Что такое архитектура компьютера
Архитектура персонального компьютера (ПК) включает в себя структуру, которая отражает состав ПК, и программное обеспечение.
Структура ПК – это набор его функциональных элементов (от основных логических узлов до простейших схем) и связей между ними.
Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ПК, к которым относят процессор, оперативное запоминающее устройство, внешние запоминающие устройства и периферийные устройства.
Основным принципом построения всех современных ПК является программное управление.
Классическая архитектура фон Неймана
В $1946$ году американские математики Джон фон Нейман, Герман Голдштейн и Артур Бёркс в совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. На основе этих принципов производилось $1$-е и $2$-е поколение компьютеров. В следующих поколениях происходили некоторые изменения, но принципы фон Неймана (как они были названы) сохранялись.
Основные принципы фон Неймана:
- Использование двоичной системы счисления в ПК, в которой устройствам гораздо проще выполнять арифметико-логические операции, чем в десятичной.
- Программное управление ПК. Работа ПК управляется программой, которая состоит из набора команд, выполняющихся последовательно одна за другой. Создание машины с хранимой в памяти программой положило начало программированию.
- Данные и программы хранятся в памяти ПК. Команды и данные кодируются одинаково в двоичной системе.
- Ячейки памяти ПК имеют последовательно пронумерованные адреса. Возможность обращения к любой ячейке памяти по ее адресу позволила использовать переменные в программировании.
- Возможность условного перехода при выполнении программы. Команды в ПК выполняются последовательно, но при необходимости можно реализовать переход к любой части кода.
Основным принципом было то, что программа уже стала не постоянной частью машины, а изменяемой, в отличие от аппаратуры, которая остается неизменной и очень простой.
Фон Нейманом также была предложена структура ПК (рис. 1).
Рисунок 1. Структура ПК
В состав машины фон Неймана входили:
- запоминающее устройство (ЗУ);
- арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняло все арифметические и логические операции;
- устройство управления (УУ), которое координирует действия всех узлов машины в соответствии с программой;
- устройства ввода-вывода.
Программы и данные вводились в ЗУ из устройства ввода через АЛУ. Все команды программы записывались в ячейки памяти последовательно, а данные для обработки – в произвольные ячейки.
Команда состояла из указания операции, которую необходимо выполнить, и адресов ячеек памяти, в которых хранятся данные и над которыми необходимо выполнить нужную операцию, а также адреса ячейки, в которую необходимо записать результат (для хранения в ЗУ).
Из АЛУ результаты выводятся в ЗУ или устройство вывода. Принципиально эти устройства отличаются тем, что в ЗУ данные хранятся в удобном для обработки ПК виде, а на устройства вывода (монитор, принтер и т.п.) в удобном для человека.
От УУ на другие устройства поступают сигналы с командами, а от других устройств УУ получает информацию о результате их выполнения.
В УУ содержится специальный регистр (ячейка) – счетчик команд, в который записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое соответствующей ячейки памяти и помещает его в специальное устройство – регистр команд. УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.
После выполнения команды счетчик команд увеличивается на $1$ и указывает на следующую команду программы. При необходимости выполнения команды, которая не следует по порядку за текущей, специальная команда перехода содержит адрес ячейки, в которую нужно передать управление.
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.
Многопроцессорная архитектура ПК
Наличие в ПК нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и команд, т.е. одновременно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.
Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК
Многомашинная вычислительная система
В архитектуре многомашинной вычислительной системы каждый процессор имеет свою оперативную память. Применение многомашинной вычислительной системы эффективно при решении задач, которые имеют очень специальную структуру, которая должна состоять из такого количества ПК, на сколько слабо связанных подзадач разбита система.
Многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы имеют преимущество перед однопроцессорными в быстродействии.
Архитектура с параллельными процессорами
В данной архитектуре несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.
Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором
В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и другие архитектурные решения, отличные от рассмотренных выше.
Архитектуры с фиксированным набором устройств
Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры 1-го и 2-го поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.
Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. АЛУ обеспечивает не только числовую обработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя ее занесение в оперативную память. Канал ввода / вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.
Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа
Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.
Открытая архитектура
Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье.
На странице обсуждения должны быть пояснения.
