Что такое принцип открытой архитектуры компьютеров ibm pc

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:

1. Использование двоичной системы счисления в ПК, в которой устройствам гораздо проще выполнять арифметико-логические операции, чем в десятичной.
2. 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.
3. Данные и программы хранятся в памяти ПК. Команды и данные кодируются одинаково в двоичной системе.
4. Ячейки памяти ПК имеют последовательно пронумерованные адреса. Возможность обращения к любой ячейке памяти по ее адресу позволила использовать переменные в программировании.
5. 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.

Принципы открытой архитектуры: как персональные компьютеры стали массовым явлением

Расцветом эпохи компьютеростроения считается переход от производства больших электронно-вычислительных машин к развитию сегмента микрокомпьютеров, или, как принято их сейчас называть, ПК. Ассортиментом современных «персоналок» пользователи во многом обязаны компании IBM и принципам открытой архитектуры, которыми руководствовались ее разработчики при создании культового IBM PC. Домашние компьютеры, какими их привыкли видеть теперь, унаследовали эту концепцию и обрели мировую популярность, перестав быть достоянием энтузиастов в сфере электроники и программирования. Так в чем заключается принцип открытой архитектуры?

Предпосылки: архитектурная открытость ЭВМ

Период 60-70-х годов в мире вычислительной техники ознаменовался возникновением электронно-вычислительных машин третьей волны. Тогда индустрия впервые перешла от создания единичных моделей ЭВМ к наладке серийного производства. Безусловным лидером на рынке считалась корпорация International Business Machines. Представленная ею в 1964 году серия мейнфреймов System/360 стала поистине революционным решением. В нее вошли 6 универсальных компьютеров, отличающихся по стоимости и мощности. Главное отличие от ряда конкурирующих экземпляров – взаимная совместимость. Программы или устройства ввода-вывода одного компьютера запускались и на других продуктах серии.

Раньше подход к созданию продукции отличался: каждая модель разрабатывалась с нуля – со своим процессором, написанными под него программами и конкретным пакетом периферийных устройств. Это затрудняло обмен данными между машинами разных моделей и влекло затраты, связанные с несовместимостью. Концепция, предложенная IBM, призывала утвердить некий стандарт и сократить расходы на обслуживание малосовместимых ЭВМ. Позднее такая унификация привела к созданию комплементарных модулей, выпускаемых другими фирмами.

До этого пользователи ограничивались стандартными конфигурациями вычислительной техники. Впоследствии же ее модифицировали согласно личным нуждам для решения большего количества задач, нежели заложено заводскими предустановками. Модульность и техническая совместимость стали основой принципа открытой архитектуры компьютера.

Первый микрокомпьютер на открытой архитектуре

У любителей-радиоэлектронщиков ЭВМ вызывали досаду: стоили дорого, использовались только организациями, а люди, обслуживавшие такие машины, считались избранными. Это привело к тому, что в среде энтузиастов предпринимались попытки «спаять» собственный компьютер. Но владения практическими навыками в сборке было недостаточно. Требовались по меньшей мере базовые знания программных языков, чтобы «завести» собранную машину.

Ключевым поворотом в истории, давшим импульс эпохе персональных ЭВМ, стала разработка микрокомпьютера Altair-8800 компанией MITS в 1974 году. Модель представляла собой набор печатных плат, заключенный в пластиковую коробку с переключателями и лампочками. Не было ни монитора, ни клавиатуры, столь привычных в нынешнем понимании. Но для общественности эта модель представляла немалый интерес, поскольку продавалась как в собранном виде, так и в комплектах деталей. Такой конструктор сопровождался инструкцией и техпаспортом. Политика производителя по разглашению этой информации и предоставлению возможности самостоятельной сборки воплощала принцип открытой архитектуры компьютера. Что было дальше?

IBM PC как стандарт принципов открытой архитектуры

Спустя шесть лет после дебюта «Альтаира» мир увидел IBM PC, ставший заключительным этапом в формировании понятия «персональный компьютер». Видя, как рынок микрокомпьютеров стремительно заполняют конкуренты вроде Apple и Commodore, руководство IBM решило не упускать шанс и спроектировать собственную персоналку.

Прежде компания производила необходимые комплектующие, не прибегая к помощи третьих лиц. Однако на этот раз времени на разработку не хватало – IBM рисковала опоздать и не запрыгнуть в уходящий поезд. Поэтому корпорация назначила команду, отвечавшую за поиск новых высокопроизводительных деталей, которые только предлагал рынок микроэлектроники того времени. Так, за процессором обратились к Intel, операционную систему предложила еще только развивающаяся фирма Microsoft, принтер взят у Epson, а монитор – у IBM Japan. Корпоративными усилиями создана только клавиатура и конечная комплектация.

