывода потребовало высвобождения ЦПУ от функций передачи информации и предоставления этих функций специальным устройствам – контроллерам и интерфейсам.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование архитектуры персонального компьютера позволяет сделать следующие выводы.

Архитектура любой вычислительной системы, в том числе персонального компьютера, предполагает многоуровневую, иерархическую организацию.

Взаимодействие между  различными уровнями осуществляется посредством  интерфейсов. Например, система в целом взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов: языки высокого уровня, системные программы и т.д.

Решение задач на ЭВМ  реализуется программным способом, т.е. путем выполнения последовательно во времени отдельных операций над информацией, предусмотренных алгоритмом решения задачи.

Классическая структура персонального компьютера отвечает модели Фон Неймана. Современные ПК далеко ушли от этой модели, но по-прежнему имеют большое число общих черт, например – двоичная система счисления, управление потоком команд.

Важным направлением развития вычислительных средств пятого и последующих поколений является интеллектуализация ЭВМ, связанная  с наделением ее элементами интеллекта, интеллектуализацией интерфейса с  пользователем и др. Работа в данном направлении, затрагивая, в первую очередь, программное обеспечение, потребует и создания ЭВМ определенной архитектуры, используемых в системах управления базами знаний - компьютеров баз знаний, а так же других подклассов ЭВМ. При этом ЭВМ должна обладать способностью к обучению, производить ассоциативную обработку информации и вести интеллектуальный диалог при решении конкретных задач.

Ряд этих вопросов реализован в перспективных ЭВМ пятого поколения либо находится в стадии технической проработки, другие - в стадии теоретических исследований и поисков.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Баула В.Г. Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования. / М.:Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова, 2012.
2. Гуров В.В., Ленский О.Д., Соловьев Г.Н., Чуканов В.О. Архитектура, структура и организация вычислительного процесса в ЭВМ типа IBM PC М.: МИФИ, 2005. Под ред. Г.Н. Соловьева.
3. Иванова Е.М., Жарков С.В. Организация ЭВМ и вычислительных систем, МГИЭМ, Учебное пособие, М. 2002;
4. Мартиросян С.Т. Организация ЭВМ и вычислительных систем, МГИЭМ, Учебное пособие, М. 2003;
5. Мартиросян С.Т. Организация ЭВМ, комплексов и сетей, МГИЭМ, Учебное пособие, М. 2002;
6. Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК; 17-е изд. - М.: Вильямс, 2007;
7. Таненбаум Э. Архитектура компьютера, Питер, 2002;
8. Халд Г. Технологии передачи данных, Питер, 2003;
9. Архитектура фон Неймана //Электронный ресурс http://ru.wikipedia.org/wiki/Архитектура_фон_Неймана.