Открытая архитектура — тип архитектуры компьютера или архитектуры программного обеспечения, предназначенной для простого добавления, обновления или замены компонентов [1] . Примерами такой архитектуры являются компьютеры IBM PC [2] [3] , Amiga 500 [4] и Apple II, позволяющие устанавливать платы расширения. Для этого системы с открытой архитектурой могут использовать системную шину, являющуюся либо открытым стандартом, например S-100, PCI или ISA, либо проприетарным стандартом, таким как шина Apple II [5] . Системная шина может содержать более десяти слотов расширения, позволяющих сторонним производителям оборудования создавать устройства расширения, а пользователям свободно устанавливать их. Системы с закрытыми архитектурами, если они в принципе допускают расширение, имеют один или два «порта расширения» с проприетарным разъёмом, за использование которого с производителя могут взиматься лицензионные отчисления, а установка расширений может требовать специальных инструментов и производиться специально обученными специалистами.
Компьютерные платформы могут включать системы как с открытыми, так и закрытыми архитектурами. Архитектуры компьютеров Mac mini и Compact Macintosh являются закрытыми, а Macintosh II и Power Macintosh G5 — открытыми. Большинство настольных компьютеров имеют открытую архитектуру, хотя архитектуры неттопов обычно закрытые.
Такой же подход применим к программной архитектуре. Открытая программная архитектура — это архитектура, в которой дополнительные программные модули могут быть добавлены к базовому программному каркасу (фреймворку), предоставляемому архитектурой. Открытые API (программные интерфейсы приложений) к основным программным продуктам — это способ изменения или расширения базовой функциональности таких продуктов. Примерами являются Google APIs. Второй тип открытой программной архитектуры — это система с обменом сообщениями между компьютерными системами. Эти сообщения имеют стандартную структуру, которая может быть изменена или расширена в соответствии с соглашениями между компьютерными системами. Примером является Distributed Data Management Architecture фирмы IBM.
Открытая архитектура позволяет потенциальным пользователям видеть её всю, либо её части без каких-либо проприетарных ограничений [6] . Как правило, для открытой архитектуры публикуется полное описание или описание тех частей, которыми хочет поделиться разработчик или интегратор. Для открытых бизнес-процессов, связанных с открытой архитектурой, могут потребоваться некоторые лицензионные соглашения между организациями, совместно использующими информацию об архитектуре. Открытые архитектуры были успешно внедрены во многих различных областях, включая ВМС США [7] .
Подобные документы
Понятие, сущность, назначение, структура и принципы архитектуры ЭВМ. Основополагающие принципы логического устройства ЭВМ и ее структура по фон Нейману. Основные методы классификации компьютеров. Характерные особенности архитектуры современных суперЭВМ.
реферат [103,3 K], добавлен 26.03.2010
Исторические предшественники компьютеров. Появление первых персональных компьютеров. Концепция открытой архитектуры ПК. Развитие элементной базы компьютеров. Преимущества многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 27.04.2013
Недостатки современных методов проектирования аппаратно-программных систем. Программа схемной эмуляции «Пульс» и ее преимущества. Сравнительный анализ архитектуры потоковой суперЭВМ, построенной на принципах схемной эмуляции, с известными архитектурами.
статья [1,2 M], добавлен 31.10.2011
Модель взаимодействия открытых систем. Стандартные типы разъемов и назначение контакта. Понятие «система» и управляемые объекты. Коммуникационные протоколы и интерфейс. Механизмы обнаружения и исправления ошибок. Открытая система, обозначения и сообщения.
лекция [322,9 K], добавлен 22.10.2014
Изучение внутренней и внешней архитектуры персонального компьютера. Логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Описание различных компонентов ПК. Принципы их взаимодействия, функции и характеристики.
контрольная работа [33,0 K], добавлен 15.06.2014
Системный блок компьютера и средства манипулирования. Архитектура фон Неймана. Архитектура компьютера разных поколений: на электронных лампах, на транзисторах, на интегральных схемах, на сверхбольших интегральных схемах. Принцип открытой архитектуры.
