Архитектура современного ПК

Разделение шин в модифицированной Гарвардской структуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.

Расширенная гарвардская архитектура

Часто требуется выбрать три составляющие : два операнда и инструкцию (в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее распространенная задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — следовательно, обе шины остаются свободными и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») — расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут служить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx — модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) — расширенная Гарвардская Архитектура.

Гибридные модификации с архитектурой фон-Неймана

Существуют гибридные модификации архитектур, сочетающие достоинства как Гарвардской, так и фон-Неймановской архитектур. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один такт получать одновременно как команду, так и данные для её выполнения, то есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но с программной точки зрения выглядит как фон-Неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры еще более близкими к фон-Неймановской архитектуре при сохранении плюсов Гарвардской архитектуры.

 

 

2. Структура ПК

2.1 Системная плата (материнская плата)

Системная плата или на компьютерном жаргоне - матери́нская пла́та (англ. motherboard, MB, также используется название англ. mainboard — главная плата; сленг. мама, мать, материнка) — это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, системная плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express.

2.1.1 Процессоры

 

Центральный процессор —это мозг компьютера. Его задача — выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет их одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым передаются адреса, данные и сигналы управления. Шины могут быть внешними (связывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.

Процессор состоит из нескольких частей. Блок управления отвечает за вызов

команд из памяти и определение их типа. Арифметико-логическое устройство

выполняет арифметические операции (например, сложение) и логические операции (например, логическое И).

Внутри центрального процессора находится память для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из нескольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Обычно все регистры одинакового размера. Каждый регистр содержит одно число, которое ограничивается размером регистра. Регистры считываются и записываются очень быстро, поскольку они находятся внутри центрального процессора.

Самый важный регистр — счетчик команд, который указывает, какую команду нужно выполнять дальше. Название ≪счетчик команд≫ не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляется повсеместно. Еще есть регистр команд, в котором находится команда, выполняемая в данный момент. У большинства компьютеров имеются и другие регистры, одни из них многофункциональны, другие выполняют только какие-либо специфические функции.

Рис. Схема устройства компьютера с одним центральным

процессором и двумя устройствами ввода-вывода.

 

2.1.1.1 Устройство центрального процессора

 

Внутреннее устройство тракта данных типичного фон-неймановского процессора

показано на рис. Тракт данных состоит из регистров (обычно от 1 до 32), АЛУ

(арифметико-логического устройства) и нескольких соединяющих шин. Содержимое регистров поступает во входные регистры АЛУ, которые на рис. обозначены буквами А и В. В них находятся входные данные АЛУ, пока АЛУ производит вычисления. Тракт данных — важная составная часть всех компьютеров, и мы обсудим его очень подробно.

АЛУ выполняет сложение, вычитание и другие простые операции над входными данными и помещает результат в выходной регистр. Этот выходной регистр может помещаться обратно в один из регистров. Он может быть сохранен в памяти, если это необходимо. На рис. показана операция сложения. Отметим, что входные и выходные регистры есть не у всех компьютеров.

Большинство команд можно разделить на две группы: команды типа регистр-

память и типа регистр-регистр. Команды первого типа вызывают слова из памяти, помещают их в регистры, где они используются в качестве входных данных АЛУ. (≪Слова≫ —это такие элементы данных, которые перемещаются между памятью и регистрами.) Словом может быть целое число. Устройство памяти мы обсудим ниже в этой главе. Другие команды этого типа помещают регистры обратно в память.

 

Рис.     Тракт данных в обычной фон-неймановской машине

Команды второго типа вызывают два операнда из регистров, помещают их во

входные регистры АЛУ, выполняют над ними какую-нибудь арифметическую или логическую операцию и переносят результат обратно в один из регистров. Этот процесс называется циклом тракта данных. В какой-то степени он определяет, что может делать машина. Чем быстрее происходит цикл тракта данных, тем быстрее компьютер работает.

 

2.1.1.2 Выполнение команд

Центральный процессор выполняет каждую команду за несколько шагов:

1.Вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд.

2.Меняет положение счетчика  команд, который после этого указывает  на следующую команду.

3.Определяет тип вызванной команды.

4.Если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это слово.

5.Переносит слово, если это необходимо, в регистр центрального процессора.

6.Выполняет команду.

7.Переходит к шагу 1, чтобы начать  выполнение следующей команды.

Такая последовательность шагов (выборка — декодирование — выполнениекоманда;выборкакоманда;декодированиекоманда;исполнение) является основой работы всех компьютеров.

Описание работы центрального процессора можно представить в виде программы. В листинге приведена такая программа-интерпретатор на языке Java. В описываемом компьютере есть два регистра: счетчик команд с адресом следующей команды и аккумулятор, в котором хранятся результаты арифметических операций. Кроме того, имеются внутренние регистры, в которых хранится текущая команда (instr), тип текущей команды (instr_type), адрес операнда команды (data_loc) и сам операнд (data). Каждая команда содержит один адрес ячейки памяти. В ячейке памяти находится операнд, например фрагмент данных, который нужно добавить в аккумулятор.

 

2.1.1.3 Системы RISC и CISC

В конце 70-х годов проводилось много экспериментов с очень сложными командами, появление которых стало возможным благодаря интерпретации. Разработчики пытались уменьшить разрыв между тем, что компьютеры способны делать, и тем, что требуют языки высокого уровня. Едва ли кто-нибудь тогда думал о разработке более простых машин, так же как сейчас мало кто (к несчастью) занимается разработкой менее мощных операционных систем, сетей, редакторов и т. д.

