Архитектура ЭВМ

Рис. 6. Архитектура магистрального суперкомпьютера

В матричной вычислительной системе процессоры объединяются в матрицу процессорных цементов. В качестве процессорных элементов могут использоваться универсальные процессоры, имеющие собственное устройство управления, или вычислители, содержащие только АЛУ и выполняющие команды внешнего устройства управления. Каждый процессорный элемент снабжен локальной памятью, хранящей обрабатываемые процессором данные, но при необходимости процессорный элемент может производить обмен со своими соседями или с общим запоминающим устройством. В первом случае, программы и данные нескольких задач или независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессоров и выполняются параллельно. Во втором варианте все процессорные элементы одновременно выполняют одну и ту же команду, поступающую от устройства обработки команд на все процессорные элементы, но над разными данными, хранящимися в локальной памяти каждого процессорного элемента. Вариант архитектуры с общим управлением показан на рис. 7. Обмен данными с периферийными устройствами выполняется через периферийный процессор, подключенный к общему запоминающему устройству.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Архитектура матричной вычислительной системы с общим управлением

 

 

Классификация компьютеров  по сферам применения

Наиболее часто при  выборе компьютера для той или  иной сферы применения используется такая характеристика, как производительность, под которой понимается время, затрачиваемое  компьютером для решения той  или иной задачи. Понятие «производительность» определяет и некоторые другие характеристики компьютера, такие, например, как объем  оперативной памяти. Вполне естественно, что компьютер с высокой скоростью  обработки должен снабжаться большим  объемом оперативной памяти, так  как иначе его производительность будет ограничена необходимостью подкачки информации из более медленной внешней  памяти. Можно считать, что производительность является некоторой интегрированной  характеристикой, определяющей общую  вычислительную мощность компьютера, и, соответственно, области его применения.

По производительности компьютеры можно условно разбить на три  класса:суперкомпьютеры; мэйнфреймы; микрокомпьютеры.

Суперкомпьютеры – компьютеры с производительностью свыше 100 млн операций в секунду. Применяются для решения таких задач, как моделирование физических процессов, гидрометеорология, космические исследования и других задач, которые требуют огромных объемов вычислений. Выполняются обычно по многопроцессорной архитектуре, имеют большой набор внешних устройств, и, как правило, выпускаются небольшими партиями для конкретной задачи или конкретного заказчика. Обычно важность решаемой задачи такова, что основным параметром суперкомпьютера является его высокая производительность, а такие параметры, как стоимость, размеры или вес, не являются определяющими.

Мэйнфреймы – компьютеры с производительностью от 10 до 100 млн операций и секунду. Они используются для решения таких задач, как хранение, поиск и обработка больших массивов данных, построение трехмерной анимационной графики, создание рекламных роликов, выполняют роль узлов глобальной сети, используемой торговыми или компьютерными фирмами с большим потоком запросов. Выполняются по многопроцессорной архитектуре с обшей шиной и небольшим числом мощных процессоров. Конструктивно выполняются и виде одной стойки или» настольном варианте. Стоимость мэйнфреймом колеблется от тридцати до трехсот тысяч долларов.

Микрокомпьютеры – компактные компьютеры универсального назначения, в том числе и для бытовых целей, имеющие производительность до 10 млн. операций в секунду.

Микрокомпьютеры или персональные компьютеры, можно классифицировать по конструктивным особенностям: стационарные (настольные) и переносные. Переносные компьютеры, и спою очередь, можно  разделить на портативные (laptop), блокноты (notebook) и карманные (Palmtop). Портативные компьютеры по размеру близки к обычному портфелю, они, в настоящее время, уступают место более компактным. Блокноты по размеру близки к книге крупного формата и имеют массуоколо 3 кг. Карманные компьютеры в настоящее время являются самыми маленькими персональными компьютерами. Они не имеют внешней памяти на магнитных дисках, она заменена на энергонезависимую электронную память. Карманный компьютер можно использовать как словарь-переводчик, оганайзер или записную книгу.

Функциональная  организация персонального компьютера

Центральный процессор

Центральный процессор (ЦП) – функционально-законченное программно-управляемое  устройство обработки информации, выполненное  на одной или нескольких СБИС. В  современных персональных компьютерах  разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

• тина» система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer(CISC);
• сокращенный набор команд фиксированной длины – Reduced Instruction SetComputer (RISC).

Весь ряд процессоров  фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих ПК имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать команду, наиболее подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управлении процессором, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнении.

RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC-архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Упрощенная схема процессора, отражающая основные особенности архитектуры  микроуровня, приведена на рис. 8. Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устройство управления выполнением команд. Оно содержит:

• буфер команд, который хранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшай время ее выборки из памяти;
• дешифратор команд расшифровывает код операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы, которая реализует исполнение команды;
• управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счетчик микрокоманд, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;
• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд – это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него информация сохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения.

Рис. 8. Архитектура CISC процессора

 

 

Поступивший от дешифратора  команд адрес записывается в счетчик  микрокоманд устройства выборки, и  начинается процесс обработки последовательности микрокоманд. Каждый разряд микрокоманды связан с одним управляющим входом какого-либо функционального устройства. Так, например, управляющие входы  регистра хранения «Сброс», «Запись», «Чтение» соединены с соответствующими разрядами микрокоманды. Общее число  разрядов микрокоманды может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч и равно общему числу  управляющих входов всех функциональных устройств процессора. Часть разрядов микрокоманды подается на устройство управления выборкой очередной микрокоманды и используется для организации условных переходов и циклов, так как алгоритмы обработки команд могут быть достаточно сложными.

Выборка очередной микрокоманды осуществляется через определенный интервал времени, который, в свою очередь, зависит от времени выполнения предыдущей микрокоманды. Частота, с которой  осуществляется выборка микрокоманд, называется тактовой частотой процессора. Тактовая частота является важной характеристикой  процессора, так как определяет скорость выполнения процессором команд, и, в  конечном итоге, быстродействие процессора.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально  АЛУ состоит из нескольких специальных  регистров, полноразрядного сумматора и схем местного управления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Архитектура компьютера –  это логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

Внешняя архитектура современного персонального компьютера представляет собой соединение монитора, клавиатуры, мыши и акустической системы к системному блоку.

Внутренняя архитектура  современного персонального компьютера определяется схемой его чипсета, набором микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. компьютерах Чипсет в компьютере выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, ЦПУ, ввода-вывода и других. Выбор типа чипсета зависит от процессора, с которым он работает, и определяет разновидности внешних устройств (видеокарты, винчестера и др.).

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.

В заключение отметим, что  ряд названных вопросов реализован в перспективных ЭВМ пятого поколения  либо находится в стадии технической  проработки, другие - в стадии теоретических  исследований и поисков.