В модель изначально закладывалась идея апгрейда. Конкурентную продукцию в большинстве представляли статичные машины, подверженные неизменному устареванию. Тогда как этот PC предусматривал наращивание производительности. Кроме того, наработки оказались доступными для желающих, что дало сторонним фирмам право на изготовление системных и периферийных устройств без необходимости покупки лицензии.

Стандартизация комплектующих, открытое лицензирование и свободное замещение деталей раскрыли суть принципа открытой архитектуры, породив настоящий бум персональных компьютеров. С тех пор аббревиатура ПК ассоциировалась с IBM-PC-совместимыми микрокомпьютерами. В похожем контексте этот термин употребляется по сей день.

Наше время

Ассортимент персональных компьютеров представлен преимущественно ПК с открытой архитектурой. Их владельцы вправе собственноручно модифицировать программную и аппаратную часть. К числу популярных марок относят:

• Acer;
• ASUS;
• Dell;
• Hewlett-Packard;
• Lenovo.

Компьютеры Apple, напротив, представляют закрытый тип архитектуры. Компания сама создает компоненты и ПО, так что улучшить Mac рядовому юзеру не представляется возможным. Наряду с завышенной стоимостью это считается недостатком, который, впрочем, компенсируется гарантией качества продукции. Архитектурная открытость хоть и предполагает наличие некоторых уязвимостей, но не представляет угрозы при грамотной эксплуатации. Взамен же владелец получает простор для модификаций и волен персонализировать ПК, опираясь на личные цели и предпочтения.

Первый микрокомпьютер на открытой архитектуре

У любителей-радиоэлектронщиков ЭВМ вызывали досаду: стоили дорого, использовались только организациями, а люди, обслуживавшие такие машины, считались избранными. Это привело к тому, что в среде энтузиастов предпринимались попытки «спаять» собственный компьютер. Но владения практическими навыками в сборке было недостаточно. Требовались по меньшей мере базовые знания программных языков, чтобы «завести» собранную машину.

Ключевым поворотом в истории, давшим импульс эпохе персональных ЭВМ, стала разработка микрокомпьютера Altair-8800 компанией MITS в 1974 году. Модель представляла собой набор печатных плат, заключенный в пластиковую коробку с переключателями и лампочками. Не было ни монитора, ни клавиатуры, столь привычных в нынешнем понимании. Но для общественности эта модель представляла немалый интерес, поскольку продавалась как в собранном виде, так и в комплектах деталей. Такой конструктор сопровождался инструкцией и техпаспортом. Политика производителя по разглашению этой информации и предоставлению возможности самостоятельной сборки воплощала принцип открытой архитектуры компьютера. Что было дальше?

Архитектура IBM

Компанией IBM была разработана архитектура ПК, ставшая фактически одним из мировых стандартов. Ее отличительная особенность — в открытости. То есть компьютер в рамках нее перестает быть готовым продуктом от бренда. Компания IBM — не монополист рынка, хотя один из его первопроходцев в аспекте разработки соответствующей архитектуры.

Пользователь или компания, собирающие ПК на платформе IBM, могут самостоятельно определять то, какие компоненты будут включены в структуру компьютера. Также возможна замена того или иного электронного компонента на более совершенный. Стремительное развитие компьютерных технологий позволило реализовать принцип открытой архитектуры ПК.

Архитектура IBM

Архитектура персонального компьютера, спроектированная фирмой IBM, по сути являет собой мировой стандарт. Главная её отличительная особенность — это открытая структура. Другими словами, персональные компьютеры, в соответствии с этим стандартом, перестали быть окончательными завершенными брендовыми продуктами.

IBM — это фирма, которая является одной из первых на рынке производства компьютеров, кто выработал общепризнанную архитектуру.

Но она не монополист при этом, то есть фирмы и компании, производящие компьютеры и их составляющие элементы, сами определяют состав сборки персональных компьютеров. В то же время, всегда остается возможным осовременить свой персональный компьютер, заменив комплектующие на более продвинутые. Реализация технологии открытой архитектуры современных компьютеров стала возможной благодаря быстрым темпам прогресса.

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.

Многопроцессорная архитектура ПК: особенности и нюансы

Если в компьютере несколько процессоров, то его работа выглядит следующим образом – много различных потоков информации реализуются одновременно. Конечно, такие компьютеры имеют преимущества перед компьютерами с одним процессором.

Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК