На рисунке представлена архитектура компьютера

Лекция 16.

В школьном курсе информатики устройство компьютера изучается на уровне архитектуры, под которой понимается описание устройства и принципов его работы без подробностей технического характера. Описание архитектуры – это такое представление об устройстве и функционировании компьютера, которое достаточно для пользователя, в том числе и программиста. Здесь можно привести аналогию с архитектурой здания, – когда говорят о ней, то отмечают форму здания, его этажность, назначение, но такие подробности как: толщина стен, материал кирпичей, особенности их кладки и т.п., для него не существенны. Различным пользователям требуется различный уровень знания архитектуры компьютера.

В базовом курсе принята следующая схема раскрытия архитектуры:

назначение ЭВМ;
основные устройства, входящие в состав ЭВМ, и выполняемые функции;
организация внутренней и внешней памяти:
особенности архитектуры персонального компьютера;
типы и свойства устройств, входящих в состав персонального компьютера.

Для продвинутых пользователей и в профильных курсах рассматриваются программное управление работой компьютера, структура процессора, состав команд процессора, структура программы и алгоритм её выполнения процессором (цикл работы процессора).

2. Методика изучения архитектуры ЭВМ фон Неймана

Основы архитектуры ЭВМ установил в конце 1940 годов выдающийся американский математик венгерского происхождения Джон фон Нейман. В конце второй мировой войны он участвовал в создании первой ламповой ЭВМ ENIAC и разработал принципы построения вычислительных машин, описав их со своими соавторами Г. Голдстайном и А. Берксом в статье: «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно‐вычислительного устройства». Эти принципы принято также называть принципами Неймана. К ним относятся:

Состав и структура однопроцессорной ЭВМ.
Использование двоичной системы счисления в машинной арифметике.
Адресуемость памяти ЭВМ.
Совместное хранение данных и программ в общей памяти ЭВМ.
Структура машинной команды.
Состав системы команд процессора.
Цикл работы процессора (алгоритм выполнения программы процессором).

В базовом курсе информатики следует лишь кратко рассмотреть принципы фон Неймана, а более подробно – в профильных курсах. Изучая эти принципы с учащимися, учителю следует также осветить некоторые вопросы по истории создания первых ЭВМ и особенностям работы на них.

Нейман первым предложил, чтобы программа также хранилась в двоичном коде в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Это давало принципиальную возможность ЭВМ самой определять для себя программу действий в соответствии с результатами вычислений.

Основными блоками ЭВМ с архитектурой по Нейману являются:

устройство управления (УУ) и арифметико‐логическое устройство (АЛУ), объединяемые в центральный процессор;
оперативная память;
внешняя память;
устройства ввода и вывода информации.

Схема архитектуры такой ЭВМ показана на рисунке ниже:

Снимок экрана (13)

Рис. Схема архитектуры ЭВМ по фон Нейману

Нейман сформулировал также основополагающие принципы организации и работы логического устройства ЭВМ. Структура ЭВМ, предложенная Нейманом, оказалась очень удачной и реализовывалась многие годы на первых двух поколениях машин.

Изучая с учащимися архитектуру ЭВМ, учитель должен иметь в виду необходимость проведения профориентационной работы. Программистам и, в особенности, системным программистам требуется наиболее глубокое знание архитектуры ЭВМ и принципов фон Неймана.

Методика изучения архитектуры персонального компьютера

Разумеется, современные персональные компьютеры шагнули далеко вперед, но их архитектура осталась почти без изменений. Если ПК не на гарантии, то учитель может легко снять кожух с системного блока и показать внутреннее устройство компьютера, подключение внешних устройств, разъёмы, вентиляторы и т.п. Некоторые современные ПК имеют прозрачные боковые стенки с внутренней подсветкой, что позволяет получить даже эстетическое наслаждение, любуясь их устройством.

Общие понятия об архитектуре компьютера в учебниках даются без привязки к конкретной модели. Практически в настоящее время большинство школ оснащены IBM–совместимыми персональными компьютерами, поэтому их архитектуру и следует иметь в виду, привязывая к конкретной модели. Изучая архитектуру компьютера, учителю следует одновременно показывать и принципы его функционирования. Типичным методическим приёмом в этом случае является показ аналогии компьютера с человеком, что иллюстрирует таблица. При изучении таблицы учащимся можно предложить задание – дополнить таблицу своими примерами.

Сравнение функций, выполняемых человеком и компью‐тером

Снимок экрана (14)

Рассматривая деление памяти компьютера на внутреннюю и внешнюю, можно остановиться на аналогии – использование человеком памяти. Внутренняя память – это мозг человека, его собственная биологическая память, а внешняя память – это записи на бумаге, «узелки на память» и т.п.