реферат [31,2 K], добавлен 05.07.2014
История персональной вычислительной техники, классификация ПЭВМ. Принципы фон Неймана. Разработка первых персональных компьютеров фирмы IВМ. Концепция «открытой архитектуры». IBM PS/2 и IBM-совместимые 386-е. Использование нового микропроцессора у ПК.
Как разрабатываются и создаются процессоры? Часть 1: Фундаментальные основы архитектуры процессоров
Существует общественное мнение, что процессор — мозг компьютера. Но как работает этот самый мозг, состоящий из миллиардов транзисторов? В этой небольшой серии статей (всего из четырех частей)портал Techspotрешил тщательно разобраться в том, что же заставляет работать ваше «железо».
В статьях будут затронуты такие темы, как принцип работы компьютерной архитектуры, дизайн микросхем процессоров, сверхбольшая масштабная интеграция (VLSI), создание чипов и грядущие тренды. Если вам всегда было интересно, как работают процессоры, то присаживайтесь прямо сейчас и наслаждайтесь чтением, потому что именно с этого и начнется данная статья.
Для началанужно понять, из чего состоит процессор, и как блоки соединяются в функциональное целое. Также будет затронута тема ядер процессоров, иерархии памяти, прогнозирования ветвлений и многого другого. Для начала, стоит дать базовое определение тому, что именно делает процессор. Если говорить простым языком, то процессор проводит операции над введенными командами, следуя конкретным инструкциям. Такой операцией может быть считывание значений из памяти, сложение этих значений, а затем сохранение их в другом отделе памяти. Или что-то более сложное — например, деление двух чисел, если результат предыдущего вычисления оказался выше нуля.
Любая программа, будь то операционная система или видеоигра, представляет собой набор инструкций, которые необходимо выполнить. Эти действия загружаются из памяти и запускаются по очереди, вплоть до окончания программы. Многие разработчики пишут программы на сложных языках программирования, например, C++ или Python, но стоит отметить, что процессор их попросту не понимает. Все, что он может — обработать нули и единицы, поэтому необходимо представить код в подобном формате.
Программы представляют собой набор низкоуровневых инструкций. Их называют языком ассемблера (assembly language), и они являются одной из частей архитектуры набора команд (ISA). Процессоры запрограммированы на распознавание и выполнение этих инструкций. Самыми распространенными архитектурами набора команд являются x86, MIPS, ARM, RISC-V и PowerPC. Каждая из них отличается друг от друга написанием кода, по аналогии с языками программирования.
Эти архитектуры можно разбить на две категории: архитектуры с фиксированной длиной и переменной длиной. RISC-V является архитектурой с фиксированной длиной, и это означает, что по количеству битов можно понять можно определить тип инструкции. Ее полная противоположность — это x86: архитектура с переменной длиной, в которой каждая инструкция может быть закодирована совершенно по-разному и с разным количеством битов в каждой части. Именно поэтому декодер инструкций на процессорах с архитектурой x86 является самой сложной деталью всего устройства.
Инструкции с фиксированной длиной декодируются легче и быстрее, но у таких архитектур существует лимит поддерживаемых инструкций. Так, самые распространенные процессоры на RISC-V с открытым доступом поддерживают около 100 инструкций, а x86 является закрытой архитектурой, поэтому никто не знает точного количества поддерживаемых инструкций. Многие считают, что это число достигает нескольких тысяч, но это лишь догадки. Тем не менее, несмотря на такую разницу, процессоры на обеих архитектурах выполняют одни и те же функции.
Примеры инструкций архитектуры RISC-V. Инструкция opcode справа занимает 7 бит, что, в свою очередь, определяет ее тип. Каждая инструкция состоит из битов, которые отвечают за то, какие регистры и функции будут выполняться. Так инструкции ассемблера превращаются в бинарный код, который процессор способен считывать.
Итак, теперь можно включать компьютер и запускать программы. Стоит отметить, что выполнение инструкции состоит из нескольких базовых шагов.
Первым таким шагом является перенос инструкции из памяти в сам процессор. На второй стадии инструкция декодируется, чтобы процессор смог понять, что это за инструкция. Типов инструкций много — от арифметических действий до инструкций памяти. После того, как процессор определил тип инструкции, он достает необходимые операнды из памяти или внутренних регистров. Объясняется это просто — вы не можете сложить числа A и B, если не знаете их значений. Стоит также упомянуть, что, так как многие современные процессоры 64-битные, то размер значения данных тоже будет составлять 64 бита.
