Архитектура ПК IBM и что такое принцип открытой архитектуры

Классическая архитектура ПК. Основные особенности архитектуры современных ПК

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.

Что такое архитектура ПК от IBM

• конструкция устройства должна предусматривать возможность расширения возможностей системы;

• изменени я внутри системы не должны требовать лицензионных соглашений или затрат;

• пользователь самостоятельно может изменять базовые возможности компьютерной системы.

Архитектура ПК от IBM: основы

• присутствует центральный процессор Intel и/или совместимые с ним процессоры других производителей;

• присутствует BIOS;

• регламентируется процедура стартового запуска системы;

• есть механизм собственного конфигурирования системы;

• присутствует реестр системы, где хранятся сведения о конфигурации устройства;

• блочная организация памяти в устройстве, к которой организован прямой доступ;

• наличие нормативов, которые описывают конструкцию компьютера, режимы работы, протоколы по обмену данными и др.

Особенности архитектуры персональных компьютеров

Под архитектурой ЭВМ надо понимать ту совокупность характеристик, которая необходима пользователю. Это,прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними.

Общие принципы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

1. структура памяти ЭВМ;

2. способы доступа к памяти и внешним устройствам;

3. возможность изменения конфигурации;

4. система команд;

5. форматы данных;

6. организация интерфейса.

Дадим определение архитектуры: «Архитектура — это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов».

Принципы Фон-Неймана

Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в работе Дж. фон Неймана, Г.Голдстейга и А. Беркса в 1946 году и известны как » принципы фон Неймана».
Они таковы:

1. Использование двоичной системы представления данных

Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации,удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации — текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

2. Принцип хранимой программы

Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммунационной панели. Это было весьма трудоемким занятием. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ , но и предложил ее структуру(см рис.1), которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.

Усойство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) в современных компьютерах объединены в один блок — процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.
Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров «многоярусно» и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства(ВЗУ).
ОЗУ— это устройство, хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы).
ВЗУ-устройства гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но существенно более медленны.

3. Принцип последовательного выполнения операций

Структурно основная память состоит из пронумерованных 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 бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

4. Принцип произвольного доступа к ячейкам оперативной памяти

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Структура ЭВМ

Для начала рассмотрим как устройства присоединяются к друг другу.

Системный блок — центральное устройство компьютера. Остальные устройства (их называют внешние или периферийные) присоединяются к нему через разъемы и порты.

Разъемы для присоединения внешних устройств к системному блоку находятся на заднем торце системного блока. Каждый из разъемов индивидуален по своей конфигурации — перепутать кабели от периферийных устройств при подключении невозможно.

Внутри системного блока объединяющим центром является материнская плата — к ней присоединяются все устройства, в том числе процессор.

Для правильной работы с внешним устройством процессору необходим посредник — контроллер( обозначим его К) — который знает, как работать с данным устройствам.

Ряд контроллеров смонтирован сразу на материнской плате, например, конроллеры клавиатуры и дисков. Другие располагаются на специальных платах, называемых адаптерами. Адаптеры устанавливаются на материнскую плату.

Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.
Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше.

Разъемы— физическое устройство, соединяющее два устройства.
Порт— логическое устройство. Выполняет две функции:

1. служит «посредником» при передаче данных между компьютером и устройствами ввода/вывода.

2. выдает процессору сигнал прерывания, по которому начинается процесс прерывания.

Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры.

Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью).

Шина состоит из трех частей:

1. шина данных, по которой передается информация;

2. шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

3. шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Описаннаю схему легко пополнять новыми устройствами — это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя это означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера.

При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМ единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу компьютера. Поэтому в состав ЭВМ могут вводиться одна или несколько дополнительных шин.

Основной цикл ЭВМ

Вся деятельность ЭВМ — это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.

Каждая команда состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных составных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команд она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия:

1. согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд);

2. счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды;

3. считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.

Затем во всех случаях, за исключением команды останова или наступления прерывания, все описанные действия циклически повторяются.
После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.

Особенности архитектуры персональных компьютеров

По мере развития компьютеры суще­ственно уменьшились в размерах, разработчики создали дополнительное оборудование, необходимое для их эффективного использования. ПК характеризуются открытой и совместимой с существующими стандар­тами архитектурой, возможностью подк­лючения дополнительных функциональных устройств или их замену на более производительные.

Процессор (центральный процессор) — основной вычислительный блок персонального ком­пьютера, содержит важнейшие функциональные устройства:

* Устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины).

* Арифметико-логическое устройство.

* Процессорную память.

Процессор — программируемое устройство обработки данных и управления работой ПК. Процессор, по существу, является устройством, выполняющим все функции элементарной вычислительной машины.

Микропроцессор — центральный процессор, выполненный на основе одной или нескольких больших (сверхбольших) интегральных схем обеспечивающих повышенную надежность и устойчивость характеристик системы. Микропроцессор характеризуется: тактовой частотой; разрядностью; архитектурой. Чем выше тактовая частота, тем выше быстродействие микропроцессора. Разрядностью микропро­цессора называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. Разряд­ность внутренних регистров микропроцессора (внутренняя длина слова) играет определяющую роль в принадлежности микропроцессора к тому или иному классу.

Оперативная память — запоминающее устройство, используемое для оператив­ного хранения и обмена информацией с другими узлами машины. Устройства памяти характеризуются следующими основными показателями: быстродействием (временем доступа); емкостью. Увеличение емкости основной памяти в два раза, по­мимо всего прочего, увеличивает эффективную производительность ПК при решении сложных задач (когда ощущается дефицит памяти) примерно в 1,7 раза.

Каналы связи (внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения централь­ных узлов ПК с ее внешними устройствами. Техническую связь и взаимодействие всех устройств между собой осуществляет интерфейс-системная шина, которая представляет собой совокупность каналов передачи электрических сигналов. Каждая линия шины имеет определенное назначение: одна группа служит для передачи данных, другая — для передачи управляющих сигналов.

Внешние устройства обеспечивают эффективное взаимодействие ПК с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими маши­нами. В состав внешних устройств обязательно входят внешняя память и уст­ройства ввода-вывода. Внешние запоминающие устройства являются важной составной частью ПК, обеспечивая долговременное хранение программ и данных на различных носителях информации. Внешняя память ПК может быть представлена в виде накопителей на: магнитных и оптических дисках, на магнитной ленте. Существенным недостатком описанных видов внешней памяти является использование механических устройств. Порты ввода-вывода предназначены для временного размещения дан­ных, передаваемых в центральную часть компьютера из внешних уст­ройств или выводимых из центральной части в эти устройства. Имеются также порты общего назначения, к которым могут подсоединяться раз­личные дополнительные внешние устройства.

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2020

В ходе эволюции компьютерных технологий были разработаны сотни разных компьютеров. Многие из них давно забыты, в то время как влияние других на современные идеи оказалось весьма значительным.

На данный момент можно выделить шесть этапов развития компьютеров:

1. Нулевое поколение-механические компьютеры

2. Первое поколение-электронные лампы

3. Второе поколение-транзисторы

4. Третье поколение-интегральные схемы

5. Четвертое поколение-сверхбольшие интегральные схемы

6. Пятое поколение-компьютеры небольшой мощности и невидимые компьютеры

Нулевое поколение-механические компьютеры (1642-1945)

В 1642 году французский ученый Блез Паскаль создает счетную машину. Это была механическая конструкция с шестеренками и ручным приводом, выполнявшая операции сложения и вычитания. Но спустя тридцать лет великий немецкий математик барон Готфрид Вильгельм фон Лейбниц построил другую механическую машину, которая в отличие от предыдущей могла исполнять операции сложения и деления. Можно сказать, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора.

На замену счетной машины появилась аналитическая машина Бэббиджа, которая могла выполнять несколько алгоритмов и результат возвращать обратно в память.

Переместимся на три века вперед, где в 1944 году была закончена работа над первым компьютером Говарда Айкена « Mark I ». Компьютер имел 72 слова по 23 десятичных разряда каждое. Время выполнения операции составляло 6 секунд. В устройствах ввода-вывода использовалась перфолента. К тому времени, как Айкен закончил работу над компьютером « Mark II », релейные компьютеры уже устарели. Началась эра электроники.

Первое поколение-электронные лампы (1945-1955)

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Второе поколение-транзисторы (1955-1965)

Тразистор был изобретен сотрудниками лаборатории Bell Laboratories Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли, за что в 1956 году они получили Нобелевскую премию в области физики. В течение десяти лет транзисторы произвели революцию в производстве компьютеров, и к концу 50-х годов компьютеры на электронных лампах стали пережитком прошлого. Выполняя те же функции, что и электронная лампа, транзистор вместе с тем имел значительно меньшие размеры и был свободен от недостатков, присущих лампам: у него не было хрупкого стеклянного корпуса и тонкой нити накаливания, он не перегревался и потреблял гораздо меньше электроэнергии.

