Архитектура современных компьютеров

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.

Понятие архитектуры компьютера

Архитектура компьютера — это ряд неких правил производства электронной системы вычисления, а также базовые способности и отличительные черты ее технологий.

Архитектурой персонального компьютера обычно пользуются в качестве инструмента для отработки стандартов. Другими словами, компьютерную систему по такому стандарту реально воплотить на основе сформированных схематических решений и технологий.

Под термином «архитектура компьютера» также понимают методологию сборки компьютеров и их составляющих. Таким образом, архитектура, разработанная определённой компанией, является её интеллектуальной собственностью и может быть применена только ею, являясь инструментом её конкурентоспособности. Но, невзирая на это, различными брендами используется общая концепция, объединяющая основные базовые характеристики разных моделей компьютеров, что делает их комплектующие универсальными.

Применение единой архитектуры персональных компьютеров дает возможность фирмам по производству компьютеров тесно взаимодействовать друг с другом для создания и совершенствования различных компонентов и используемых технологий. Совмещение разных концепций в одно архитектурное решение дает возможность распространяться определенным моделям персональных компьютеров на рынке, позволяет различным компаниям спроектировать пакеты программ, которые в любом случае подойдут для персонального компьютера.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Архитектура современных ПК

В основу архитектуры современных ПК заложен магистрально-модульный принцип. ПК состоит из отдельных частей – модулей, которые являются относительно самостоятельными устройствами ПК (напрмер, процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т.д.).

Модульный принцип позволяет пользователю самостоятельно комплектовать необходимую конфигурацию ПК и производить при необходимости его обновление. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Для работы ПК как единого механизма необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами, за что отвечает системная (магистральная) шина, которая выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

Основные особенности архитектуры ПК сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.

Подобная архитектура характеризуется ее открытостью – возможностью включения в ПК дополнительных устройств (системных и периферийных), а также возможностью простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения ПК.

Также совершенствование архитектуры ПК связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти, в которой хранятся данные, ПК считывает все исполняемые команды. Таким образом больше всего обращений центральный процессор совершает к памяти и ускорение обмена с памятью приведет к существенному ускорению работы всей системы в целом.

Т.к. при использовании системной магистрали для обмена процессора с памятью приходится учитывать скоростные ограничения самой магистрали, то существенного ускорения обмена данными с помощью магистрали добиться невозможно.

Для решения этого вопроса был предложен следующий подход. Системная память вместо системной магистрали подключается к специальной высокоскоростной шине, которая дистанционно находится ближе к процессору и не требует сложных буферов и больших расстояний. В этом случае обмен с памятью идет с максимально возможной для процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это решение стало с ростом быстродействия процессора.

Таким образом, структура ПК из одношинной, которая применялась только в первых компьютерах, становится трехшинной.

Рисунок 2. Трехшинная структура ПК

АЛУ и УУ в современных ПК образуют процессор. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем, называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Архитектура персонального компьютера

Основной принцип построения ЭВМ носит название архитектуры фон Неймана — американского ученого венгерского происхождения Джона фон Неймана, который ее предложил.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

1. Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).
2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.
3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер — техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

Персональный компьютер типа IBM PC имеет довольно традиционную архитектуру микропроцессорной системы и содержит все обычные функциональные узлы: процессор, постоянную и оперативную память, устройства ввода/вывода, системную шину, источник питания.

Рисунок 2.Архитектура персонального компьютера типа

Основные особенности архитектуры персональных компьютеров сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.

Основные узлы компьютера следующие (Рисунок 2):

Центральный процессор — это микропроцессор со всеми необходимыми вспомогательными микросхемами, включая внешнюю кэш-память и контроллер системной шины. (О кэш-памяти подробнее будет рассказано в следующих разделах). В большинстве случаев именно центральный процессор осуществляет обмен по системной шине.

Оперативная память может занимать почти все адресуемое пространство памяти процессора. Однако чаще всего ее объем гораздо меньше. В современных персональных компьютерах стандартный объем системной памяти составляет, как правило, от 64 до 512 Мбайт. Оперативная память компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти и поэтому требует регенерации.

Постоянная память (ROM BIOS — Base Input/Output System) имеет небольшой объем (до 64 Кбайт), содержит программу начального запуска, описание конфигурации системы, а также драйверы (программы нижнего уровня) для взаимодействия с системными устройствами.

Контроллер прерываний преобразует аппаратные прерывания системной магистрали в аппаратные прерывания процессора и задает адреса векторов прерывания. Все режимы функционирования контроллера прерываний задаются программно процессором перед началом работы.

Контроллер прямого доступа к памяти принимает запрос на ПДП из системной магистрали, передает его процессору, а после предоставления процессором магистрали производит пересылку данных между памятью и устройством ввода/вывода. Все режимы функционирования контроллера ПДП задаются программно процессором перед началом работы. Использование встроенных в компьютер контроллеров прерываний и ПДП позволяет существенно упростить аппаратуру применяемых плат расширения.

Контроллер регенерации осуществляет периодическое обновление информации в динамической оперативной памяти путем проведения по шине специальных циклов регенерации. На время циклов регенерации он становится хозяином (задатчиком) шины.

