Что понимается под архитектурой вычислительной машины

Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Структура компьютера — это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов

Рисунок 3 – архитектура ЭВМ.

В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: Принстонская (фон Неймана) и Гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

Рисунок 4 – Структурная схема ЭВМ

Эта схема, широко использовавшаяся в первых вычислительных машинах, имела один существенный недостаток: управление вводом-выводом и выполнение команд осуществлялось одним устройством управления. При такой структуре ЭВМ все виды программной обработки на время выполнения операций ввода-вывода прекращались из-за занятости процессора, что существенно снижало быстродействие машины.

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата.

Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

1. По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 128- разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

2. По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

3. По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные; многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.

Большинство многопроцессорных систем сегодня используют архитектуру SMP.

SMP системы позволяют любому процессору работать над любой задачей независимо от того, где в памяти хранятся данные для этой задачи; с должной поддержкой операционной системы, SMP системы могут легко перемещать задачи между процессорами эффективно распределяя нагрузку. С другой стороны, память гораздо медленнее процессоров, которые к ней обращаются, даже однопроцессорным машинам приходится тратить значительное время на получение данных из памяти. В SMP только один процессор может обращаться к памяти в данный момент времени.

Массивно-параллельная архитектура (англ. Massive Parallel Processing, MPP) — класс архитектур параллельных вычислительных систем Особенность архитектуры состоит в том, что память физически разделена. Система строится из отдельных модулей, содержащих процессор, локальный банк операционной памяти, коммуникационные процессоры или сетевые адаптеры, иногда — жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода. Доступ к банку операционной памяти из данного модуля имеют только процессоры из этого же модуля. Модули соединяются специальными коммуникационными каналами. в отличие от SMP-систем, в машинах с раздельной памятью каждый процессор имеет доступ только к своей локальной памяти, в связи с чем не возникает необходимости в потактовой синхронизации процессоров.

В суперскалярных процессорах также есть несколько вычислительных модулей, но задача распределения между ними работы решается аппаратно. Это сильно усложняет дизайн процессора, и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство должно выполнять какую команду.

Суперскалярность — архитектура вычислительного ядра, использующая несколько декодеров команд, которые могут нагружать работой множество исполнительных блоков. Планирование исполнения потока команд является динамическим и осуществляется самим вычислительным ядром. Если в процессе работы команды, обрабатываемые конвейером, не противоречат друг другу, и одна не зависит от результата другой, то такое устройство может осуществить параллельное выполнение команд. В суперскалярных системах решение о запуске инструкции на исполнение принимает сам вычислительный модуль, что требует много ресурсов

Источник

Что понимается под архитектурой вычислительной машины

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 логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминаю­щего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств. 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 логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представля­ется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать опи­сание компьютера на любом уровне детализации

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 программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр 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 командномер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

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

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 или менять их в процессе
выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьюте­ров, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Здесь, например, может не выполняться принцип программного управле­ния, т. е. они могут работать без счетчика (регистра адреса) команд, указывающего на выполняемую команду программы. Для обраще­ния к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компью­терам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Логические узлы (агрегаты) ЭВМ, простейшие типы архитектур

Процессор непосредственно реализует операции обработки ин­формации и управления вычислительным процессом, осуществляя выборку машинных команд и данных из оперативной памяти и за­пись в ОП, включение и отключение ВУ. Основными блоками про­цессора являются:

Оперативная память предназначена для временного хранения данных и программ в процессе выполнения вычислительных и ло­гических операций.

ЦУ описывается следующими характеристиками:

Внешние устройства (ВУ). ВУ обеспечивают эффектив­ное взаимодействие компьютера с окружающей средой — пользова­телями, объектами управления, другими машинами. ВУ разделяются на следующие группы:интерактивные устройства (ввода/вывода); устройства хранения (массовые накопители); устройства массового ввода информации, устройства массового вывода информации.

В специализированных управляющих ЭВМ (технологические про­цессы, связь, ракеты и пр.) внешними устройствами ввода являются датчики (температуры, давления, расстояния и пр.), вывода — мани­пуляторы (гидро-, пневмо-, сервоприводы рулей, вентилей и др.).

В универсальных ЭВМ (человеко-машинная обработка инфор­мации) в качестве ВУ выступают терминалы, принтеры и др. уст­ройства.