Третье поколение-интегральные схемы (1965-1980)

Изобретение кремниевой интегральной схемы в 1958 году Джеком Килби и Робертом Нойсом позволило разместить на одной небольшой мискросхеме десятки транзисторов. Компьютеры на интегральных схемах были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.

Первая массовая серия машин на интегральных элементах стала выпускаться в 1964 году фирмой IBM. Эта серия, известная под названием IBM-360, оказала значительное влияние на развитие вычислительной техники второй половины 60-х годов. Она объединила целое семейство ЭВМ с широким диапазоном производительности, причем совместимых друг с другом. Последнее означало, что машины стало возможно связывать в комплексы, а также без всяких переделок переносить программы, написанные для одной ЭВМ, на любую другую из этой серии.

Еще одно нововведение в 360-многозадачность. В памяти компьютера могло находиться одновременно несколько программ, и пока одна программа ждала, когда закончится процесс ввода-вывода, другая исполнялась. В результате ресурсы процессора расходовались более рационально.

Четвертое поколение-сверхбольшие интегральные схемы (1980-?)

Появление сверхбольших интегральных схем (СБИС)в 80-х годах позволило размещать на одной плате сначала десятки тысяч, затем сотни тысяч и, наконец миллионы транзисторов. Это привело к созданию компьютеров меньшего размера более быстродействующих. Ранее компьютеры были настолько большие и дорогостоящие, что компаниям и университетам приходилось иметь специальные отделы (вычислительные центры). К 80-м годам цены упали так сильно, что возможность приобретать компьютеры появилась не только у организаций, но и у отдельных людей. Началась эра персональных компьютеров.

Персональные компьютеры требовались совсем для других целей, чем их предшественники. Они применялись для обработки слов, электронных таблиц, а также для исполнения приложений с высоким уровнем интерактивности (например, игр), для которых большие компьютеры не подходили.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов. Каждый комплект содержал печатную плату, набор интегральных схем, обычно включая схему Intel 8080 , несколько кабелей, источник питания и иногда 8-дюймовый дисковод. Сложить из этих частей компьютер покупатель должен был сам. Программное обеспечение к компьютеру не прилагалось. Покупателю приходилось писать программное обеспечение самому. Позднее появилась операционная система CP/M , написанная Гари Килдаллом для Intel 8080. Это была полноценная операционная система (на дискете), со своей файловой системой и интерпретатором для исполнения пользовательских команд, которые вводились с клавиатуры.

Пятое поколение-компьютеры небольшой мощности и невидимые компьютеры

В 1981 году правительство Японии объявило о намерениях выделить национальным компаниям 500 миллионов долларов на разработку компьютеров пятого поколения на основе технологий искусственного интеллекта, которые должны были потеснить «послушные» машины четвертого поколения. Наблюдая за тем, как японские компании оперативно захватывают рыночные позиции в самых разных областях промышленности- от фотоаппаратов до стереосистем и телевизоров, — американские и европейские производители в панике бросились требовать у своих правительств аналогичных субсидий и прочей поддержки. Однако несмотря на большой шум, японский проект разработки компьютеров пятого поколения в конечном итоге показал свою несостоятельность и был тихо свернут. В каком-то смысле эта ситуация оказалась близка той, с которой столкнулся Беббидж-идея настолько опередила свое время, что для ее реализации не нашлось адекватной технологической базы.

Тем не менее, то, что можно назвать пятым поколением компьютеров, все же материализовалось, но в весьма в неожиданном виде-компьютеры начали стремительно уменьшаться. В 1989 году фирма Grid Systems выпустила первый планшетный компьютер, который назывался Grid Pad. Он был оснащен небольшим экраном, на котором пользователь мог писать специальным пером. Такие системы, как Grid Pad , продемонстрировали, что компьютер не обязан стоять на столе или в серверной-пользователь может носить его с собой, а с сенсорным экраном и распознание рукописного текста он становится еще удобнее.

Итак, к первому поколению причисляются компьютеры на электронных лампах, ко второму-транзисторные машины ( IBM 7094 ), к третьему — первые компьютеры на интегральных схемах ( IBM 360) , к четвертому — персональные компьютеры. Что же касается пятого поколения, то оно больше связано не с конкретной архитектурой, а со сменой модели. Компьютеры будущего будут встраиваться во все мыслимые и немыслимые устройства и за счет этого действительно станут невидимыми.

Список использованной литературы:

1. Э. Таненбаум, Т. Остин «Архитектура компьютера», -6-е изд. 2020. — С.25-34.

2. Э. П. Ланина «История развития вычислительной техники», 2001. — С.39-42