Архитектура компьютера.

23.09.2020 12:04

    Архитектура компьютера - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, описание устройств, способов взаимодействия устройств друг с другом (без технических подробностей, т.е. только те сведения, которые могут использоваться в пользовательской работе). Архитектура описывает общую модель компьютера.

    Первая документально оформленная компьютерная архитектура находилась в переписке между Чарльзом Бэббиджем и Адой Лавлейс, описывающим механизм анализа. При создании компьютера Z1 в 1936 году Конрад Цузе описал в двух патентных заявках свои будущие проекты.

    Самые ранние компьютерные архитектуры были разработаны на бумаге, а затем непосредственно встроены в окончательную аппаратную форму. Позже прототипы компьютерной архитектуры были физически построены в виде транзисторно-транзисторной логической системы (TTL), такой как прототипы 6800 и испытанного PA-RISC, и исправлены, прежде чем перейти к окончательной аппаратной форме. Начиная с 1990-х годов, новые компьютерные архитектуры обычно «строятся», тестируются и настраиваются внутри какой-либо другой компьютерной архитектуры в симуляторе компьютерной архитектуры; или внутри ПЛИС в качестве мягкого микропроцессора; или используются оба метода — перед тем, как завершить окончательную аппаратную форму.

    Выделяют несколько уровней организации компьютера (компьютерной архитектуры):

Уровень 0
Цифровой логический уровень, это аппаратное обеспечение машины, состоящий из вентилей. См. также Логические элементы (защелки), триггеры, регистры
Уровень 1
Микроархитектурный уровень, интерпретация (микропрограммы) или непосредственное выполнение. Электронные схемы исполняют машинно-зависимые программы. Совокупность регистров процессора формирует локальную память. См. также арифметико-логическое устройство.
Уровень 2
Уровень архитектуры системы команд, трансляция (ассемблер).
Уровень 3
Уровень операционной системы, трансляция (ассемблер). Это гибридный уровень: одна часть команд интерпретируется операционной системой, а другая — микропрограммой. См. также виртуальная память, файлы.
Уровень 4
Уровень языка ассемблера, трансляция (компилятор). Четвертый уровень и выше используется для написания прикладных программ, с первого по третий — системных программ. Программы в удобном для человека виде транслируются на язык уровней 1-3.
Уровень 5
Язык высокого уровня. Программы на языках высокого уровня транслируются обычно на уровни 3 и 4.
 
    Схема, иллюстрирующая многоуровневую структуру компьютера, приведена на рисунке 1.
 
 
Рис.1. Многоуровневая структура компьютера.
 
    Классификация по типу применяемого процессора:

  • CISC (англ. complex instruction set computing) — архитектура с полным набором команд. Такие процессоры выполняют все команды, простые и сложные, за большое количество тактов. Команд в таких процессорах много, и компиляторы верхнего уровня редко используют все команды.

  • RISC (англ. reduced instruction set computing) — архитектура с сокращённым набором команд. Такие процессоры работают быстрее, чем с CISC-архитектурой, за счёт упрощения архитектуры и сокращения количества команд, но для выполнения сложной команды она составляется из набора простых, что увеличивает время выполнения команды (за большее количество тактов).

  • MISC (англ. minimal instruction set computing) — архитектура с минимальным набором команд. Такие процессоры имеют минимальное количество команд, все команды простые и требуют небольшого количества тактов на выполнение, но если выполняются сложные вычисления, например, с числами с плавающей запятой, то такие команды выполняются за большое количество тактов, превышающее CISC- и RISC-архитектуры.

  • VLIW (англ. very long instruction word — «очень длинная машинная команда») — архитектура с длинной машинной командой, в которой указывается параллельность выполнения вычислений. Такие процессоры получили широкое применение в цифровой обработке сигналов.

    Классическая структура ЭВМ соответствовала 1-2 поколениям компьютеров. Но со временем были внесены определенные прогрессивные изменения.
 
Возникло противоречие между:
 
 
Процессор, руководивший работой внешних устройств, значительную часть времени «простаивал» в ожидании информации. Следовательно снижалась эффективность работы всей ЭВМ. 
 
    Следовательно, необходимо освободить процессор от функции обмена и передать эти обязанности другим специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы назвали: периферийные процессоры, процессоры ввода-вывода, контроллеры.
    Контроллер (адаптер) - это специальный процессор (электронная схема), управляющий работой одного «вверенного ему» устройства по специальным встроенным программам.
    Центральный процессор выдает задание соответствующему контроллеру и далее обмен информацией идет под руководством только контроллера (без участия процессора). Из-за ввода контроллеров изменилась внутренняя структура ЭВМ (рис. 2).
 
Рис.1. Внутренняя структура ЭВМ с применением микроконтроллеров.
 
    Шина (магистраль) - это кабель, состоящий из множества проводов, по которым передается информация [данные для обработки (шина данных); адреса памяти и внешних устройств (адресная шина); управляющие сигналы - начать работу, прервать работу и т.д. (управляющая шина)].
    Для согласования работы периферийные (внешние) устройства подключаются к шине через свой контроллер (адаптеры) и порт.
    Порт - контактный разъем на задней стенке системного блока, позволяющий подключать периферийные устройства к внутренней шине компьютера. В компьютере имеются: последовательные и параллельные порты (рис. 3а, 3б). Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства.Параллельный порт получает и посылает данные побайтно. Монитор подключается к своим специализированным портам.
    
 
Рис.3а. Последовательный порт.
 
Рис.3б. Параллельный порт.
 
    Основные порты, используемые в компьютерах, ноутбуках: 
  • USB-порт; IEEE 1394 (FireWire) ; 
  • Порт eSATA и комбинированный порт USB/eSATA; 
  • Сетевой порт Ethernet; Порт SCSI; Последовательный порт RS-232; 
  • Порты для подключения внешних мониторов VGA, DVI, S-Video, HDMI, DisplayPort; 
  • Порт для док-станции и порт репликатор; 
  • Порты для модулей расширения PCMCIA, ExpressCard.
Назад