В компании IBM этой тенденции противостояла группа разработчиков во главе с Джоном Коком (John Cocke); они попытались воплотить идеи Сеймура Крея, создав экспериментальный высокоэффективный мини-компьютер 801IBM. Хотя компания IBM не занималась сбытом этой машины, а результаты эксперимента были опубликованы только через несколько лет, весть быстро разнеслась по свету, и другие производители тоже занялись разработкой подобных архитектур.

В 1980 году группа разработчиков в университете Беркли во главе с Дэвидом Паттерсоном (David Patterson) и Карло Секвином (Carlo Sequin) начала разработку не ориентированных на интерпретацию процессоров VLSI. Для обозначения этого понятия они придумали термин RISC, а новый процессор назвали RISC I, вслед за которым вскоре был выпущен RISC II. Немного позже, в 1981 году, Джон Хеннеси (John Hennesy) в Стенфорде разработал и выпустил другую микросхему, которую он назвал MIPS. Эти две микросхемы развились в коммерчески важные продукты SPARC и MIPS соответственно.

Новые процессоры существенно отличались от коммерческих процессоров того времени. Поскольку они были несовместимы с существующей продукцией, разработчики вправе были включать туда новые наборы команд, которые могли бы повысить общую производительность системы. Первоначально основное внимание уделялось простым командам, которые могли быстро выполняться. Однако вскоре разработчики осознали, что ключом к высокой производительности компьютера является разработка команд, которые можно быстро запускать. То есть не так важно, как долго выполняется та или иная команда, важнее то, сколько команд в секунду может быть запущено.

В то время, когда разрабатывались эти простые процессоры, всеобщее внимание привлекало относительно небольшое количество команд (обычно около 50). Для сравнения: число команд в компьютерах VAX производства DEC и больших компьютерах производства IBM в то время составляло от 200 до 300. Компьютер RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным набором команд) противопоставлялся системе CISC (Complex Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд). В качестве примера машины типа CISC можно привести компьютер VAX, который доминировал в то время в университетской среде. На сегодняшний день мало кто считает, что главное отличие RISC и CISC состоит в количестве команд, но названия сохраняются до сих пор.

С этого момента началась грандиозная идеологическая война между сторонниками RISC и разработчиками VAX, Intel и мэйнфреймов IBM. По мнению первых, наилучший способ разработки компьютеров — включение туда небольшого количества простых команд, каждая из которых выполняется за один цикл тракта данных (см. рис.), то есть производит над парой регистров какую-либо арифметическую или логическую операцию (например, сложение или операцию логического И) и помещает результат обратно в регистр. В качестве аргумента они утверждали, что, даже если системе RISC приходится выполнять 4 или 5 команд вместо одной, которую выполняет CISC, RISC все равно выигрывает в скорости, так как RISC-команды выполняются в 10 раз быстрее (поскольку они не интерпретируются). Следует также отметить, что к этому времени быстродействие основной памяти приблизилось к быстродействию специальных командных ПЗУ, поэтому недостатки интерпретации были налицо, что еще более поднимало популярность компьютеров RISC.

Учитывая преимущества RISC в плане производительности, можно было предположить, что на рынке такие компьютеры, как Alpha компании DEC, должны доминировать над компьютерами CISC (Pentium и т. д.). Однако ничего подобного не произошло. Возникает вопрос: почему?

Во-первых, компьютеры RISC несовместимы с другими моделями, а многие компании вложили миллиарды долларов в программное обеспечение для продукции Intel. Во-вторых, как ни странно, компания Intel сумела воплотить те же идеи в архитектуре CISC. Процессоры Intel, начиная с процессора 486, содержат RISC-ядро, которое выполняет самые простые (и обычно самые распространенные) команды за один цикл тракта данных, а по обычной технологии CISC интерпретируются более сложные команды. В результате обычные команды выполняются быстро, а более сложные и редкие — медленно. Хотя при таком “гибридном” подходе производительность ниже, чем в архитектуре RISC, новая архитектура CISC имеет ряд преимуществ, поскольку позволяет использовать старое программное обеспечение без изменений.

2.1.1.4 Принципы разработки современных компьютеров

Прошло уже более двадцати лет с тех пор, как были сконструированы первые компьютеры RISC, однако некоторые принципы их функционирования можно перенять, учитывая современное состояние технологии разработки аппаратного обеспечения. Если происходит очень резкое изменение в технологии (например, новый процесс производства делает время обращения к памяти в 10 раз меньше, чем время обращения к центральному процессору), меняются все условия. Поэтому разработчики всегда должны учитывать возможные технологические изменения, которые могли бы повлиять на баланс между компонентами компьютера.

Существует ряд принципов разработки, иногда называемых принципами RISC, которым по возможности стараются следовать производители универсальных процессоров. Из-за некоторых внешних ограничений, например требования совместимости с другими машинами, приходится время от времени идти на компромисс, но эти принципы — цель, к которой стремятся большинство разработчиков.   

 Все команды должны выполняться непосредственно аппаратным обеспечением. То есть обычные команды не интерпретируются микрокомандами. Устранение уровня интерпретации повышает скорость выполнения большинства команд. В компьютерах типа CISC более сложные команды могут разбиваться на несколько шагов, которые затем выполняются как последовательность микрокоманд. Эта дополнительная операция снижает быстродействие машины, но может использоваться для редко применяемых команд.   

 Компьютер должен запускать как можно больше команд в секунду. В современных компьютерах используется много различных способов повышения производительности, главный из которых — запуск как можно большего количества команд в секунду. Процессор 500-MIPS способен запускать 500 млн команд в секунду, и при этом не имеет значения, сколько времени занимает выполнение этих команд. (MIPS — это сокращение от Millions of Instructions Per Second — миллионы команд в секунду.) Этот принцип предполагает, что параллелизм должен играть главную роль в повышении производительности, поскольку запустить на выполнение большое количество команд за короткий промежуток времени можно только в том случае, если есть возможность одновременного выполнения нескольких команд.