Перестановщик байтов данных помогает производить обмен данными между 16-разрядным и 8-разрядным устройствами, пересылать целые слова или отдельные байты.

Часы реального времени и таймер-счетчик — это устройства для внутреннего контроля времени и даты, а также для программной выдержки временных интервалов, программного задания частоты и т.д.

Системные устройства ввода/вывода — это те устройства, которые необходимы для работы компьютера и взаимодействия со стандартными внешними устройствами по параллельному и последовательному интерфейсам. Они могут быть выполнены на материнской плате, а могут располагаться на платах расширения.

Платы расширения устанавливаются в слоты (разъемы) системной магистрали и могут содержать оперативную память и устройства ввода/вывода. Они могут обмениваться данными с другими устройствами на шине в режиме программного обмена, в режиме прерываний и в режиме ПДП. Предусмотрена также возможность захвата шины, то есть полного отключения от шины всех системных устройств на некоторое время.

Важная особенность подобной архитектуры — ее открытость, то есть возможность включения в компьютер дополнительных устройств, причем как системных устройств, так и разнообразных плат расширения. Открытость предполагает также возможность простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения компьютера.

Первый компьютер семейства, получивший широкое распространение, IBM PC XT, был выполнен на базе оригинальной системной магистрали PC XT-Bus. В дальнейшем (начиная с IBM PC AT) она была доработана до магистрали, ставшей стандартной и получившей название ISA (Industry Standard Architecture). До недавнего времени ISA оставалась основой компьютера.

Однако, начиная с появления процессоров i486 (в 1989 году), она перестала удовлетворять требованиям производительности, и ее стали дублировать более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) или заменять совместимой с ISA магистралью EISA (Enhanced ISA).Постепенно шина PCI вытеснила конкурентов и стала фактическим стандартом, а начиная с 1999 года в новых компьютерах рекомендуется полностью отказываться от магистрали ISA, оставляя только PCI. Правда, при этом приходится отказываться от применения плат расширения, разработанных за долгие годы для подключения к магистрали ISA.

Другое направление совершенствования архитектуры персонального компьютера связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти компьютер читает все исполняемые команды, и в системной же памяти он хранит данные. То есть больше всего обращений процессор совершает именно к памяти. Ускорение обмена с памятью приводит к существенному ускорению работы всей системы в целом.

Но при использовании для обмена с памятью системной магистрали приходится учитывать скоростные ограничения магистрали. Системная магистраль должна обеспечивать сопряжение с большим числом устройств, поэтому она должна иметь довольно большую протяженность; она требует применения входных и выходных буферов для согласования с линиями магистрали. Циклы обмена по системной магистрали сложны, и ускорять их нельзя. В результате существенного ускорения обмена процессора с памятью по магистрали добиться невозможно.

Разработчиками был предложен следующий подход. Системная память подключается не к системной магистрали, а к специальной высокоскоростной шине, находящейся «ближе» к процессору, не требующей сложных буферов и больших расстояний. В таком случае обмен с памятью идет с максимально возможной для данного процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это становится с ростом быстродействия процессора (сейчас тактовые частоты процессоров персональных компьютеров достигают 1 — 3 ГГц).

Таким образом, структура персонального компьютера из одношинной, применявшейся только в первых компьютерах, становится трехшинной.

Рисунок 3.Организация связей в случае трехшинной структуры

Назначение шин следующее(Рисунок 3):

• к локальной шине подключаются центральный процессор и кэш-память (быстрая буферная память);
• к шине памяти подключается оперативная и постоянная память компьютера, а также контроллер системной шины;
• к системной шине (магистрали) подключаются все остальные устройства компьютера.

Все три шины имеют адресные линии, линии данных и управляющие сигналы. Но состав и назначение линий этих шин не совпадают между собой, хотя они и выполняют одинаковые функции. С точки зрения процессора, системная шина (магистраль) в системе всего одна, по ней он получает данные и команды и передает данные как в память, так и в устройства ввода/вывода.

Временные задержки между системной памятью и процессором в данном случае минимальны, так как локальная шина и шина памяти соединены только простейшими быстродействующими буферами. Еще меньше задержки между процессором и кэш-памятью, подключаемой непосредственно к локальной шине процессора и служащей для ускорения обмена процессора с системной памятью.

Если в компьютере применяются две системные шины, например, ISA и PCI, то каждая из них имеет свой собственный контроллер шины, и работают они параллельно, не влияя друг на друга. Тогда получается уже четырехшинная, а иногда и пятишинная структура.

Рисунок 4.Пример многошинной структуры

В наиболее распространенных настольных компьютерах класса Desktop в качестве конструктивной основы используется системная или материнская плата (motherboard), на которой располагаются все основные системные узлы компьютера, а также несколько разъемов (слотов) системной шины для подключения дочерних плат — плат расширения (интерфейсных модулей, контроллеров, адаптеров). Как правило, современные системные платы допускают замену процессора, выбор его тактовой частоты, замену и наращивание оперативной памяти, выбор режимов работы других узлов.

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.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

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:

1. Машинам гораздо проще использовать двоичный код счисления и руководствоваться им при выполнении различных операций.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.