Важным моментом изучения архитектуры является рассмотрение того, как осуществляется передача информации внутри компьютера. Все устройства ПК связаны между собой каналами передачи информации. Извне информация поступает в ПК через устройства ввода и затем попадает во внутреннюю память. Если необходимо длительно хранить информацию, то из внутренней памяти её переписывают во внешнюю – на магнитные или оптические носители. Сама обработка информации осуществляется процессором, при этом он осуществляет двустороннюю непрерывную связь с внутренней памятью: извлекает исходные данные, туда же помещает результаты обработки. Информация из внутренней памяти может быть передана через устройства вывода вовне – человеку или другому компьютеру.

Структурную схему ПК можно представить через информационные потоки, т.е. с точки зрения маршрута движения информации в компьютере. Такая схема приведена на рис. Она показывает направления (цели) процессов информационного обмена в компьютере.

Снимок экрана (15)

Рис. Структура персонального компьютера и направления информационных потоков

Рассматривая эту схему, учителю следует подробно остановиться на двух важных моментах.

1) Когда информация поступает в компьютер, то результатом её ввода является запись данных в оперативную память. На устройство вывода информация выводится тоже из оперативной памяти. Поэтому нельзя ввести данные непосредственно во внешнюю память, минуя внутреннюю. Это есть фундаментальное понятие при изучении работы компьютера, и оно должно обязательно быть усвоено всеми школьниками.

2) Для решения любой задачи компьютеру нужно сообщить исходные данные и программу работы с ними. Данные и программа должны быть представлены в определённой форме, которая понятна компьютеру. Они заносятся во внутреннюю память, после чего компьютер переходит к выполнению программы. Таким образом, компьютер является формальным исполнителем программы. То, что любая работа выполняется компьютером по программе – есть принцип программного управления компьютером, который сводится к трем основным положениям:

любая работа выполняется компьютером по программе;
исполняемая в данный момент программа находится в оперативной памяти;
программа выполняется компьютером автоматически.

На этом этапе обучения следует остановиться на различии между программой и данными. Данные – это та информация, которая обрабатывается компьютером по определённой программе. Учащимся можно привести аналогию – когда решают задачу по физике, то данными будет условие задачи, а порядок её решения будет программой.

Архитектура персонального компьютера может быть представлена схемой с общей шиной. Такая архитектура ещё имеет другое название – магистральная архитектура. Она показана на рисунке и дополняет схему на рисунке. На этой схеме не указан винчестер – устройство внешней памяти. Учащимся можно предложить задание: где на схеме следует указать винчестер? Широкие стрелки от монитора, дисковода, клавиатуры и принтера обозначают контроллеры – устройства, обеспечивающие сопряжение монитора, клавиатуры, дисковода, принтера и других внешних устройств с процессором через шину. Она представляет собой многопроводную электрическую магистраль, по которой передаются электрические сигналы. Таким образом, все информационные потоки идут через шину. Процессор через соответствующий контроллер управляет всеми внешними устройствами.

Снимок экрана (16)

Шинная архитектура персонального компьютера

Учителю следует особо обратить внимание на то, что архитектура IBM‐совместимых персональных компьютеров является открытой, т.е. позволяет легко изменять их конфигурацию путем добавления или замены устройств и, тем самым, делать изменение и наращивание параметров компьютера в зависимости от потребностей конкретного пользователя. Поэтому даже не очень «продвинутые» пользователи могут самостоятельно выполнить некоторую простую модернизацию своего домашнего компьютера, например, установить дополнительную оперативную память, второй винчестер и др.

Завершая изучение архитектуры компьютера, учителю нужно остановиться на понятии быстродействие компьютера, которое определяется его тактовой частотой. Она определяет частоту выполнения вычислительных операций (команд) компьютером. Современные ПК (на 2007 год) имеют тактовую частоту до 4 ГГц. Специализированные компьютеры могут иметь тактовую частоту на порядок выше. Хорошей аналогией в этом случае может быть музыкальная. Аналогом тактовой частоты является частота ударов метронома, задающего темп исполнения музыкального произведения. А различные устройства компьютера подобны музыкантам большого ансамбля, исполняющими одно произведение.

Изложенный выше материал должен изучаться постепенно, к нему учителю следует неоднократно возвращаться по мере изучения работы компьютера. Полезно иметь в кабинете информатики постоянно висящую схему архитектуры компьютера, схему шинной архитектуры и другие.

