ЗАНЯТИЕ № 8. Базовые представления об архитектуре ЭВМ.

Архитектурой компьютера считается его представление на не¬котором общем уровне, включающее описание пользовательских воз¬можностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д. Архитектура определяет принципы дей¬ствия, информационные связи и взаимное соединение основных устройств компьютера: процессора, основной памяти (ОП), внешних запоминающих устройств (ВЗУ) и периферийных устройств (ПУ). Со¬вокупность процессора и основной памяти называют центральным устройством (ЦУ) компьютера. Общность архитектуры разных ком¬пьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользова¬теля.
Структура компьютера — это совокупность его функциональ¬ных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных устройств компьютера до про¬стейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.
В настоящее время в зависимости от организации ЦУ разли¬чают два вида архитектур ЭВМ:
1 Архитектура фон Неймана.
2 Гарвардская архитектура.
5.1 Архитектура фон Неймана (Принципы фон Неймана)
В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функцио¬нирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производи¬лись первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана акту-альны и сегодня.
По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и от¬крытия многих других ученых и сформулировать на их основе прин¬ципиально новое.
Принципы фон Неймана

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические опе-рации в двоичной системе счисления также выполняются доста¬точно просто.
2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполня¬ются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.
3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их спо¬соб записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над дан¬ными.
4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последова¬тельно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл воз¬можность использовать переменные в программировании.
5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются после¬довательно, в программах можно реализовать возможность пе¬рехода к любому участку кода.
   Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изме¬нить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.
   Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными пере¬мычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько ми¬нутной установки на жесткий диск.
   Как работает машина фон Неймана

Машина фон Ней¬мана состоит из запомина¬ющего устройства (памяти) — ЗУ, арифметико-логиче¬ского устройства — АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода(рис 135).
Программы и дан¬ные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завер¬шения работы.

Команда состоит из указания, какую операцию следует выпол¬нить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить ука¬занную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать ре¬зультат (если его требуется сохранить в ЗУ).
Арифметико-логическое устройство выполняет указанные ко¬мандами операции над указанными данными.
Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.
УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.
Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки про¬граммы и данных в память в счетчик команд записывается адрес пер¬вой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет опера¬цию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.
В результате выполнения любой команды счетчик команд из¬меняется на единицу и, следовательно, указывает на следующую ко¬манду программы. Когда требуется выполнить команду, не следую¬щую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то коли¬чество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление.

Принцип однородности памяти
Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу ис¬пользования; то есть одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимо¬сти лишь от способа обращения к нему. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветству¬ется. Более полезным является другое следствие принципа однородно¬сти, когда команды одной программы могут быть получены как ре¬зультат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в ос¬нове трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.
Принцип адресности
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы ин¬формации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек — ад¬реса.
Принцип программного управления
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения за¬дачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последо-вательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении по¬рядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.
Принцип двоичного кодирования
Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип инфор¬мации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определен¬ный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выде¬ляют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.
Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения про¬граммы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – вы¬ходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципи¬альной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с резуль¬татами вычислений.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие прин¬ципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, ко¬торая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Ос¬новными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 136. Сле¬дует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а кла¬виатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.

Устройство управления и ари-фметико – логичес-кое устройство в современных ком-пьютерах объеди-нены в один блок – процессор, являю-щийся преобразо-вателем информа-ции, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирова¬ние и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифме¬тических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. За­поминающее устройство у современных компьютеров «многоярусно» и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запомина­ющие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с су­щественно более медленным доступом (и значительно меньшей стои­мостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последо­вательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (ад­рес) очередной ячейки памяти. из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчи­ком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычисли­тельных устройств оказались настолько фундаментальными, что полу­чили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подав­ляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых от­сутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отли­чия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изме­нить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вы­числения, а логические выводы

5.2 Гарвардская архитектура.

Отличается от архитектуры фон Неймана разбивкой основной памяти на две части: памяти программ и памяти данных. Используется в микроконтроллерах.

5.3  Структурные схемы современных ЭВМ

Если абстрагироваться от подробностей, то современные ЭВМ можно разделить на два типа:

1. Большие (универсальные) ЭВМ.

2 .Персональные компьютеры.

Собственно обработка данных производится процессором, со­держащим арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). В этих ЭВМ возникает проблема организации взаи­модействия быстродействующего процессора с большим числом срав­нительно медленно действующих периферийных устройств. Данная проблема решается при помощи специализированных процессоров ввода-вывода (каналов ввода-вывода), которые подразделяются на два вида:

1. Мультиплексные каналы.

2. Селекторные каналы.

Мультиплексный канал обслуживает несколько одновременно работающих с небольшой скоростью ПУ (печать, сканер и т.д.)

Селекторный канал связывает процессор и память с ПУ, рабо­тающими с высокой скоростью передачи данных (магнитные диски, магнитные барабаны и т.д.), разрешая одновременную работу только одному ПУ.

В этих компьютерах процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимодействуют между собой и с внешними устройствами (ВнУ) через внутренний канал, называемой также системной маги­стралью, общий для всех устройств.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства подключаются к аппаратуре ком­пьютера через специальные контроллеры, которые освобождают про­цессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Как взаимодействуют между собой устройства, представляю­щие основные логические компоненты ЭВМ, определяется типом ар­хитектуры. Основные классические типы архитектур:

• магистральная,
• «звезда»,
• иерархическая.

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое про­ходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер.

К этому типу архитектуры относится и архитектура персо­нального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также систем­ной магистралью.

Архитектура типа «звезда» предполагает, что ЦП соединяется непосредственно с внешними устройствами и управляет их работой. Каждое устройство может связываться с любым другим. Этот способ применялся в двух первых поколениях машин, но с возрастанием числа устройств машины такую организацию становится очень сложно реализовать

В настоящее время используется иерархическая архитектура: ЦП соединен с периферийными процессорами, управляющими дру­гими периферийными процессорами или внешними устройствами.

Под архитектурой компьютера понимается его логическая ор­ганизация, структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной си­стемы. Архитектура современных ПК основана на магистрально-мо­дульном принципе.

Модульный принцип позволяет потребителю самому подо­брать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина — это набор электронных линий, свя­зывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служеб­ных сигналов процессор, память и периферийные устройства.

Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все мо­дули, — шине данных, шине адресов и шине управления.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает — это функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.

Разрядность шины данных задается разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабаты­вает за один такт.

Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т. е. шина дан­ных является двунаправленной. К основным режимам работы процес­сора с использованием шины передачи данных можно отнести следу­ющие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних за­поминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ — код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, при­чем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т. е. эта шина является однонаправленной.

По шине управления передаются сигналы, определяющие ха­рактер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимо­действие устройств, участвующих в обмене информацией.

Внешние устройства к шинам подключаются посредством ин­терфейса. Под интерфейсом понимают совокупность различных ха­рактеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяю­щих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, ин­терфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют кон­троллеры.