Архитектура современного персонального компьютера
Несмотря на то что современные модели компьютеров представлены на рынке широким спектром брендов, собраны они в рамках небольшого количества архитектур. С чем это связано? Какова специфика архитектуры современных ПК? Какие программные и аппаратные компоненты ее формируют?
Что такое архитектура ПК? Под этим довольно широким термином принято понимать совокупность логических принципов сборки компьютерной системы, а также отличительные особенности технологических решений, внедряемых в нее. Архитектура ПК может быть инструментом стандартизации. То есть компьютеры в рамках нее могут собираться согласно установленным схемам и технологическим подходам. Объединение тех или иных концепций в единую архитектуру облегчает продвижение модели ПК на рынке, позволяет создавать программы, разработанные разными брендами, но гарантированно подходящие для нее. Единая архитектура ПК также позволяет производителям компьютерной техники активно взаимодействовать на предмет совершенствования тех или иных технологических компонентов ПК.
Под рассматриваемым термином может пониматься совокупность подходов к сборке компьютеров или отдельных его компонентов, принятых на уровне конкретного бренда. В этом смысле архитектура, которая разработана производителем, является его интеллектуальной собственностью и используется только им, может выступать конкурентным инструментом на рынке. Но даже в таком случае решения от разных брендов иногда могут быть классифицированы в рамках общей концепции, объединяющей в себе ключевые критерии, которые характеризуют компьютеры различных моделей.
Термин «архитектура ПК» информатика как отрасль знаний может понимать по-разному. Первый вариант трактовки предполагает интерпретацию рассматриваемого понятия как стандартизирующего критерия. В соответствии с другой интерпретацией архитектура — это, скорее, категория, позволяющая одному бренду-производителю стать конкурентным в отношении других.
Интереснейший аспект — то, как соотносятся история и архитектура ПК. В частности, это появление классической логической схемы конструирования компьютеров. Рассмотрим ее особенности.
Цифровой логический уровень
Цифровой логический уровень по сути представляет собой набор логических функций, которые взаимодействую между собой для выполнения большей задачи. Вся работа этого уровня заключается в двух базовых концепциях: вентили и булева алгебра. Сначала я расскажу про них, а дальше про логические схемы и то как они используются при разработке, и в заключении, то что из себя представляет память и как она реализуется.
Вентиль (рис. 1.0) является устройством, которое принимает входные сигналы и выдает выходные, сам он реализован на транзисторах (об их работе я рассказывать не буду). Вентили используются на данном уровне как «строительный» материал, чтобы представлять базовые логические операции, а дальше уже идет их комбинирование для реализации тех или иных схем, то есть смысл данного уровня заключается в построении переиспользуемых схем, а не о работе вентилей (и транзисторов); дальше уже на основе этих схем могут быть построены более сложные и узкоспециализированные схемы, например, целые модули памяти, различная логика, например, для того как будут взаимодействовать компоненты CPU на уровне микроархитектуры и тд.
Рисунок 1.0. Изображение вентилей.
Таблица 1.0. Таблица истинности для основных операций.
| A | B | И | И-НЕ | ИЛИ | ИЛИ-НЕ | ИСК-ИЛИ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
Классификация Флинна
По-видимому, самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.
SISD (single instruction stream / single data stream) — одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, прежде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины фон-неймановского типа. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка.
SIMD (single instruction stream / multiple data stream) — одиночный поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными — элементами вектора. Способ выполнения векторных операций не оговаривается, поэтому обработка элементов вектора может производится либо процессорной матрицей, как в ILLIAC IV, либо с помощью конвейера, как, например, в машине CRAY-1.
MISD (multiple instruction stream/single data stream) — множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе. Ряд исследователей относят конвейерные машины к данному классу, однако это не нашло окончательного признания в научном сообществе.
MIMD (multiple instruction stream/multiple data stream) — множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.
Итак, что же собой представляет каждый класс? В SISD, как уже говорилось, входят однопроцессорные последовательные компьютеры типа VAX 11/780. Однако, многими критиками подмечено, что в этот класс можно включить и векторно-конвейерные машины, если рассматривать вектор как одно неделимое данное для соответствующей команды. В таком случае в этот класс попадут и такие системы, как CRAY-1, CYBER 205, машины семейства FACOM VP и многие другие.
Бесспорными представителями класса SIMD считаются матрицы процессоров: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine 1 и т.п. В таких системах единое управляющее устройство контролирует множество процессорных элементов. Каждый процессорный элемент получает от устройства управления в каждый фиксированный момент времени одинаковую команду и выполняет ее над своими локальными данными. Для классических процессорных матриц никаких вопросов не возникает, однако в этот же класс можно включить и векторно-конвейерные машины, например, CRAY-1. В этом случае каждый элемент вектора надо рассматривать как отдельный элемент потока данных.
Класс MIMD чрезвычайно широк, поскольку включает в себя всевозможные мультипроцессорные системы: Cm*, C.mmp, CRAYY-MP, DenelcorHEP, BBNButterfly, IntelParagon, CRAYT3D и многие другие. Интересно то, что если конвейерную обработку рассматривать как выполнение множества команд (операций ступеней конвейера) не над одиночным векторным потоком данных, а над множественным скалярным потоком, то все рассмотренные выше векторно-конвейерные компьютеры можно расположить и в данном классе.
Предложенная схема классификации вплоть до настоящего времени является самой применяемой при начальной характеристике того или иного компьютера. Если говорится, что компьютер принадлежит классу SIMD или MIMD, то сразу становится понятным базовый принцип его работы, и в некоторых случаях этого бывает достаточно. Однако видны и явные недостатки. В частности, некоторые заслуживающие внимания архитектуры, например dataflow и векторно-конвейерные машины, четко не вписываются в данную классификацию. Другой недостаток — это чрезмерная заполненность класса MIMD. Необходимо средство, более избирательно систематизирующее архитектуры, которые по Флинну попадают в один класс, но совершенно различны по числу процессоров, природе и топологии связи между ними, по способу организации памяти и, конечно же, по технологии программирования.
Наличие пустого класса (MISD) не стоит считать недостатком схемы. Такие классы, по мнению некоторых исследователей в области классификации архитектур, могут стать чрезвычайно полезными для разработки принципиально новых концепций в теории и практике построения вычислительных систем.
Глава 4 Классификация
Глава 4 Классификация Классификация — средство упорядочения знаний. В объектно-ориентированном анализе определение общих свойств объектов помогает найти общие ключевые абстракции и механизмы, что в свою очередь приводит нас к более простой архитектуре системы. К
8.1. Классификация языков Все языки, представленные на рис. 8.1, описываются в учебных примерах этой или других глав данной книги. Описание универсальных интерпретаторов, показанных в правой части схемы, приведено в главе 14.В главе 5 рассматривались Unix-соглашения для файлов
Истоки
Одной из первых появилась в середине прошлого века классическая архитектура персонального компьютера, авторство которой принадлежит Д. Нейману. В статье, изданной Д. Нейманом, Г. Голдштейном и А. Бёрксом были изложены основы конструкции и работы ЭВМ, благодаря этим знаниям и появились новые устройства, которые к нашему времени стали повсеместно доступны и распространены. Конечно, каждый новый выпуск устройств отличался от предыдущего: его характеристики улучшались, модифицировались, добавлялись новые функции, но основа, которой являются сформулированные принципы, оставалась неизменной.
Данные принципы заключаются в следующем:
- Машинам гораздо проще использовать двоичный код счисления и руководствоваться им при выполнении различных операций.
- Для корректной и системной работы компьютера, ему необходима операционная система. Она служит некой главной программой, которая запускает и контролирует внутренние процессы устройства. Без открытия этого факта, было бы невозможным развитие программирования, так как операционная система в современных компьютерах является базисом его работы.
- У персонального компьютера есть память, которая позволяет хранить какой-то объём данных, включая различные программы. При этом все данные и произведённые с ними операции кодируются в двоичном коде.
- Благодаря тому, что каждая ячейка памяти имеет свой адрес, компьютер в любой момент времени может обратиться к какой-то из них. Данное открытие позволило программированию перейти к использованию переменных.
- Любая часть кода доступна практически в любой момент. Это доказывается тем, что при использовании какой-либо программы, пользователь имеет возможность перейти к использованию другой. Причём эти процессы происходят параллельно друг другу.
Главная особенность заключается в том, что аппаратура остаётся статичной, в то время как набор программ может меняться.
Структура персонального компьютера, предложенная Д. Нейманом, изображена на данной схеме (рис. 1).
Рисунок 1. Структура персонального компьютера
Таким образом, в состав компьютера входили такие части как внешнее и оперативное запоминающее устройство, устройство ввода, устройство вывода, устройство управления (координация) и устройство выполнения арифметико-логических операций.
