Базовые представления об архитектуре ЭВМ

Архитектурой компьютера считается его представление на неко­тором общем уровне, включающее описание пользовательских воз­можностей программирования, системы команд, системы адреса­ции, организации памяти и т. д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных устройств компьютера: процессора, основной памяти (ОП), внешних запоминающих устройств (ВЗУ) и периферийных устройств (ПУ). Совокупность процессора и основной памяти называют центральным устройством (ЦУ) компьютера.Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их со­вместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера — это совокупность его функциональ­ных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных устройств компьютера до простейших 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 различают два вида архитектур ЭВМ:

1 Архитектура фон Неймана.

2 Гарвардская архитектура.

Принципы (архитектура) фон Неймана

В основу построения большинства компьютеров положены сле­дующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американ­ским ученым Джоном фон Нейманом.

1 Принцип программного управления. Из него следует, что про­грамма состоит из набора команд, которые выполняются процессо­ром автоматически друг за другом в определенной последователь­ности.

Выборка команд программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот узел процессора последовательно увели­чивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину коман­ды. Так как команды программы расположены в памяти друг за дру­гом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из после­довательно расположенных ячеек памяти.

Если после выполнения команды следует перейти не к следую­щей, а к какой-то другой, используются команды условного или без­условного переходов (ветвления), которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд программы из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данны­ми. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработ­ке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей. Более того, команды одной программы мо­гут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3.Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент вре­мени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значени­ям можно было впоследствии обращаться в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Гарвардская архитектура.

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

Структурные схемы современных ЭВМ

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

1 Большие (универсальные) ЭВМ.

2 Персональные компьютеры.

Структурная схема универсальной ЭВМ имеет вид:

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.

Структурная схема персонального компьютера имеет вид:

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 ли­ниюсгнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адре­са, шину данных и шину управления.

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

Лекция 8