Классическая архитектура компьютера

Ключевые принципы, в соответствии с которыми предполагалось конструирование ПК по определенной логической схеме, предложил Джон фон Нейман, выдающийся математик. Его идеи были реализованы производителями ПК, относящихся к первым двум поколениям. Концепция, разработанная Джоном фон Нейманом, — это классическая архитектура ПК. Каковы ее особенности? Предполагается, что компьютер должен состоять из следующих основных компонентов:

– арифметического и логического блока;

– устройства для управления;

– блока внешней памяти;

– блока оперативной памяти;

– устройств, предназначенных для ввода и вывода информации.

В рамках данной схемы взаимодействие технологических компонентов должно реализовываться по конкретной последовательности. Так, сначала в память ПК попадают данные из компьютерной программы, которые могут вводиться с помощью внешнего устройства. Затем устройство для управления считывает информацию из памяти компьютера, после чего направляет ее на выполнение. В этом процессе при необходимости задействуются остальные компоненты ПК.

Современные многоуровневые компьютеры

Современные компьютеры можно представить как структуру, состоящую из 6 уровней:

Структура шестиуровневого компьютера

Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, который расположен ниже нулевого. Этот уровень не показан на рис. выше, так как он попадает в сферу электронной техники и, следовательно, не рассматривается из-за сложности материала. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые для разработчиков компьютеров являются примитивами. Объяснить, как работают транзисторы, — задача физики.

Уровень 0: Цифровой логический уровень

Объекты цифрового логического уровня — вентили. Хотя вентили состоят из аналоговых компонентов, таких как транзисторы, они могут быть точно смоделированы как цифровые устройства. У каждого вентиля есть один или несколько цифровых входов (сигналов, представляющих 0 или 1). Вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16, 32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела. Из вентилей также может состоять сам компьютер.

Уровень 1: уровень Микроархитектуры

Следующий уровень называется уровнем микроархитектуры. На этом уровне находятся совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Тракт данных работает следующим образом. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, после чего результат вновь помещается в один из этих регистров.

На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами.

На машинах, где тракт данных контролируется программным обеспечением, микропрограмма — это интерпретатор для команд на уровне 2. Микропрограмма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом тракт данных. Например, при выполнении команды ADD она вызывается из памяти, ее операнды помещаются в регистры, АЛУ вычисляет сумму, а затем результат переправляется обратно. На компьютере с аппаратным контролем тракта данных происходит такая же процедура, но при этом нет программы, интерпретирующей команды уровня 2.

Уровень 2: уровень архитектуры набора команд

Уровень 2 мы будем называть уровнем архитектуры набора команд. Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он продает, под названием «Руководство по машинному языку X», «Принципы работы компьютера У» и т. п. Подобное руководство содержит информацию именно об этом уровне. Описываемый в нем набор машинных команд в действительности выполняется микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он должен издать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интерпретатора.

Уровень 3: уровень операционной системы

Этот уровень обычно является гибридным. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры набора команд (команды, имеющиеся на одном из уровней, вполне могут быть представлены и на других уровнях). У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: новый набор команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программы одновременно и некоторые другие. При построении уровня 3 возможно больше вариантов, чем при построении уровней 1 и 2.

Новые средства, появившиеся на уровне 3, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды уровня 3, идентичные командам уровня 2, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Другими словами, одна часть команд уровня 3 интерпретируется операционной системой, а другая часть — микропрограммой. Вот почему этот уровень считается гибридным. Мы будем называть этот уровень уровнем операционной системы.

Между уровнями уровнем архитектуры набора команд и уровнем операционной системы есть существенная разница. Нижние три уровня задуманы не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально ориентированы на интерпретаторы и трансляторы, поддерживающие более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке новых виртуальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи.

Еще одно изменение, появившееся на уровне операционной системы, — механизм поддержки более высоких уровней. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше
обычно, хотя и не всегда, транслируются.

Другое отличие между уровнями 1, 2, 3 и уровнями 4, 5 и выше — особенность языка. Машинные языки уровней 1, 2 и 3 — цифровые. Программы, написанные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые воспринимаются компьютерами, но малопонятны для людей. Начиная с уровня 4, языки содержат слова и сокращения, понятные человеку.

Уровень 4: уровень Ассемблера

Уровень 4 представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.

Уровень 5: уровень языка прикладных программистов

Уровень 5 обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — С, C++, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами. Отметим, что иногда также имеет место интерпретация. Например, программы на языке Java сначала транслируются на язык, напоминающий ISA и называемый байт-кодом Java, который затем интерпретируется.