Каналы связи (внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения центральных узлов машины с ее внешними устрой­ствами.

Однотипные ЦУ и устройства хранения данных могут использо­ваться в различных типах машин. Известны примеры того, как фир­мы, начавшие свою деятельность с производства управляющих ма­шин, совершенствуя свою продукцию, перешли к выпуску систем, которые в зависимости от конфигурации ВУ могут исполнять как роль универсальных, так и управляющих машин (Hewlett-Packard и Digital Equipment Corporation).

Если абстрагироваться от подробностей, то основные классиче­ские типы архитектур можно определить как следующие: «звезда», иерархическая, магистральная Архитектура «звезда». Здесь ЦУ (рис. 2.1, а) соединено непо­средственно с ВУ и управляет их работой (ранние модели машин).

Вычислительная машина включает пять базовых компонент и состоит из следующих типов устройств:

Иерархическая архитектура — ЦУ соедине­но с периферийными процессорами (вспомогательными процессо­рами, каналами и пр.), управляющими в свою очередь контроллера­ми, к которым подключены группы ВУ (системы IBM 360—375);

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

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 (принтер и др.) подключаются к ап­паратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, осво­бождая процессор от непосредственного управления функциониро­ванием данного оборудования.

Источник

Архитектура ЭВМ. Урок. «Архитектура Электронно Вычислительных Машин»

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Реферат

Тема: ’’Архитектура ЭВМ и ее основные характеристики’’.

Введение

В своем историческом докладе, опубликованном в 1945 году, Джон фон Нейман выделил и детально описал пять ключевых компонентов того, что ныне называют » архитектурой фон Неймана » современного компьютера.

Фон Нейман отмечал, что эта система должна работать с двоичными числами, быть электронным, а не механическим устройством и выполнять операции последовательно, одну за другой.

Архитектура и структура ЭВМ

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

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 ( принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Архитектура многопроцессорного компьютера

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных конструктивных компонентов:

Системный блок

В системном блоке размещаются:

Материнская плата

При нормальной работе материнской платы о ней не вспоминают, пока не понадобится усовершенствовать компьютер. Обычно хотят поставить более быстрый процессор, что и ведет к замене материнской платы. Нельзя, например, заменить старый Pentium MMX на Pentium III без новой материнской платы.

По размерам материнские платы в общем случае можно разделить на три группы. Раньше все материнские платы имели размеры 8,5/11 дюймов. В XT размеры увеличились на 1 дюйм в AT размеры возросли еще больше. Часто речь может идти о “зеленых” платах (green mothеrboard). Сейчас выпускаются только такие платы. Данные системные платы позволяют реализовать несколько экономичных режимов энергопотребления (в том числе, так называемый “sleep”, при котором отключается питание от компонентов компьютера, которые в данный момент не работают).

Американское агентство защиты окружающей среды (EPA) сосредоточила свое внимание на уменьшении потребления энергии компьютерными системами. Оборудование, удовлетворяющее ее (EPA) требованиям должно в среднем (в режиме холостого хода) потреблять не более 30Вт, не использовать токсичные материалы и допускать 100% утилизацию. Поскольку современные микропроцессоры используют напряжение питания 3,3-4В, а на плату подается 5В, на системных
платах монтируют преобразователи напряжение.

Частота процессора, системной шины и шин периферийных устройств

Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост).

Рис.1. Логическая схема системной платы

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов, которые передают электрические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются последовательные порты как COM1 и COM2, а
аппаратно реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов, которые выведены на заднюю панель системного блока.

Основные характеристики вычислительной техники

К основным характеристикам вычислительной техники относятся ее эксплуатационно-технические характеристики, такие, как быстродействие, емкость памяти, точность вычислений и др.

Быстродействие ЭВМ рассматривается в двух аспектах. С одной стороны, оно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых центральным процессором в секунду. Под элементарной операцией понимается любая простейшая операция типа сложения, пересылки, сравнения п т. д. С другой стороны, быстродействие ЭВМ существенно зависит от организации ее памяти. Время, затрачиваемое на поиск необходимой информации в памяти, заметно сказывается на быстродействии ЭВМ.

В зависимости от области применения выпускаются ЭВМ с быстродействием от нескольких сотен тысяч до миллиардов операций в секунду. Для решения сложных задач возможно объединение нескольких ЭВМ в единый вычислительный комплекс с требуемым суммарным быстродействием.

Емкость, или объем, памяти определяется максимальным количеством информации, которое можно разместить в памяти ЭВМ. Обычно емкость памяти измеряется в байтах. Как уже отмечалось, память ЭВМ подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, или оперативная память, по своему объему у различных классов машин различна и определяется системой адресации ЭВМ. Емкость внешней памяти из-за блочной структуры и съемных конструкций накопителей практически неограничена.

Точность вычислений зависит от количества разрядов, используемых для представления одного числа. Современные ЭВМ комплектуются 32- или 64-разрядными микропроцессорами, что вполне достаточно для обеспечения высокой точности расчетов в самых разнообразных приложениях. Однако, если этого мало, можно использовать удвоенную или утроенную разрядную сетку.

Система команд — это перечень команд, которые способен выполнить процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, сколько операндов требуется указать в команде, какой вид (формат) должна иметь команда для ее распознания. Количество основных разновидностей команд невелико. С их помощью ЭВМ способны выполнять операции сложения, вычитания, умножения, деления, сравнения, записи в память, передачи числа из регистра в регистр, преобразования из одной системы счисления в другую и т. д. При необходимости выполняется модификация команд, учитывающая специфику вычислений. Обычно в ЭВМ используется от десятков до сотен команд (с учетом их модификации). На современном этапе развития вычислительной техники используются два основных подхода при формировании системы команд процессора. С одной стороны, это традиционный подход, связанный с разработкой процессоров с полным набором команд, — архитектура CISC (Complete Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд). С другой стороны, это реализация в ЭВМ сокращенного набора простейших, но часто употребляемых команд, что позволяет упростить аппаратные средства процессора и повысить его быстродействие — архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным набором команд).

Стоимость ЭВМ зависит от множества факторов, в частности от быстродействия, емкости памяти, системы команд и т. д. Большое влияние на стоимость оказывает конкретная комплектация ЭВМ и, в первую очередь, внешние устройства, входящие в состав машины. Наконец, стоимость программного обеспечения ощутимо влияет на стоимость ЭВМ.

Надежность ЭВМ — это способность машины сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение определенного промежутка времени. Количественной оценкой надежности ЭВМ, содержащей элементы, отказ которых приводит к отказу всей машины, могут служить следующие показатели:

• вероятность безотказной работы за определенное время при данных условиях эксплуатации;
• наработка ЭВМ на отказ;
• среднее время восстановления машины и др.

Для более сложных структур типа вычислительного комплекса или системы понятие «отказ» не имеет смысла. В таких системах отказы отдельных элементов приводят к некоторому снижению эффективности функционирования, а не к полной потере работоспособности в целом.

Важное значение имеют и другие характеристики вычислительной техники, например: универсальность, программная совместимость, вес, габариты, энергопотребление и др. Они принимаются во внимание при оценивании конкретных сфер применения ЭВМ.

Список литературы

Информатика. Базовый курс

А. А. Смирнов Архитектура вычислительных систем, М. Наука, 1990

Источник

Понятие архитектуры вычислительной машины

Под организацией ВМ понимают состав ее программно – аппаратных средств, связи между ними и их функциональные характеристики. ВМ имеют многоуровневую иерархическую организацию со многими составными компонентами на каждом уровне. С нижним уровнем функционального описания ВМ связано понятие физической организации ВМ – ее принципиальная схема.

Логическая организация относится к более высоким уровням описания ВМ. Например, логическая организация на уровне аппаратуры – это состав, функциональные связи и характеристики взаимодействия аппаратных модулей в процессе решения различных задач. Логическая организация системы может описываться, например, структурной схемой.

Архитектура ВМ – это функциональные возможности аппаратных средств ВМ, используемых для представления программ и данных, а также для управления процессом вычислений /2,3,5/. Понятие архитектуры ВМ охватывает комплекс общих вопросов ее построения, существенных для пользователя, интересующегося возможностями системы. Понятие архитектуры ВМ отражает:

· характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации и принципы организации их взаимодействия;

· организацию вычислительного процесса и взаимодействие ВМ с внешней средой (управляющие сигналы, система прерываний);

· структуры МП, устройств памяти и периферийных устройств (ПУ);

· систему команд, форматы данных и команд, способы адресации и т.п.

Рассмотрим основные типы архитектур /5,6/.В большинстве современных ВМ для хранения программ и данных используется одно пространство памяти. Такая организация получила название архитектуры Дж. фон Неймана – по имени специалиста по управлению, предложившего кодирование программ в формате, соответствующем формату данных. Программы и данные хранятся в едином пространстве, и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти. Содержимое ячейки интерпретируется оператором обработки, в качестве которого в простейшем случае выступает центральный процессор системы.

Однако почти все однокристальные ВМ, представляющие класс однокристальных программируемых микроконтроллеров, выполнены по другой схеме, известной как архитектура Гарвардской лаборатории, в которой память программ CSEG (Code Segment) и память данных DSEG (Data Segment) разделены и имеют свои собственные адресные пространства и способы доступа к ним /7/. Такое разделение, позволившее реализовать компактно кодируемый набор машинных команд и экономно использовать память программ, было применено при разработке однокристальных микроконтроллеров первых типов, имеющих всего лишь несколько Кбайт (К=2 10 байт) управляющей памяти, расположенной на кристалле.

Дальнейшее совершенствование архитектур обоих типов состояло в выделении специального пространства данных небольшого объема, которое сегодня известно как набор программно – доступных регистров RSEG (Register Segment). В отличие от CSEG или DSEG, регистры RSEG располагаются внутри ЦП в непосредственной близости от его арифметическо–логического устройства (АЛУ), что обеспечивает быстрый физический доступ к информации, хранящейся в них. В некоторые интервалы времени программа наиболее интенсивно работает лишь с небольшим объемом данных. Для временного хранения этих данных и предназначена регистровая область – набор программно – доступных регистров.

Область RSEG может быть как полностью изолирована от пространства данных DSEG, так и частично пересекаться с ним, что дает возможность рассматривать отдельные регистры МП как обычные ячейки памяти данных. Такая организация является целесообразной, если в ВМ поддерживается быстрый доступ ко всей или хотя бы некоторой части памяти данных DSEG.

На рис. 1.1. представлены четыре типовых набора областей для хранения программ и данных. Стрелкой указан процесс изоляции отдельных областей, приводящий к появлению нового типового набора. Все наборы существуют реально, на их основе созданы те или иные серии микропроцессорных БИС. Каждый тип организации имеет свои преимущества и недостатки, учет которых позволяет создавать высокоэффективные системы различного применения.

Рассмотрим организацию пространств памяти и ввода – вывода. В отличие от RSEG память программ CSEG и данных DSEG, а также область ВВ IOSEG организованы проще. В ряде случае память ВМ с точки зрения программиста представляет собой линейно упорядоченный набор n – разрядных ячеек с произвольным доступом – линейная память. Каждой ячейке набора соответствует число, называемое ее адресом. Все адреса занимают целочисленный диапазон от 0 до 2 m – 1, который образует адресное пространство памяти. Разрядность адреса m обычно равна 16, 18, 20, 24, 32 или 36. В тех случаях, когда наименьшая адресуемая единица – байт (n = 8), память имеет байтовую организацию.

Одним из простейших примеров ВМ с памятью линейной организации байтового типа является 8 – разрядная система на базе первого МП i8080 (КР580ВМ80). Команды этого МП выполняют обращение к пространству памяти емкостью 2 16 = 64К байт. Нумерация отдельных разрядов в ячейке памяти производится справа налево начиная с нуля, при этом разряд с нулевым номером является младшим.

При необходимости хранящиеся в памяти программные объекты команды и операнды (данные к командам) могут располагаться в соседних ячейках пространства памяти. Адресом объекта обычно служит наименьший из адресов ячеек, занимаемых им. Операция обращения к памяти предполагает считывание или запись всего объекта как единого целого. Например, слова в памяти МС на базе МП i8080 (КР580ВМ80) хранятся в двух соседних байтах. Старшая часть слова занимает байт со старшим адресом, а младшая – байт с младшим адресом. При этом адрес младшего байта служит адресом слова.

Память большинства 16 – и 32 – разрядных ВМ также имеет байтовую организацию. Так, нижний уровень логического представления памяти МП i8086 (КР580ВМ86) емкостью 1 Мбайт (М = 2 20 ) аналогичен рассмотренному выше. Однако в данном МП существует более высокий уровень организации памяти –логический, на котором в основном и работает программист.

Дата добавления: 2016-06-13 ; просмотров: 968 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник