Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития
Компьютерная архитектура (computer architecture) – это разработанный Джоном фон Нейманом набор правил и методов описания функций, которые участвуют в организации работы компьютерных систем. Впервые документальное упоминание данного термина найдено в переписке английского ученого Чарльза Бэббиджа с писательницей и математиком Адой Лавлейс в первой половине ХХ века.
Понятие архитектуры персонального компьютера (ПК) дает нам представление о том, как он устроен, как разные устройства взаимодействуют друг с другом. Они подсоединяются по определенной схеме, а ее вариации и будут разновидностями архитектурных систем.
Любой современный персональный компьютер или ноутбук – это сложное многофункциональное устройство, а не просто мультиплатформенная игровая приставка. Всего можно выделить пять уровней архитектуры электронно вычислительных машин (ЭВМ):
- нулевой уровень;
- первый уровень – микроархитектура компьютера;
- второй – системные команды;
- третий – операционная система;
- четвертый – прикладные и системные программы;
- пятый – уровень высокого языка.
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.
1.1 Фон-Неймановский принцип архитектуры компьютеров
Любой современный компьютер представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской архитектуры вычислительных машин. Эта архитектура была представлена Джорджем фон Нейманом еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти и устройств ввода-вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы: программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе являются основой центрального процессора. Центральный процессор выбирает и исполняет команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается «счетчиком адреса» в блоке управления. Этот принцип исполнения называется последовательной передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать переменные – именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью дальнейшего использования в программе.
Рассмотрим схематично классическую структуру вычислительной машины (рис.1), на основе которой уже более полувека создаются ЭВМ.
Рисунок 1 Классическая структура ЭВМ:
АЛУ – арифметико-логическое устройство; ЗУ – запоминающее устройство;
УУ – устройство управления; Увв – устройство ввода; Увыв – устройство вывода.
Устройство управления инициирует работу устройства ввода, давая ему команду на выполнение операции ввода информации в запоминающее устройство ЭВМ. Оно, в свою очередь, указывает, из какого места запоминающего устройства необходимо передать информацию в арифметико-логическое устройство, какую операцию над этой информацией должно выполнить арифметико-логическое устройство, в какое место запоминающего устройства записать результат операции. Оно также инициирует работу устройства вывода для вывода результата из запоминающего устройства и выполняет ряд других функций.
Фон-неймановская архитектура – не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-неймановских машин.
Архитектура IBM
Компанией IBM была разработана архитектура ПК, ставшая фактически одним из мировых стандартов. Ее отличительная особенность — в открытости. То есть компьютер в рамках нее перестает быть готовым продуктом от бренда. Компания IBM — не монополист рынка, хотя один из его первопроходцев в аспекте разработки соответствующей архитектуры.
Пользователь или компания, собирающие ПК на платформе IBM, могут самостоятельно определять то, какие компоненты будут включены в структуру компьютера. Также возможна замена того или иного электронного компонента на более совершенный. Стремительное развитие компьютерных технологий позволило реализовать принцип открытой архитектуры ПК.
Персональные компьютеры
Следующий тип компьютерной архитектуры — ПК. Вероятно, он является самым распространенным. ПК не столь мощны и высокопроизводительны как мейнфреймы и микро-ЭВМ, но во многих случаях способны решать задачи и в сфере промышленности, и в области науки, не говоря о типичных пользовательских задачах, таких как запуск приложений и игр.
Еще одна примечательная особенность, характеризующая персональные компьютеры, заключается в том, что их ресурсы могут быть объединены. Вычислительные мощности достаточно большого количества ПК, таким образом, могут быть сопоставимы с производительностью компьютерных архитектур вышестоящего класса, но, конечно, достигнуть их уровней номинально с помощью ПК весьма проблематично.
Тем не менее архитектура компьютерных систем, сетей на основе персональных компьютеров характеризуется универсальностью, с точки зрения реализации в различных отраслях, доступностью и масштабируемостью.
3 Средства информационных и коммуникационных технологий
Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются
– внутренняя память (основная и оперативная),
– устройства ввода-вывода информации (периферийные).
Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции.
Центральный процессор [1] — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.
Рисунок 1 – Процессор
– обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);
– управление всеми остальными устройствами компьютера.
– Тактовая частота (в МГц, ГГц) и подразумевает под собой количество тактов (вычислений) в секунду.
– Частота шины – тактовая частота (в МГц), с которой происходит обмен данными между процессором и системной шиной материнской платы.
– Множитель – коэффициент умножения, на основании которого производится расчет конечной тактовой частоты процессора, методом умножения частоты шины на коэффициент (множитель).
– Разрядность (32/64 bit) — максимальное количество бит информации, которые процессор может обрабатывать и передавать одновременно.
– Кэш-память первого уровня, L1 — это блок высокоскоростной памяти, который расположен на ядре процессора, в него помещаются данные из оперативной памяти. Сохранение основных команд в кэше L1 повышает быстродействие процессора, так как обработка данных из кэша происходит быстрее, чем при непосредственном взаимодействии с ОЗУ.
– Кэш-память второго уровня, L2 — это блок высокоскоростной памяти, выполняющий те же функции, что и кэш L1, однако имеющий более низкую скорость и больший объем.
– Кэш-память третьего уровня обычно присутствует в серверных процессорах или специальных линейках для настольных ПК.
– Ядро – определяет большинство параметров центрального процессора: тип сокета, диапазон рабочих частот и частоту работы FSB. характеризуется следующими параметрами:
· Техпроцесс Масштаб технологии (мкм), которая определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора.
· Напряжение, которое необходимо процессору для работы и характеризует энергопотребление.
· Тепловыделение – мощность (Вт), которую должна отводить система охлаждения, чтобы обеспечить нормальную работу процессора.
· Тип сокета – то есть разъём для установки процессора на материнской плате.
Оперативная память [2] или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.
Рисунок 2 – Оперативная память
Функции оперативной памяти:
– прием информации от других устройств;
– передача информации по запросу в другие устройства компьютера.
Характеристики оперативной памяти:
– тип DDR — 1, 2, 3, 4;
– тайминги – длительность импульсов и пауз обновления ячеек памяти;
– тактовая частота оперативной памяти — частота в МГц (количество импульсов в секунду), с которой работает оперативная память;
– тактовая частота шины — частота канала, по которому идёт обмен данными между оперативной памятью и процессором;
– пропускная способность — это сколько за секунду времени может быть «пропущено» данных через плату оперативной памяти;
Жёсткий диск, винчестер (накопитель на жёстких магнитных дисках, или НЖМД) [3] — запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.
Винчестер является основным накопителем данных в большинстве компьютеров. Именно на жёсткий диск устанавливается операционная система или другое программное обеспечение.
Рисунок 3 – Жёсткий диск
Характеристики жёстких дисков:
– скорость вращения шпинделя;
– наработка на отказ;
– среднее время ожидания;
– энергопотребление и тепловыделение.
Видеокарта [4] — устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора.
Рисунок 4 – Видеокарта
– производитель видеопроцессора (GPU);
– частота GPU, МГц;
– количество занимаемых слотов на материнской плате;
– объем видеопамяти, ГБ;
– тактовая частота видеопамяти, МГц;
– шина обмена данными с памятью, бит;
– поддержка SLI и CrossFire;
– поддержка разных версий DirectX;
– необходимость дополнительного питания.
В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип (рис. 26), который позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. Он опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями
Рисунок 5 – Магистрально-модульный принцип построения компьютера
Системная шина или магистраль компьютера включает в себя три многоразрядные шины:
– шину данных – для передачи различных данных между устройствами компьютера ;
– шину адреса – для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода ;
– шину управления, которая включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т. д .
Основой построения модульного устройства компьютера является материнская (или системная) плата [5] — печатная плата, которая содержит основную часть устройства (рис. 6).
Рисунок 6 – Материнская плата
На системной (материнской) плате размещаются:
– генератор тактовых импульсов;
– контроллеры внешних устройств;
– звуковая и видеокарты;
Как узнать архитектуру?
В случае с новыми ЦП прочитать их характеристики можно в инструкции или непосредственно на коробке. Но что делать, если вы берете устройство с рук? Или может быть хотите знать, какая архитектура у вашего проца? Выяснить это можно несколькими способами.
Средства системы
Выполните следующие действия:
- Откройте командную строку через меню «Пуск — Программы — Стандартные» или другим удобным способом.
- Впишите в нее слово systeminfo.
- Нажмите Enter.
Перед вами появятся сведения об операционке, среди которой будет и архитектура процессора.
- Щелкните правой кнопкой мыши на значке «Мой компьютер»;
- Откройте «Свойства»;
- Перейдите в «Диспетчер устройств»;
- Кликните пункт «Процессор».
И тоже получите все данные о нем.
Сторонние программы
Одной из хороших программ, помогающих узнать все о проце, является CPU-Z .
Она бесплатная и распространенная, поэтому вы без проблем ее отыщите и скачаете.
Вам нужно лишь установить и запустить ее, чтобы посмотреть необходимую информацию.
В качестве альтернативного варианта могу предложить еще одну достойную прогу — AIDA 64 . Она платная (Есть триал период), зато может рассказать все о вашем железе в целом, не только о ЦП.
Получить сведения о процессоре через нее можно, перейдя по разделам «Компьютер — Системная плата — ЦП».
На этом буду заканчивать.
Чтобы не забывать заглядывать ко мне чаще и узнавать больше новой интересной информации, подписывайтесь на обновления.