Материнская плата
Один из ключевых компонентов современного компьютера — материнская, или системная, плата. На ней располагаются контроллеры, шины, мосты и иные элементы, позволяющие объединять между собой различные аппаратные компоненты. Благодаря ей фактически реализуется современная архитектура ПК. Системная плата позволяет эффективно распределить функции компьютера по различным устройствам. Данный компонент размещает на себе большинство остальных, а именно процессор, видеокарту, оперативную память, жесткие диски и т. д. BIOS, важнейший программный компонент ПК, в большинстве случаев прописывается в одной из микросхем материнской платы. Важно, чтобы соответствующие элементы не были повреждены.
Заменяя материнскую плату или выбирая нужную модель в процессе сборки ПК, необходимо удостовериться, что новая ее модель будет совместима с иными аппаратными компонентами. Так, есть платы, поддерживающие процессоры Intel, а есть те, на которые можно устанавливать только микросхемы от AMD. Очень важно убедиться в том, что новая плата поддерживает существующие модули памяти. Что касается видеокарты и жестких дисков, обычно никаких проблем не возникает в силу достаточного высокого уровня стандартизации на соответствующих рынках. Но нежелательно, чтобы новая материнская плата и указанные компоненты слишком сильно различались по уровню технологичности. Иначе менее производительный элемент будет тормозить всю систему.
Проверка и классификация информации
Проверка и классификация информации Эти таблицы и списки помогут вам ответить на просьбы или действия, которые могут быть атакой социального инженера.Подтверждение личностиДЕЙСТВИЕОПИСАНИЕИдентификационный номер звонящегоУбедитесь, что звонок– внутренний, и
Классификация EXE-вирусов EXE-вирусы условно можно разделить на группы, используя в качестве признака для деления особенности алгоритма.Вирусы, замещающие программный код (Overwrite)Такие вирусы уже стали раритетом. Главный их недостаток – слишком грубая работа.
Развитие систем на одном кристалле
Перенос на стадию компиляции решения проблем извлечения из последовательных программ команд, допускающих параллельное исполнение, и, в целом, ветвей параллельных программ. Если суперскалярный микропроцессор сам выделяет параллельно выполняемые команды, то уже в мультискалярном микропроцессоре на компилятор возлагаются дополнительные функции по выделению параллельных ветвей, а микропроцессоры с длинным командным словом возлагают на компилятор все проблемы загрузки параллельно функционирующих устройств. В этих условиях задача создания распараллеливающего компилятора для многопроцессорной системы не выглядит неразрешимой
Объем оборудования, обеспечивающего загрузку функциональных устройств, микропроцессоров с суперскалярной и мультискалярной архитектурами достаточно велик и имеет квадратичный рост в зависимости от числа находящихся в обработке команд. При увеличении числа функциональных устройств должно увеличиваться и число выбираемых на исполнение команд, что приведет к возрастанию объема оборудования, не производящего непосредственно обработки данных.
Суммарный объем схем управления в многопроцессорной системе, состоящей из простых процессоров, может быть существенно меньше, чем в микропроцессоре с суперскалярной или мультискалярной архитектурой при одном и том же суммарном числе функциональных устройств или, иными словами, при одинаковой производительности в случае полной загрузки устройств. Следует также отметить, что простые процессоры мультипроцессорной системы могут иметь более высокую тактовую частоту.
Многопроцессорная система, в силу присущей ей избыточности, способна функционировать при отказе части оборудования. Такие отказы могут быть как изначально присутствующими, вследствие дефектов кремниевой пластины или технологического процесса изготовления, так и появившимися в ходе функционирования. Многопроцессорные системы могут создаваться либо как однокристальные, либо как многокристальные микросборки.
Реальность такова, что однокорпусная микросборка многопроцессорной системы из совокупности простых микропроцессоров может значительно превышать по показателю «производительность/стоимость» однокристальную систему, размер кристалла которой равен сумме площадей кристаллов микросборки. Микросборки не отличаются от СБИС. Выбор однокристальной реализации или микросборки определяется достигаемыми технико-экономическими показателями, например, использование микросборок памяти.
Заключение
Возможности подобной технологии демонстрирует микропроцессор Pentium Pro. Однако среди наиболее интересных проектов, концентрирующих архитектурные и технологические достижения, включая однокристальные системы и микросборки, можно назвать микропроцессор Power4.
В традиционных компьютерах, состоящих из микропроцессора и микросхем памяти, использующих в совокупности порядка 108 транзисторов в микропроцессоре и 109 транзисторов в памяти, в каждом такте задействовано по разным оценкам 104 – 105 транзисторов. Иначе говоря, имеет место простой значительной части оборудования, потенциально способного производить полезную работу. Конечно, при использовании КМОП-технологии простои имеют и определенный плюс: оборудование выделяет мало тепловой энергии.
При существующих на сегодня конструкциях корпусов микросхем проблема теплоотвода может стать решающей при выборе архитектуры кристалла. Однако на кристалле может быть достаточно эффективно реализована многопроцессорная система из большого числа процессоров, каждый из которых имеет собственную небольшую встроенную память. Подобные вычислительные структуры обычно называют ассоциативными процессорами, памятью с обработкой, многофункциональной памятью или интеллектуальной памятью. К этому классу относятся однокристальные системы как с SIMD-архитектурой, например, Fuzion 150, так и с MIMD-архитектурой, например, Blue Gene.
Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔
Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.
Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.
Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.
В случае копирования материалов, указание web-ссылки на сайт natalibrilenova.ru обязательно.
Память
У памяти выходные значения зависят не только от входных, то есть она способна запоминать. Концептуально все схемы памяти похожи (рис. 2.1), память может «запоминать» благодаря тому, что она «замкнута», то есть верхний вентиль зависит от выходного значения нижнего, а нижний зависит от выходного значения верхнего.
Рисунок 2.1. SR защелка.
Прежде чем использовать защелку, ее необходимо инициализировать. Инициализировать значит перевести ее в такое состояние, когда Q != !Q, это необходимо для того, чтобы защелка могла корректно работать, то есть корректно менять свое состояние (Q) между 0 и 1. Для инициализации нам необходимо подать на S и R такие значения при которых защелка перейдет в непротиворечивое состояние (Q != !Q); когда защелка только начинает работать, то в Q и !Q могут быть любые неизвестные нам значения, поэтому значения S и R не должны зависеть от значений в Q и !Q. Другими словами, нам нужны такие значения S и R при которых мы получим в Q и !Q противоположные значения.
Рассматривать последовательность действий можно по-разному: мы можем предположить, что на S сигнал поступает быстрее, чем на R и тогда верхний вентиль повлияет на результат работы нижнего; или наоборот, сигнал до R дойдет быстрее, но это не важно, результаты будут одинаковы. В нашем примере я буду предполагать, что сигнал S приходит быстрее, а что же дальше? Какое второе значение будет у верхнего вентиля? Как было сказано выше, мы не должны делать предположений о значении Q (или !Q), поэтому мы должны рассматривать обе ситуации: Q=0 и Q=1. Теперь все, что нам остается, так это проверить все (табл. 1.6) комбинации S, R и Q.
Таблица 1.6. Таблица истинности SR защелки.
| S | R | Q | !Q | новое Q | новое Q != !Q | Q == новое Q |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Для SR защелки построенной на основе ИЛИ-НЕ (рис. 2.1) значения для S и R будут равны 0 и 0, соответственно, потому, что значения в столбцах «новое Q != !Q» и «Q == новое Q» должны быть истинны сразу для Q=0 и Q=1. Например, при S=0, R=1, в случае с Q=0 все в порядке, но при Q=1 у нас меняется состояние Q c 1 на 0, а этого быть не должно так как, тогда без нашего ведома защелка поменяет состояние. Точно также можно построить SR защелку (и другие) на основе И-НЕ, только инициализировать значения S и R придется 1 и 1, соответственно. Давайте рассмотрим, как происходит инициализация со значениями в Q=0 и Q=1.
Когда мы подаем на входы S, R сигналы 0, а в Q хранится значение 0, то в верхний вентиль ИЛИ НЕ поступают два нуля 0, на выходе у него будет 1 (табл. 1.0). Далее в нижний вентиль ИЛИ-НЕ поступают 0 и 1, на выходе будет 0; то есть у нас получилось не противоречивое состояние защелки (рис. 2.2a). В данном случае выходное значение защелки равно 0 (Q), то есть она хранит значение 0.
В ином варианте мы можем подать на входы S, R сигналы 0, а в Q хранится значение 1. В верхний вентиль ИЛИ-НЕ поступают 0 и 1, что на выходе дает 0. В нижний вентиль ИЛИ-НЕ поступают 0 и 0, на выходе будет 1; Снова мы попали в не противоречивое состояние защелки (рис. 2.2б). Выходное значение защелки равно 1.
