Главная страница / 7. Основные этапы развития вычислительно...: 7.2. Архитектура ЭВМ
7.2. Архитектура ЭВМ
| ← 7.1. Основные этапы развития вычислительной... | 7.3. Принцип работы вычислительной системы → |
Электронная вычислительная машина (ЭВМ) — это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации под управлением программы.
Основные элементы электронной вычислительной машины (фон-неймановской структуры) и связи между ними показаны на рис. 7.1.
Рис. 7.1. Основные элементы электронной вычислительной машины
Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.
При первом знакомстве с ЭВМ считают, что процессор состоит из четырех устройств: арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), блока регистров (БР) и кэш-памяти. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Промежуточные результаты сохраняются в БР. Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т. е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.
Программа — это набор команд (инструкций), составленный человеком и выполняемый ЭВМ. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции.
Таким образом, программы состоят из команд, а при выполнении команд процессор разбивает команды на элементарные операции.
Элементарными операциями для процессора являются арифметические и логические действия, перемещение данных между регистрами процессора, счет и т. д.
Основная функция системной шины — передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Системная шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода.
Сделаем образное сравнение работы системной шины с работой почты. По шине данных пересылаются письма в места, адреса которых указаны на шине адреса. Шина управления следит, чтобы письма при движении не мешали друг другу и перемещались по очереди. Под письмами нужно понимать операнды (данные и команды), которыми обмениваются отдельные блоки ЭВМ.
Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных.
Существует несколько разновидностей памяти: оперативная, постоянная, внешняя, кэш, CMOS (КМОП), регистровая. Существование целой иерархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, энергозависимости, назначению, объему и стоимости. Многообразие видов памяти помогает снять противоречие между высокой стоимостью памяти одного вида и низким быстродействием памяти другого вида.
Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пересчете на 1 байт памяти имеет бóльшую стоимость, чем память более низкого уровня.
Регистровая память — наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной). Она представляет собой блок регистров (БР), которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет, сдвиг операндов, запоминание адресов, фиксация состояния процессора и т. д.
Наилучшим вариантом было бы размещение всей памяти на одном кристалле с процессором. Однако из-за существующих технологических сложностей изготовления памяти большого объема пришлось бы большое число микросхем отправить в брак.
Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие. В ЭВМ число запоминающих устройств с этим видом памяти может быть различным. В современных ЭВМ имеется два-три запоминающих устройства этого вида.
Кэш-память первого уровня располагается внутри процессора, а кэш-память второго уровня — вне процессора (на так называемой материнской плате).
В переводе с английского cache (кэш) означает «тайник», так как кэш-память недоступна для программиста (она автоматически используется компьютером). Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память (и обратно). Работа кэш-памяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания новых данных и команд).
Этот вид памяти уменьшает противоречие между быстрым процессором и относительно медленной оперативной памятью.
Кэш-память первого уровня, которая размещается на одном кристалле с процессором, принято обозначать символами L1. Кэш-память, которая располагается на материнской плате (второй уровень), обозначается символами L2.
На структурной схеме показана только кэш-память L1. Энергозависимая память CMOS (КМОП-память) служит для запоминания конфигурации данного компьютера (текущего времени, даты, выбранного системного диска и т. д.). Для непрерывной работы этого вида памяти на материнской плате ЭВМ устанавливают отдельный малогабаритный аккумулятор или батарею питания.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной (текущей) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. Это значит, что процессор может выбрать из ОЗУ команду либо обрабатываемые данные (режим считывания) и после арифметической или логической обработки данных поместить полученный результат в ОЗУ (режим записи). Размещение новых данных в ОЗУ возможно на тех же местах (в тех же ячейках), где находились исходные данные. Понятно, что прежние команды (или данные) будут стерты.
ОЗУ используется для хранения программ, составляемых пользователем, а также исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора.
В качестве запоминающих элементов в ОЗУ используются либо триггеры (статическое ОЗУ), либо конденсаторы (динамическое ОЗУ).
ОЗУ — это энергозависимая память, поэтому при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.
По быстродействию ОЗУ уступает кэш-памяти и тем более — сверхоперативной памяти БР. Но стоимость ОЗУ значительно ниже стоимости упомянутых видов памяти.
В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют тест-мониторные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой) и др.
ПЗУ — энергонезависимое устройство, поэтому информация в нем сохраняется даже при выключении электропитания.
Перспективным видом постоянной памяти считается память с электрическим способом стирания и записи информации — FLASH-память, которая при острой необходимости позволяет перепрограммировать ПЗУ и тем самым оперативно улучшить характеристики ЭВМ.
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры), накопители на жестких дисках (винчестеры), накопители на гибких дисках, проигрыватели оптических дисков. ВЗУ по сравнению с ОЗУ имеют, в основном, больший объем памяти, но существенно меньшее быстродействие.