В некоторых случаях уровень 5 состоит из интерпретатора для конкретной прикладной области, например символической логики. Он предусматривает данные и операции для решения задач в этой области, выраженные при помощи специальной терминологии.

Таким образом, компьютер проектируется как иерархическая структура уровней, которые надстраиваются друг над другом. Каждый уровень представляет собой определенную абстракцию различных объектов и операций. Рассматривая компьютер подобным образом, мы можем не принимать во внимание ненужные нам детали и, таким образом, сделать сложный предмет более простым для понимания.

Набор типов данных, операций и характеристик каждого отдельно взятого уровня называется архитектурой. Архитектура связана с программными аспектами. Например, сведения о том, сколько памяти можно использовать при написании программы, — часть архитектуры. Аспекты реализации (например, технология, применяемая при реализации памяти) не являются частью архитектуры. Изучая методы проектирования программных элементов компьютерной системы, мы изучаем компьютерную архитектуру. На практике термины «компьютерная архитектура» и «компьютерная организация» употребляются как синонимы.

По материалам книги «Архитектура компьютера» Э. Таненбаума. Советую прочитать оригинал.

Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера

В современных персональных компьютерах архитектура характеризуется наличием контроллеров. Их появление – это итог пересмотра классической концепции. Теперь микропроцессор берет на себя функцию обмена данными с внешними устройствами. Производители смогли отделить микропроцессор от многофункционального компонента при помощи обнаруженных особенностей интегральных схем. Так возникли разные каналы обмена, в том числе и периферийные микросхемы, позднее их стали называть контроллерами. Сегодня подобные аппаратные компоненты в компьютерах научились управлять практически любым оборудованием.

Новейшие архитектуры ПК преимущественно используют шины. Эти каналы связи обеспечивают взаимодействие всех аппаратных элементов и обычно выглядят как электрическое соединение с проводниками. В ее структуру могут включаться специализированные модули, которые отвечают за различные функции.

Архитектура современного ПК

Графически архитектура современного компьютера выглядит так:

Что собой представляет архитектура ПК

Архитектура современного ПК представляет собой логическую организацию, структуру и ресурсы, то есть механизмы вычислительной системы. Последние могут выделяться на определенный временной интервал для процесса обработки информации.

Правила построения персонального компьютера

Основой современной вычислительной машины являются принципы архитектуры ПК, сформулированные Джоном Нейманом:

1. Программное управление. Состоит из группы команд, которые выполняет процессор автоматически (одну за другой в определенной последовательности).

2. Однородность памяти. Программы и другие данные хранятся в одном разделе памяти. Одни и те же действия выполняются и над данными, и над командами.

3. Адресность. Основная память состоит из пронумерованных секторов (ячеек).

Построение персонального компьютера

Классическая архитектура ПК строится на вышеперечисленных принципах. Она определяет условия работы, информационные связи, взаимное соединение главных логических узлов персонального компьютера. К ним относятся внешняя и основная память, центральный процессор и периферийные устройства.

Персональный компьютер конструктивно выполнен в виде основного системного блока. К нему через специализированные разъемы присоединяются периферийные устройства. Архитектура ПК содержит следующие основные узлы: системную плату, блок питания, накопители на жестком магнитном и оптическом дисках, интерфейсы для дополнительных и внешних устройств. В свою очередь, на материнской (системной) плате располагаются микропроцессор, тактовый генератор импульсов, математический сопроцессор и микросхемы памяти. А также таймер, контроллеры периферийных устройств, видео- и звуковая карта.

Архитектура ПК основана на модульно-магистральном принципе. Данное правило позволяет пользователю самостоятельно комплектовать требуемую конфигурацию персонального компьютера, а также (при необходимости) производить ее модернизацию. Удобство модульной организации системы заключается в магистральном принципе обмена данными. Контроллеры всех устройств взаимодействуют с оперативной памятью и микропроцессором через главную магистраль передачи информации, которую называют «системной шиной». Она выполнена в виде печатного моста на материнской плате. Системная шина – это главный интерфейс вычислительной машины, и вся архитектура ПК построена вокруг нее. Именно этот элемент обеспечивает связь и сопряжение всех устройств друг с другом. Системная шина производит три направления передачи данных:

— между основной памятью и микропроцессором;

— между портами ввода и вывода внешних устройств и процессором;

— между портами и основной памятью.

Внешние устройства персонального компьютера обеспечивают связь последнего с окружающей средой: объектами управления, пользователями и другими вычислительными машинами.