64 бита — это пропускная способность регистра процессора; пути данных и/или адреса памяти. Чем больше бит, тем больше информации компьютер может обрабатывать за раз. Проще говоря, 64-битный процессор может обрабатывать в два раза больше информации, чем 32-битный.
После того, как процессор получил необходимые операнды, начинается выполнение инструкции и операций над введенными данными. Это может быть добавление чисел, проведение логических манипуляций или даже отсутствие действий, когда значение просто отправляется дальше. После подсчета результатапроцессор может снова обратиться к памяти, чтобы сохранить полученное значение там или же просто отложить полученное значение в одном из внутренних регистров. Только после того, как результат сохранен, процессор обновит состояние различных элементов и перейдет к выполнению следующей инструкции.
Следует отметить, что вся вышеперечисленная цепочка действий значительно упрощена, поскольку в реальных ситуациях большинство современных процессоров разделяют все эти действия на 20+ более мелких циклов, чтобы повысить эффективность. В профессиональной среде подобное называется пайплайном — чем-то вроде трубопровода, который постепенно заполняется жидкостью, но как только заполнится полностью, внутри создается постоянный поток.
Пример четырехступенчатого пайплайна. Цветные квадраты представляют собой независимые друг от друга инструкции.
Прохождение циклов — тщательно отлаженный процесс, но не все инструкции заканчиваются одновременно. Сложение, например, выполняется невероятно быстро, а вот делению или загрузке из памяти может потребоваться на выполнение несколько сотен циклов. Современные процессорывместо того, чтобы простаивать в ожидании завершения одной медленной инструкции, могут выполнять инструкции вне очереди. Процессор сам способен определить, какую инструкцию лучше выполнить в данный момент, а какие — после нее. Если выполняемая инструкция еще не готова, то система может забежать немного вперед, чтобы посмотреть, готово ли что-то другое.
Современные процессоры, кроме внеочередного выполнения инструкций, обладают также суперскалярной архитектурой. Это означает, что процессор может выполнять сразу несколько инструкций на каждом из этапов пайплайна. Для того, чтобы это было возможно, процессору необходимо иметь несколько копий каждого этапа пайплайна. Таким образом, если процессор видит две доступные для исполнения инструкции, между которыми нет никакой зависимости друг от друга, то он сможет одновременно выполнить обе. Такая технология называется одновременной многопотоковостью (SMT), более известной как гиперпотоковость (Hyper-Threading). Процессоры Intel и AMD поддерживают двухстороннюю одновременную многопотоковость, в то время как IBM разработала чипы, поддерживающие уже восьмистороннюю многопотоковость.
Для того, чтобы в точности прорабатывать подобную схему, процессорупомимо ядра для работы необходимы и другие элементы. В каждом процессоре расположены сотни модулей, причем каждый предназначен для специфической задачи, но в этой статье будут затронуты лишь самые важные. Основные два — это кэш и блок предсказания ветвлений.
Неопытных пользователей кэш может сбить с толку, ведь его главная задача — хранить данные, прямо как оперативная память или любой другой накопитель. Главное отличие кэша заключается в его огромной скорости и низкой задержке при работе с данными. Несмотря на то, что оперативная память обладает высокой скоростью работы с данными, она все еще в разы медленней кэша и слишком медленная для работы процессора. Если говоритьо более точных цифрах, то кэш быстрее оперативной памяти в 100 раз и в 1000 раз быстрее любого SSD. Без кэша процессоры работали бы в разы медленней.
Почти в каждом процессоре есть три уровня кэша — это называется иерархией памяти. Кэш 1 уровня (L1) самый быстрый и самый маленький, 3 уровня (L3), наоборот, крупнейший и медленный, а кэш 2 уровня (L2) — «золотая середина» между ними. Выше кэша в иерархии памяти стоят маленькие регистры, в которых сохраняется одиночное значение данных во время работы процессора. Эти регистры по скорости даже опережают кэш. Регистры используются, когда компилятор переводит высокоуровневые программы в язык ассемблера.