К устройствам ввода информации относятся: клавиатура, мышь, трекбол, джойстик, трек-пойнт, трекпад, сканер, сенсорный экран, световое перо, информационные перчатки, информационный костюм, шлем, джойстринг, диджитайзер, цифровая видеокамера, микрофон, датчики и др.
К устройствам вывода информации относятся: дисплей (монитор), принтер, плоттер, акустические колонки и др.
Модем выполняет функции и устройств ввода, и устройств вывода информации. Он позволяет соединяться с другими удаленными компьютерами с помощью телефонных линий связи и обмениваться информацией между ЭВМ. Модем на передаче превращает цифровые сигналы в звуки, а на приеме – наоборот.
Одной из плодотворных идей, положенных в основу персональных компьютеров, является открытость архитектуры. Согласно этой концепции, каждый пользователь может самостоятельно формировать конфигурацию своего компьютера по своему усмотрению. Это означает, что в зависимости от потребности пользователь может подключить к системной шине различные устройства: модем, звуковую плату, клавиатуру электромузыкального инструмента, плату телевизионного приемника и т. п. Открытость архитектуры позволяет легко модернизировать имеющийся компьютер, например, заменить винчестер на жесткий диск большего объема, или заменить процессор, увеличить объем оперативной памяти и т. д.
Общий принцип работы ЭВМ заключается в следующем. Из процессора на шину адреса (на структурной схеме она не показана и находится внутри системной шины) выдается адрес очередной команды. Считанная по этому адресу команда (например, из ПЗУ) поступает по шине данных (внутри системной шины) в процессор, где она выполняется с помощью АЛУ. Устройство управления процессора определяет адрес следующей выполняемой команды (фактически номер очередной ячейки памяти, где находится очередная команда). После исполнения процессором текущей команды на шину адреса выводится адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда и т. д.
Сигналы, передаваемые по управляющей шине, синхронизируют работу процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации.
Порядок выбора адресов из памяти (и очередности выполнения команд) определяет программа, которая может располагаться в ПЗУ, но чаще выполняемая в данный момент времени программа находится в ОЗУ. В линейных программах команды последовательно выбираются из очередных ячеек памяти. В разветвляющихся программах естественный порядок выбора адресов ячеек памяти может нарушаться. В результате может происходить переход (резкий скачок) к ячейке памяти, расположенной в любом месте ОЗУ. При одном наборе исходных данных переход происходит, а при другом наборе данных — перехода нет. По этой причине такие команды называют командами условной передачи управления.
Нередко при работе ЭВМ программа вводится с клавиатуры в ОЗУ. Затем процессор под управлением этой программы выполняет необходимые действия. Чаще управляющую программу загружают в ОЗУ с внешнего запоминающего устройства или по вычислительной сети. При выполнении загруженной программы ЭВМ запрашивает у пользователя необходимые данные и процессор после выполнения указанных в программе команд отправляет результат по системной шине на одно из устройств вывода информации.
Выполнение основной программы иногда может приостанавливаться для выполнения какого-то другого срочного задания, например для передачи данных на принтер. Такой режим работы, когда временно приостанавливается выполнение основной программы и происходит обслуживание запроса, называется прерыванием . По завершении обслуживания прерывания процессор возвращается к выполнению временно отложенной основной программы.
Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре, переполнения разрядной сетки, деления на ноль, требования внешним устройством выполнения операции ввода информации и т. д. Например, при нажатии клавиши на клавиатуре возникает прерывание, обработка которого сводится к записи кода нажатой клавиши в буфер клавиатуры. Обслуживание прерываний осуществляется с помощью специальных программ обработки прерываний.
Очевидно, что устройство современной ЭВМ много сложнее рассмотренной здесь конструкции. На структурной схеме не изображены тактовый генератор, который подключен к процессору, адаптеры (или контроллеры), включенные между системной шиной и каждым устройством ввода-вывода, и другие блоки. Однако выбранный уровень детализации позволяет легче понять общий принцип работы ЭВМ.
Приведенный вид структурной схемы ЭВМ является фон-неймановской структурой, названной так в честь американского ученого венгерского происхождения фон Неймана.
Существуют и другие структуры, в частности многопроцессорные, позволяющие вести параллельную обработку данных с помощью нескольких процессоров. Так, самый быстрый в мире компьютер ASCI Red содержит более 9 тыс. процессора Pentium Pro.
Основные блоки ПЭВМ показаны на рис. 7.2.
Рис. 7.2. Основные блоки ПЭВМ
В системном блоке находится материнская плата (на ней располагаются процессор, ОЗУ, ПЗУ и др.), накопители на гибких, жестких и оптических дисках, внутренние модемы, сетевые, звуковые карты и др.
| ← 7.1. Основные этапы развития вычислительной... | 7.3. Принцип работы вычислительной системы → |