Когда процессор запрашивает данные из памяти, то он сначала проверяет, находятся ли эти данные в кэше первого уровня. Если они там есть, то процессор получает доступ к ним всего за пару циклов. Однако, если данных нет в кэше первого уровня, то процессор поищет их в кэше второго, а затем третьего уровня. С каждым уровнем будет снижаться скорость и увеличиваться задержка. Наконец, если в кэше данных не было, процессор начнет искать их уже в основной памяти (RAM).
В большинстве процессоров каждое ядро оснащено двумя кэшами первого уровня: один предназначен для данных, а другой — для инструкций. Кэш первого уровнязачастуюоколо 100 КБ в размере, хотя это число может отличаться в зависимости от процессора. Обычно на каждое ядро приходится по кэшу второго уровня, хотя в некоторых архитектурах процессоров может кэш может быть разделен между двумя ядрами. Размер этого кэша составляет уже несколько сотен килобайт. Самым большим (несколько десятков мегабайт) является кэш 3 уровня, который делится сразу между всеми ядрами процессора.
Во время обработки кода процессороминструкции и значения данных в большинстве случаев направляются в кэш. Так значительно увеличивается скорость выполнения задачи, поскольку процессору не нужно обращаться к главной памяти. Более подробно работа систем памяти будет рассмотрена во второй и третьей части этой серии статей.
Вторым важнейшим элементом процессора является блок предсказания ветвлений. Разветвленные инструкции являются чем-то вроде команды “если”, только в контексте процессора. Одна часть инструкций будет выполняться, если условие верно, а другая — если условие ложно. Пример: необходимо сравнить два числа, иесли числа равны, то выполнить одну функцию, а если нет — то другую. Ветвления довольно распространены изачастуюсоставляют около 20% всех инструкций программы.
На бумаге разветвленные инструкции звучат довольно просто, но для процессоров их выполнение может быть довольно проблематичным. Поскольку процессор может выполнять 10-20 инструкций одновременно, ему важно понимать, какие именно нужно обработать. Процессору может понадобиться 5 циклов, чтобы определить, является ли инструкция разветвленной, а затем до 10 циклов для того, чтобы определить верна она или нет. В это же время, процессор может начать выполнять десятки дополнительных инструкций, даже не зная правильно ли их выполнение.
Для решения этой проблемы все современные высокопроизводительные процессоры используют технологию спекулятивного выполнения. Благодаря этой технологии, процессор запоминает выполняемые разветвленные инструкции и автоматически угадывает, произойдет ли ветвление или нет. Если системе удалось угадать, то процессор будет заранее выполнять другие инструкции, что увеличивает производительность. Если же не удалось, то процессор остановит выполнение всех неподходящих инструкций и начнет выполнять задачи с правильной точки.
Блоки предсказания ветвлений — это нечто вроде ранней формы машинного обучения, поскольку блок будет постепенно заучивать принцип работы разветвленных инструкций. Благодаря тому, что блоки развивались и улучшались десятилетиями, точность прогнозов в современных процессорах превышает 90%.
Несмотря на то, что эти предсказания могут увеличить производительность процессора, они также образуют дыры в безопасности. Так, недавняя уязвимость Spectre позволяла злоумышленникам получить доступ к процессору именно через блок предсказания ветвлений. Из-за этого производители процессоров вынуждены были переписать алгоритмы работы, тем самым слегка снизив производительность.
В последние несколько десятилетий процессоры развились до невероятных высот. Благодаря умелому использованию многих элементов процессоров, производителям удалось поднять производительность на новый уровень. Увы, но эти самые производители держат все принципы работы своих технологий в строжайшем секрете, поэтому трудно понять, как работают мельчайшие детали. К счастью, большинство фундаментальных основ работы процессоров остаются неизменными, стандартизированным и общеизвестными. Если Intel вдруг внезапно решит каким-то волшебным образом увеличить скорость работы кэша, либо AMD добавит более продвинутый блок предсказания ветвлений, знайте — обе компании стараются добиться одной и той же цели.
На этом заканчивается небольшая экскурсия в мир основ работы процессоров. В следующей статье речь пойдет о том, как создаются различные компоненты процессора, о логических вентилях, частоте, энергопотреблении, печатных схемах и многом другом.
